殷文豪，施愛(ài)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chóng)害的侵襲。在枸杞病蟲(chóng)害初發(fā)期即5 月上旬時(shí)，枸杞木虱、癭螨及其他蟲(chóng)螨嚴(yán)重影響枸杞葉片的生長(zhǎng)發(fā)育；5 月中旬時(shí)，薊馬、癭螨和其他害蟲(chóng)等為害枸杞夏梢和幼果；病蟲(chóng)害盛發(fā)期（6—7 月）正值果實(shí)采收盛期，枸杞蛀果蛾會(huì)吃食枸杞子，影響枸杞的收成。因此枸杞病蟲(chóng)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(guò)對(duì)寧夏枸杞種植園實(shí)地調(diào)查和查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)枸杞的智能化對(duì)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(gè)體的差異，從而造成病蟲(chóng)害防治效果差和農(nóng)藥殘留重等問(wèn)題。有小部分種植園采購(gòu)了國(guó)外的智能噴藥機(jī)，但這些機(jī)具安裝時(shí)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(jì)了一種智能化對(duì)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(zhǎng)狀態(tài)，建立植株樹(shù)冠體積疏密度模型，實(shí)現(xiàn)變量對(duì)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(jì)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(gè)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(jì)

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(guò)GPS/北斗測(cè)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(shí)打開(kāi)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(gè)防水型超聲波傳感器不間斷地測(cè)量各邊枸杞植株的樹(shù)冠大小、冠層密度等信息，將測(cè)得的信息傳回控制器；單片機(jī)通過(guò)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(hào)，通過(guò)PWM 脈沖變送器生成4～20 mA 的控制電流信號(hào)，調(diào)節(jié)各閥門，以實(shí)現(xiàn)流量控制和對(duì)靶噴藥。該噴藥系統(tǒng)通過(guò)霍爾式流量傳感器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)噴藥量和總噴藥量統(tǒng)計(jì)，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(cè)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(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)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(jì)

2.1 植株樹(shù)冠體積計(jì)算

枸杞植株外輪廓是類橢球體，因此，通過(guò)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(shù)冠體積V。

圖4 枸杞樹(shù)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(gè)半軸（m）；h為樹(shù)冠高度（m）；dx為樹(shù)冠高度方向上的變化率。

對(duì)于半軸z，其在第i個(gè)傳感器處的長(zhǎng)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(cè)到樹(shù)冠的時(shí)刻；t1為該傳感器第一次檢測(cè)到樹(shù)冠的時(shí)刻。

對(duì)于半軸y，用傳感器到行心距離減去測(cè)得的距離最小值即可求得：

式中，min［Y］為傳感器測(cè)得距離的最小值（m）。

2.2 樹(shù)冠疏密度

對(duì)于采樣率為λ的第i個(gè)傳感器，當(dāng)其檢測(cè)到樹(shù)冠后，將測(cè)得距離小于0.5 m 點(diǎn)的個(gè)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(wàn)（i）。

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

2.3 加權(quán)樹(shù)冠體積

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

式中，W為加權(quán)樹(shù)冠體積（m3）。

2.4 單株噴藥量

對(duì)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(shí)，有實(shí)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(yàn)

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

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(duì)于高度大于50 cm 的較大植株分別設(shè)置上、中、下3 個(gè)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(duì)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(shí)將較大植株減去部分樹(shù)枝重新進(jìn)行試驗(yàn)。每個(gè)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(jì)每次試驗(yàn)的霧滴沉積量，每個(gè)植株試驗(yàn)5次。霧滴樣本如圖5 所示，統(tǒng)計(jì)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(chǎng)試驗(yàn)來(lái)看，智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶噴施，當(dāng)不存在目標(biāo)植物時(shí)及時(shí)關(guān)閉閥門，有效減少了農(nóng)藥浪費(fèi)。對(duì)于株高較大的枸杞植株，噴藥機(jī)控制系統(tǒng)能夠識(shí)別出樹(shù)冠大小并將藥液充分噴灑至樹(shù)冠的各部分；對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)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(duì)枸杞植株設(shè)計(jì)了一種智能噴藥系統(tǒng)，通過(guò)加權(quán)樹(shù)冠體積的模型算法計(jì)算出一種噴藥量模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶噴藥。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度為5 km/h 時(shí)，變量噴藥能夠根據(jù)枸杞植株的大小和疏密度來(lái)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。