黃 蕊 ，郭樹強 ，趙紅茹

(1.承德廣播電視大學，河北 承德 067000； 2.河北司法警官職業(yè)學院，石家莊 056004)

0 引言

病蟲草害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一個嚴重威脅，會給農(nóng)作物造成巨大的產(chǎn)量損失。以我國最主要的糧食作物水稻為例，每年因病蟲草害損失的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的15%～40%[1-2]，導致水稻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴重制約[3]。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中加強對病蟲草害的防治具有很大的現(xiàn)實意義。

針對不同有害生物的防治手段各異，通過噴灑農(nóng)藥進行化學防治是較為通用的方法。植物保護中的農(nóng)藥噴灑作業(yè)勞動周期長，強度較大，對實效性也提出了很高的要求[4]。目前，農(nóng)藥噴灑主要采用人工噴施、地面機械噴施和航空噴施3種方式。人工噴施是傳統(tǒng)方法，存在勞動強度大和效率低的問題，難以應對病蟲草害突發(fā)和爆發(fā)的局面，且不利于操作人員的身體健康；地面機械噴施的效率相對較高，但作業(yè)成本高，藥劑利用率低，還會損傷農(nóng)田的土壤環(huán)境[5]；航空噴施是新型的作業(yè)方式，克服了前兩種方式效率低和農(nóng)田損傷問題。隨著各型農(nóng)業(yè)飛行器的推廣普及，航空噴施不再受到作業(yè)成本的制約，成為當前最為理想的農(nóng)藥噴灑方式[6]。

航空噴施最常用的載具為無人機，即由無人駕駛飛行器、控制站和其它部分組成的系統(tǒng)。無人機又包括固定翼和旋翼兩種，后者具有垂直起降的能力，機動性較強，能夠在空中懸停、升降和大幅度轉彎，適合進行各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)。旋翼無人機已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)藥噴灑、信息監(jiān)測及農(nóng)業(yè)保險勘察等方面，推動了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化的進程[7-9]。

農(nóng)藥噴灑是無人機在農(nóng)業(yè)中最主要的用途，美國和日本都較早研發(fā)出了多個植保無人機型號，處于世界領先水平。我國的植保無人機研發(fā)在近年來步入新階段，生產(chǎn)企業(yè)達到上百家，機型數(shù)量和推廣速度增加明顯[10]。另外，研究人員還對噴藥相關設備進行了改良，如茹煜等設計了無人機靜電噴霧整體系統(tǒng)，相比非靜電噴霧，能夠顯著提高霧滴的沉積效果[11]。

在關于無人機噴藥的防治效果中，霧滴沉積和分布特性是研究的重點。霧滴沉積對防治效果有重要影響，也是設置無人機作業(yè)參數(shù)的參考依據(jù)。研究表明：無人機作業(yè)的速度、高度和旋翼下方風場是霧滴沉積效果的影響因素，對它們之間相關性的研究有利于提高防治效果[12-13]。目前，對霧滴沉積效果的檢測和評價方法有多種，如張瑞瑞等基于變介電常數(shù)電容器原理和傳感器技術設計的地面實時監(jiān)測系統(tǒng)[14]，張宋超等設計的計算流體動力學模擬方法等[15]。

隨著科學的進步，許多新型技術如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡等在農(nóng)業(yè)領域得到應用，提升了無人機的智能化水平。無線傳感網(wǎng)絡是一種網(wǎng)絡通信技術，以嵌入式和傳感器技術為基礎，應用領域廣闊。無線傳感網(wǎng)絡包含大量智能傳感器，利用無線通信實現(xiàn)對目標信息的獲取。無人機受體積限制，布置線路會浪費寶貴的空間和載荷，因此適合無線方式通信。無人機可以成為無線傳感網(wǎng)絡的理想平臺，二者結合將獲得廣闊的應用前景[16]。

目前，無線傳感網(wǎng)絡在植保無人機上的用途僅限于對航線的控制，而在關乎防治效果的霧滴沉積檢測上還沒有充分發(fā)揮作用，對這一方面進行深入研究將有助于推動霧滴沉積效果檢測方法的變革。本文基于無線傳感網(wǎng)絡，設計了一種無人機噴藥的霧滴沉積效果檢測系統(tǒng)，并對各種因素影響下霧滴沉積檢測的準確性進行了分析評價，以期為拓寬無線傳感網(wǎng)絡的應用范圍提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

噴灑農(nóng)藥的植保無人機選用零度智控智能科技有限公司的“守護者Z-10”型4旋翼無人機，如圖1所示。

圖1 試驗機型

該型機身材料為高強度碳纖維，具有自動避障功能，采用GPS差分精準定位，主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 無人機的性能參數(shù)

“守護者Z-10”具有常規(guī)的一鍵起降和航路規(guī)劃功能，安裝大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，噴灑數(shù)據(jù)可以連入云服務器，并預留連入無線傳感網(wǎng)絡的接口。無人機的整體性能已經(jīng)在新疆、黑龍江、海南、云南、四川等地區(qū)進行了測試，證明了持久性和防水性。

無人機配套多種可拆卸的藥箱，可減少換藥間隔的等待時間，連續(xù)作業(yè)效率較高。噴頭采用獨創(chuàng)的雙濾網(wǎng)設計，可防止藥液雜質(zhì)和顆粒堵塞，且適配多種口徑，能滿足對不同作物噴灑的需求。無人機由北斗衛(wèi)星導航定位，具有較高的平面和高程精度。地面站提供作業(yè)航路軌跡及風場采樣點和霧滴采樣點的坐標，并獲取作業(yè)參數(shù)。

無線傳感網(wǎng)絡包括傳感節(jié)點、匯聚節(jié)點和控制中心3個部分，作用包括航線的控制、采樣點定位，以及對無人機飛行速度、高度和下方風場數(shù)據(jù)的采集。傳感節(jié)點由無人機搭載的各型傳感器組成，如XV-8000CB型速度傳感器用于采集飛行速度，BA5803型氣壓高度傳感器用于測量飛行高度，中科能慧NHFS47型風速傳感器用于測定每個采樣點處的風速。匯聚節(jié)點是CC2530型芯片，與傳感節(jié)點之間采用ZigBee技術進行無線連接，與控制中心之間采用UART接口進行有線連接，以便將數(shù)據(jù)上傳?？刂浦行奈挥诘孛嬲荆陕?lián)想X3550M5型服務器、數(shù)據(jù)存儲庫和地理信息庫等部件組成。

1.2 試驗方法

2017年，在某水稻種植基地中進行試驗。水稻采用人工移栽，處于抽穗揚花期，平均株高為95cm，噴灑的藥液用水代替。水稻試驗田塊近似長方形，長度約60m，寬度約35m。以5m為無人機的標準噴幅，根據(jù)田塊的形狀規(guī)劃出航路，用虛線表示。根據(jù)田塊的面積設置30個均勻分布的采樣點，田塊的長度和寬度上相鄰兩個采樣點之間的距離分別為10m和7m，用黑色三角形表示，如圖2所示。

無人機按照規(guī)劃的航路飛行，同時進行農(nóng)藥噴灑作業(yè)。設置4個作業(yè)速度，由慢到快依次為2、4、6、8m/s；另外，設置4個作業(yè)高度，依次為低(0.5m)、較低(1.0m)、較高(2.0m)和高(4.0m)。每次作業(yè)中，在各個采樣點分別放置1張瑞士先正達公司的霧滴測試卡，位于水稻植株75cm高度的位置，用于沉積藥液的收集和檢測。

每次作業(yè)完成后，取回各采樣點的測試卡干燥后密封。測試卡本底為黃色，遇水后變?yōu)樗{色，經(jīng)過掃描得到的圖像用DepositScan V1.2軟件分析處理，可以得到霧滴覆蓋率、覆蓋密度和沉積量信息。本研究選用平均沉積量和沉積均勻性來反映藥液的沉積效果，其沉積均勻性由所有采樣點上霧滴沉積量的變異系數(shù)(CV)來衡量。

圖2 無人機的航路規(guī)劃和采樣點設置

2 結果與分析

霧滴在無人機不同飛行速度和高度下的沉積量，如表2所示。相同速度下，隨著飛行高度的增加，霧滴沉積量逐漸減少；相同高度下，隨著飛行速度的增加，霧滴沉積量也逐漸減少。因此，無人機的飛行速度和高度對霧滴沉積量有著相似的影響，飛行速度對霧滴沉積量的影響大于飛行高度。

表2 不同作業(yè)速度和高度下的霧滴沉積量

霧滴在無人機不同飛行速度和高度下的沉積量變異系數(shù)如表3所示。變異系數(shù)越大，說明均勻性越差，相同的速度下，隨著飛行高度的增加，霧滴沉積量變異系數(shù)的增幅很??；相同的高度下，隨著飛行速度的增加，變異系數(shù)顯著增加均勻性變差。因此，霧滴沉積量變異系數(shù)主要受到無人機飛行速度的影響，所受飛行高度的影響不明顯。

表3 不同作業(yè)速度和高度下的沉積量變異系數(shù)

3 討論與結論

基于無線傳感網(wǎng)絡，設計了一種無人機噴藥的沉積效果檢測方法，利用無線傳感網(wǎng)絡進行無人機航線控制，實現(xiàn)采樣點定位及對無人機飛行速度、高度和下方風場數(shù)據(jù)的采集。試驗結果表明：飛行速度和高度對霧滴沉積量有相似的影響，速度對霧滴沉積量的影響大于高度；霧滴沉積均勻性主要受到飛行速度的影響，所受飛行高度的影響不明顯。

影響霧滴沉積效果的因素有多種，飛行速度和高度是兩個重要方面。分析上述結果發(fā)現(xiàn)：速度越快時，無人機下方的風場越強，增加了霧滴飄散的不確定性，從而導致沉積量降低，均勻性變差；飛行高度增加時，霧滴下落的距離變長，只會對沉積量造成影響，這些結論與其它學者的研究一致[13]。因此，該無人機噴藥的沉積效果檢測方法具有較高的準確性，可為拓寬無線傳感網(wǎng)絡的應用范圍提供依據(jù)。