枸杞智能噴藥機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

殷文豪，施愛平

（江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院/現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

枸杞子（Lycium chinenseMiller）在紅果期鮮嫩多汁、香甜可口，極易遭受病蟲害的侵襲。在枸杞病蟲害初發(fā)期即5 月上旬時，枸杞木虱、癭螨及其他蟲螨嚴(yán)重影響枸杞葉片的生長發(fā)育；5 月中旬時，薊馬、癭螨和其他害蟲等為害枸杞夏梢和幼果；病蟲害盛發(fā)期（6—7 月）正值果實采收盛期，枸杞蛀果蛾會吃食枸杞子，影響枸杞的收成。因此枸杞病蟲害的防治尤為重要［1-3］。

目前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，基于多傳感器的噴施技術(shù)研究已有一定進(jìn)展［4-20］。通過對寧夏枸杞種植園實地調(diào)查和查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前針對枸杞的智能化對靶噴藥技術(shù)研究緩慢，大多數(shù)枸杞種植園仍然采取均勻施噴的辦法，并未考慮植株個體的差異，從而造成病蟲害防治效果差和農(nóng)藥殘留重等問題。有小部分種植園采購了國外的智能噴藥機(jī)，但這些機(jī)具安裝時需要加裝轉(zhuǎn)換支架，通用性不強(qiáng)且維修和售后成本較高。

基于此，本研究設(shè)計了一種智能化對靶噴藥控制器，該控制器基于3WJF-600 型牽引式雙臂噴藥機(jī)，能夠自適應(yīng)枸杞植株的生長狀態(tài)，建立植株樹冠體積疏密度模型，實現(xiàn)變量對靶噴藥，從而提高枸杞噴藥機(jī)的噴藥精度和智能化程度。

1 噴藥機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 設(shè)計要求

寧夏枸杞高0.8～2.0 m，種植行距一般為2 m。傳感器安裝在距離一行中心位置0.5 m 處，每側(cè)安裝5 個傳感器，相互間隔0.3 m，兩側(cè)傳感器間隔1 m。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、液位傳感器、霍爾式流量傳感器、防水型超聲波距離傳感器、速度傳感器和脈沖變送器和觸摸屏等，如圖1 所示。系統(tǒng)通過GPS/北斗測量拖拉機(jī)行駛速度，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)僅在拖拉機(jī)行駛時打開噴藥系統(tǒng)，由拖拉機(jī)行駛速度調(diào)節(jié)噴藥量大小，再由布置在藥箱支架兩邊的2組共10 個防水型超聲波傳感器不間斷地測量各邊枸杞植株的樹冠大小、冠層密度等信息，將測得的信息傳回控制器；單片機(jī)通過構(gòu)建的枸杞植株模型和拖拉機(jī)行駛速度，輸出相應(yīng)的PWM 方波信號，通過PWM 脈沖變送器生成4～20 mA 的控制電流信號，調(diào)節(jié)各閥門，以實現(xiàn)流量控制和對靶噴藥。該噴藥系統(tǒng)通過霍爾式流量傳感器可以實現(xiàn)實時噴藥量和總噴藥量統(tǒng)計，方便后期管理。

圖1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由噴藥系統(tǒng)、柱塞泵、變量閥門、分流閥、壓力表和扇形防滴漏噴頭等組成，如圖2 所示。程序初始化后系統(tǒng)首先讀取藥箱液位，若液位偏低則發(fā)出警告；液位正常則提示用戶輸入工作參數(shù)，即目標(biāo)噴藥量。之后由控制系統(tǒng)檢測拖拉機(jī)行駛速度和植株相關(guān)參數(shù)，并建立模型，再通過調(diào)節(jié)電動閥門控制噴藥量。噴藥系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖2 噴藥系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖3 噴藥系統(tǒng)流程

2 噴藥系統(tǒng)算法設(shè)計

2.1 植株樹冠體積計算

枸杞植株外輪廓是類橢球體，因此，通過擬合其高度方向上的輪廓曲線（圖4），再使用積分的方法即可求得樹冠體積V。

圖4 枸杞樹冠示意圖

式中，y為高度方向上切面橢圓的半軸（m）；z為高度方向上切面橢圓的另一個半軸（m）；h為樹冠高度（m）；dx為樹冠高度方向上的變化率。

對于半軸z，其在第i個傳感器處的長度為：

式中，v為拖拉機(jī)行駛速度（m/s）；t2為該傳感器最后一次檢測到樹冠的時刻；t1為該傳感器第一次檢測到樹冠的時刻。

對于半軸y，用傳感器到行心距離減去測得的距離最小值即可求得：

式中，min［Y］為傳感器測得距離的最小值（m）。

2.2 樹冠疏密度

對于采樣率為λ的第i個傳感器，當(dāng)其檢測到樹冠后，將測得距離小于0.5 m 點的個數(shù)記為n，記n和總采樣數(shù)的比值為疏密度，則有疏密度f（i）。

式中，n為第i個傳感器的有效采樣數(shù)；λ為傳感器的采樣率。對5 個傳感器求平均疏密度f。

2.3 加權(quán)樹冠體積

為避免在植株樹冠過大枝葉較疏或樹冠體積小枝葉較密的情況下造成誤噴，將樹冠疏密度與樹冠體積的乘積定義為加權(quán)樹冠體積W。

式中，W為加權(quán)樹冠體積（m3）。

2.4 單株噴藥量

對于種植密度為D的種植園，有單棵植株種植空間上的噴藥量q。

式中，q為單棵植株種植空間上的噴藥量（L）；Q為均勻噴施下的每公頃噴藥量（L/hm2）；D為枸杞園的種植密度（棵/hm2）。

單株噴藥量s為：

式中，s為單棵植株噴藥量（L）。

規(guī)定拖拉機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工作速度為5 km/h，則當(dāng)拖拉機(jī)正常工作在速度v時，有實際噴藥量S，

式中，S為不同行駛速度下的單棵植株噴藥量（L）。

3 試驗

為了驗證控制系統(tǒng)的可行性和實際效果，在寧夏回族自治區(qū)吳忠市進(jìn)行試驗。

霧滴沉積量能夠反映噴霧的均勻性和霧滴覆蓋情況，本研究根據(jù)枸杞植株的高度分別采樣，對于高度大于50 cm 的較大植株分別設(shè)置上、中、下3 個采樣層，將3 組水敏紙分別布置在枸杞植株的不同高度上，分別為10、30、50 cm；對于高度在30～50 cm 的中等植株，分別在30 cm 和10 cm 處設(shè)置2 組采樣層；高度小于30 cm的較小植株只在15 cm處設(shè)置1組采樣層，同時將較大植株減去部分樹枝重新進(jìn)行試驗。每個高度上分別在葉片正反面各布置1 張水敏紙，拖拉機(jī)以5 km/h 的速度牽引噴藥機(jī)施藥，統(tǒng)計每次試驗的霧滴沉積量，每個植株試驗5次。霧滴樣本如圖5 所示，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖6、圖7、圖8 和圖9 所示。

圖5 霧滴樣本

圖6 較大植株露滴沉積量

圖7 中等植株露滴沉積量

圖8 較小植株沉積量

圖9 剪枝植株沉積量

從現(xiàn)場試驗來看，智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對靶噴施，當(dāng)不存在目標(biāo)植物時及時關(guān)閉閥門，有效減少了農(nóng)藥浪費。對于株高較大的枸杞植株，噴藥機(jī)控制系統(tǒng)能夠識別出樹冠大小并將藥液充分噴灑至樹冠的各部分；對于較小的植株，控制系統(tǒng)也能夠減小噴藥量并且關(guān)閉上面一組噴頭。從試驗數(shù)據(jù)來看，大小不一的植株葉片所附著的霧滴數(shù)較為均勻；密度小于正常植株剪枝植株的葉片霧滴數(shù)明顯減少。

4 小結(jié)

本研究針對枸杞植株設(shè)計了一種智能噴藥系統(tǒng)，通過加權(quán)樹冠體積的模型算法計算出一種噴藥量模型，實現(xiàn)了對靶噴藥。試驗結(jié)果表明，當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度為5 km/h 時，變量噴藥能夠根據(jù)枸杞植株的大小和疏密度來變量調(diào)節(jié)噴藥量，相比均勻施噴能夠有效減少農(nóng)藥使用，有效減少農(nóng)藥殘留，且噴施均勻性較好。