遙控式噴霧機間歇變量噴霧系統(tǒng)的研制

周中瑞，謝景鑫，孫 霞，李 明,

（1.山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255000；2.湖南省農(nóng)業(yè)裝備研究所，湖南 長沙 410125；3.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；4.山東省蔬菜質(zhì)量安全溯源工程技術研究中心，山東 淄博 255000）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用農(nóng)藥是經(jīng)濟、快速防治病蟲害的手段，但傳統(tǒng)的施藥方式存在浪費和低效等問題[1]。變量噴霧技術通過傳感器獲取作物表型數(shù)據(jù)以及病蟲害情況來決策噴霧量，并通過變量噴霧系統(tǒng)實現(xiàn)按需施藥，提高了農(nóng)藥的利用率，降低了農(nóng)藥的用量[2-3]。目前，PWM 變量噴霧技術比較常見，相關研究也較多，且效果不錯。喬白羽等[4]研制了基于LIDAR 的變量施藥系統(tǒng)，通過LIDAR 實時掃描甘蔗的株高，根據(jù)株高差異生成噴霧量處方圖，并通過PWM 變量噴霧系統(tǒng)完成變量施藥，與常規(guī)施藥相比其施藥量減少了28.5%。閆成功等[5]設計了葡萄園變量噴霧系統(tǒng)，利用雙目相機探測葡萄冠層體積，根據(jù)冠層體積差異調(diào)節(jié)PWM 信號的占空比來改變噴頭流量，與常量噴霧相比該系統(tǒng)能夠節(jié)省55.27%的藥量。李龍龍等[6]使用激光傳感器掃描果樹體積，根據(jù)掃描到的樹冠大小實時調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速和電磁閥的PWM 信號，從而實現(xiàn)變量噴霧。Salcedo 等[7]利用激光掃描傳感器表征蘋果樹冠層大小和葉片密度，通過嵌入式計算機處理掃描結(jié)果，并控制PWM 噴霧系統(tǒng)完成施藥，降低了90.3%的機載總漂移量與85.0%的地面損失，顯著提高了農(nóng)藥利用率。

目前，關于PWM 變量噴霧的研究大多應用于植株間隔較為明顯的果園，其變量噴霧系統(tǒng)中的電磁閥僅在出現(xiàn)目標作物時才實施噴藥，對于馬鈴薯等在生長中后期植株間連續(xù)性較強的植物[8]，電磁閥則需長時間處于高頻通斷的狀態(tài)。這種工作方式對電磁閥的性能要求較高，使用高性能的電磁閥會提高生產(chǎn)成本，且高頻的開關也會降低電磁閥的使用壽命，影響PWM 變量噴霧的大面積推廣[9-11]?；诖?，筆者以馬鈴薯為試驗對象，設計了一種間歇變量噴霧系統(tǒng)，以PLC 為核心控制器，通過其中的定時器功能實現(xiàn)對電磁閥的通斷控制，固定電磁閥的關閉時間，通過控制電磁閥的開啟時間來調(diào)節(jié)電磁閥的工作頻率和噴頭的噴霧量，并使電磁閥工作頻率小于1 Hz。該研究可為馬鈴薯的植保作業(yè)提供一種低成本變量噴霧裝備，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中類似作物的植保裝備設計提供參考。

1 系統(tǒng)研制

1.1 結(jié)構(gòu)設計

該噴霧機以遙控輪式底盤為移動載體，噴霧機整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括輪式底盤、間歇變量噴霧系統(tǒng)和噴霧控制系統(tǒng)。其中，間歇變量噴霧系統(tǒng)主要包括電磁閥（亞德客，2V025-08）、隔膜泵（普蘭迪2201）、壓力計（銘控，MD S260）、溢流閥（富羽，DN15）、空心錐霧噴頭和儲液箱等；噴霧控制系統(tǒng)主要包括PLC（三菱，F(xiàn)x3U-32 m）和觸摸屏（威綸通，TK6071iP）。電磁閥安裝在噴頭上方，通過電磁閥的開關控制噴霧的啟停，將食用黑色素作為示蹤劑與清水配制成試驗試劑，儲存在儲液箱中，使用隔膜泵將試驗試劑泵入噴霧管道中，壓力計和溢流閥用于調(diào)節(jié)噴霧管道中的壓力。觸摸屏用于設定間歇變量噴霧參數(shù)，并通過PLC 產(chǎn)生電磁閥間歇通斷的控制信號。

圖1 間歇變量噴霧試驗機總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制系統(tǒng)設計

間歇變量噴霧控制系統(tǒng)硬件原理如圖2 所示，間歇變量控制程序操作界面如圖3 所示。通過觸摸屏設定電磁閥的開啟和關閉時間，經(jīng)RS232 接口傳輸給PLC，PLC 按照設定的時間循環(huán)輸出高低電平，控制電磁閥的通斷。單次循環(huán)內(nèi)電磁閥開啟時間可根據(jù)實際噴霧量進行設定，計算公式如公式（1），經(jīng)前期試驗得知，噴霧壓力為0.4 Mpa 時，電磁閥的關閉時間可設為0.4 s，開啟時間設為1 s，此間隔在底盤運動速度為0.8 m/s 時能形成連續(xù)的噴霧帶。

圖2 間歇變量噴霧控制系統(tǒng)硬件原理圖

圖3 間歇變量噴霧控制系統(tǒng)界面圖

式中：TK為電磁閥開啟時間，單位為s；QS為作業(yè)過程中錐形噴頭設定的流量，單位為mL/min。

2 試驗驗證

2.1 材料與方法

主要試驗材料：遙控式間歇變量噴霧機、掃描儀（影源科技C200）、TXVK-4 空心錐霧噴頭（美國TEEJET）、麥拉片[12]（3.0 cm × 8.0 cm）。

試驗內(nèi)容與方法：根據(jù)噴霧機常用作業(yè)速度，將輪式底盤運動速度設定為0.8 m/s，設置電磁閥的開啟時間為1 s，關閉時間為0.4 s，對間歇變量噴霧系統(tǒng)在馬鈴薯冠層的霧滴沉積分布進行測定，分析霧滴在馬鈴薯冠層的沉積分布特性，并與常量噴霧進行對比，驗證該間歇變量噴霧系統(tǒng)作業(yè)過程中霧滴分布的連續(xù)性。其中，間歇噴霧指電磁閥根據(jù)控制系統(tǒng)的信號循環(huán)通斷；常量噴霧時電磁閥則處于常開狀態(tài)。

基于噴霧機噴桿具有對稱性，試驗中僅布置單側(cè)噴桿上的噴頭，并選擇最外側(cè)噴頭經(jīng)過的區(qū)域作為布樣區(qū)，降低由于底盤運動的氣流對噴霧過程的干擾。如圖4 所示，在布樣區(qū)內(nèi)放置14 株長勢相近的現(xiàn)蕾期馬鈴薯，株距為30 cm，將每株馬鈴薯冠層分為上、中、下3 層，每層布置3 張麥拉片，使用黑色馬克筆在葉片上標記麥拉片的位置，使后續(xù)麥拉片的布置能夠與前一組試驗保持一致。試驗開始前，啟動隔膜泵將測試液體泵入噴霧系統(tǒng)的管路中，并通過流經(jīng)安全閥的回液管路將儲液箱中的測試液體攪拌均勻。開啟最外側(cè)電磁閥，保持噴霧機靜止使噴霧系統(tǒng)進行預噴霧，待壓力計讀數(shù)穩(wěn)定后，啟動噴霧機使其按照設定速度前進，對馬鈴薯冠層進行間歇噴霧，按照同樣的方法，改變噴霧方式為常量噴霧，對馬鈴薯冠層進行噴霧。結(jié)束試驗后，取下麥拉片按照布樣位置編號并掃描，采用Image J 軟件對得到的霧滴沉積圖像進行分析，計算間歇噴霧與常量噴霧在馬鈴薯冠層不同高度處的霧滴沉積密度，分析間歇施藥過程中霧滴在馬鈴薯冠層的沉積分布特性，與常量噴霧進行對比，對間歇變量噴霧系統(tǒng)的工作性能進行評價。

圖4 室內(nèi)試驗方案

2.2 結(jié)果與分析

由圖5 和表1 可知，霧滴沉積密度自上而下逐漸減少，間歇變量噴霧過程中霧滴在馬鈴薯冠層上、中、下三層的霧滴沉積密度分別為328.54、172.74、84.90滴/cm2，均大于GB/T 17997—2008 農(nóng)藥噴霧機[13]對于霧滴沉積密度不小于30 滴/cm2的要求。與常量噴霧相比，間歇變量噴霧對馬鈴薯冠層上、中層霧滴沉積密度分別減少56.23、10.51 滴/cm2，對馬鈴薯冠層下層霧滴沉積密度增加23.82 滴/cm2。從霧滴分布均勻性（變異系數(shù)）來看，間歇變量噴霧對馬鈴薯冠層上、中、下層霧滴沉積密度的變異系數(shù)分別為12.63%、34.83%、43.24%，其中，上、下層霧滴沉積密度的變異系數(shù)分別比常量噴霧的高3.45、7.21 個百分點，中層霧滴沉積密度的變異系數(shù)比常量噴霧的低4.86 個百分點。綜上所述，該間歇變量噴霧系統(tǒng)能夠滿足馬鈴薯植保作業(yè)的要求，且能夠獲得與常量噴霧相近的作業(yè)效果。

圖5 間歇噴霧與常量噴霧霧滴沉積密度分布

表 1 霧滴平均密度與變異系數(shù)

從表1 還可看出，2 種噴霧方式對馬鈴薯冠層中、下層霧滴沉積密度的變異系數(shù)均較大，表明霧滴在中、下層的分布均勻性較差。究其原因主要是由于馬鈴薯冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，葉片間的相互遮擋較為嚴重，僅依靠霧滴的自然沉降難以均勻的穿透馬鈴薯冠層，故而導致馬鈴薯冠層的中、下層霧滴分布均勻性較差。

3 結(jié) 論

針對PWM 變量噴霧系統(tǒng)經(jīng)濟成本高的問題，研制了一種低成本的間歇變量噴霧系統(tǒng)，以PLC 為控制器，控制普通電磁閥以小于1 Hz 的頻率進行間歇噴霧，并以現(xiàn)蕾期馬鈴薯為試驗對象，對間歇變量噴霧系統(tǒng)的作業(yè)性能進行試驗驗證。結(jié)果表明：間歇變量噴霧系統(tǒng)在實際作業(yè)過程中能夠形成連續(xù)完整的噴霧帶，霧滴在馬鈴薯冠層上、中、下層的平均沉積密度分別為328.54、172.74、84.90 滴/cm2，其在馬鈴薯冠層上層、中層、下層的霧滴分布均勻性（變異系數(shù)）與常量噴霧分別相差3.45、-4.86、7.21 個百分點；說明該間歇變量噴霧系統(tǒng)能夠滿足實際作業(yè)需求，且能達到與常量噴霧相近的噴霧效果。該研究可為農(nóng)業(yè)植保提供一種低成本的噴霧裝備。

研發(fā)的間歇變量噴霧系統(tǒng)作業(yè)時，霧滴在馬鈴薯冠層葉片上的沉積密度均高于農(nóng)藥噴霧機田間操作規(guī)程及噴灑質(zhì)量評定對作物病蟲害防治的要求，表明該噴霧系統(tǒng)可以完成針對低矮作物生長中后期的施藥作業(yè)。但該系統(tǒng)在株距較為明顯的作物上的系統(tǒng)性能與適用性需進一步驗證。同時，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，該設備在馬鈴薯冠層中下層的沉積均勻性較差，后續(xù)研究應與風送式噴霧方法進行結(jié)合，探究霧滴分布均勻性的變化。