宋 超,常若葵*,胡建龍,劉 華,王遠(yuǎn)宏,張文培武紅宇,于津沇,張雍熙

(1.天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300392；2.科芯（天津）生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司，天津 300453；3.天津農(nóng)學(xué)院 園林園藝學(xué)院，天津 300392）

近年來(lái)，設(shè)施大棚澆灌和噴施農(nóng)藥一直是農(nóng)業(yè)工作者關(guān)注的問(wèn)題[1]。如何用藥與噴藥已成為研究的重點(diǎn)。以往對(duì)于農(nóng)藥噴灑的研究多是針對(duì)農(nóng)藥病蟲(chóng)害防治效果，但對(duì)于用藥量的精確度以及農(nóng)藥殘留缺少進(jìn)一步研究。“環(huán)保農(nóng)業(yè)”的出現(xiàn)，使我國(guó)對(duì)農(nóng)藥殘留超標(biāo)問(wèn)題更加重視，而對(duì)農(nóng)藥的使用效果也有了更高要求。相較于化學(xué)農(nóng)藥，生物農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物影響較小，解決了化學(xué)農(nóng)藥使用易在農(nóng)作物上殘留，對(duì)環(huán)境造成污染等問(wèn)題。因此，由微生物制劑研發(fā)的菌肥正在悄然走進(jìn)溫室田間。但我國(guó)的噴施技術(shù)在噴灑定位和精度上都處于較低水平，在溫室內(nèi)噴施菌肥時(shí)，會(huì)造成菌肥用量不均衡、菌肥浪費(fèi)，從而影響果蔬產(chǎn)質(zhì)量。

目前常用的農(nóng)業(yè)灌溉[2]方式有人力灌溉、噴灌和滴灌。人工灌溉是采用人工水管澆水，這種方式不但澆灌不均勻，且會(huì)造成水資源浪費(fèi)。噴灌的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)地形的適應(yīng)性強(qiáng)，灌溉均勻，占耕地少，節(jié)省人力。滴灌適用于各種復(fù)雜地形，一定程度上減輕田間工作量，但滴灌出水孔小、水流速度慢、易發(fā)生堵塞，須對(duì)灌溉水進(jìn)行過(guò)濾和處理。智能?chē)婌F是實(shí)現(xiàn)無(wú)人管理的自動(dòng)灌溉模式，利用高壓微孔撞擊技術(shù)形成霧效，被噴霧形成的霧滴因自重下落至葉片不會(huì)產(chǎn)生積液，與傳統(tǒng)灌溉施肥方式相比，具有菌肥浪費(fèi)量小、節(jié)約水資源。同時(shí)全自動(dòng)智能化控制，可減少用工率，提高作業(yè)效率。鑒于此，根據(jù)智能?chē)婌F的噴灌原理，設(shè)計(jì)精準(zhǔn)噴霧系統(tǒng)設(shè)施。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上殺蟲(chóng)劑、殺菌劑種類(lèi)繁多，施藥方式多以對(duì)植株噴灑為主。但在噴灑時(shí)，往往噴灑不到葉下表面。針對(duì)此問(wèn)題設(shè)計(jì)溫室植株精準(zhǔn)噴灌系統(tǒng)設(shè)施，該設(shè)施采用噴灑臂噴灑，利用太陽(yáng)能供電板供電，主控制器控制各噴頭噴霧，且控制器可按需求自動(dòng)調(diào)節(jié)菌肥配比。通過(guò)設(shè)計(jì)立體雙層噴頭，實(shí)現(xiàn)從上向下、從下向上的雙向噴霧。為保障葉片背部菌肥液全覆蓋，根據(jù)噴霧下落的時(shí)間給下落液滴一個(gè)向上的力，使葉片背部能夠獲得菌肥液，用圓錐滾子軸承連接鼓風(fēng)機(jī)，使其能夠360°無(wú)死角地噴灑到葉片上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有蟲(chóng)害時(shí)，能夠自動(dòng)噴灑菌肥液。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由供能設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備和噴灑設(shè)備三部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）供能設(shè)備。該部分主要是太陽(yáng)能供電板。太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、無(wú)公害的清潔能源，適用于溫室大棚種植生產(chǎn)作業(yè)。

2）檢測(cè)設(shè)備。該部分主要包括葉面溫濕度傳感器、水滴傳感器和CMOS圖像傳感器。其中，葉面?zhèn)鞲衅饔筛呔葻崦綦娮韬蜐穸葌鞲衅鹘M成，主要用于監(jiān)測(cè)葉面溫濕度，并能檢測(cè)到葉面的微量水分，幫助管理者準(zhǔn)確獲知作物的溫濕度情況，為及時(shí)防治作物病害提供重要參考；雨滴傳感器由雨點(diǎn)感應(yīng)板和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，用于檢測(cè)是否有水滴和水量大?。籆MOS 圖像傳感器采用MU 視覺(jué)傳感器，該傳感器可識(shí)別多種目標(biāo)物體，如顏色、球體、人體、卡片等，檢測(cè)結(jié)果支持UART、I2C、WIFI等多種通信方式輸出。

3）噴灑設(shè)備。該部分主要由機(jī)械臂、十字噴頭、鼓風(fēng)機(jī)組成。其中，機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)升降、旋轉(zhuǎn)和伸縮，適用于不同作物不同時(shí)期的高度；在機(jī)械臂的手腕處添加雙層十字噴頭，雙層噴霧能夠保證對(duì)整個(gè)葉片全方位噴灑；在十字噴頭背部焊接鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)給噴霧一個(gè)向上的力，使水肥盡最大限度附著在葉面背部，解決施肥不均、施肥不到位等問(wèn)題。

3 系統(tǒng)精準(zhǔn)噴施的技術(shù)原理及方式

精準(zhǔn)定位是綜合運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和智能裝備技術(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行定量決策、變量投入、定位實(shí)施的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)操作技術(shù)系統(tǒng)[3]。為使噴灑臂將菌肥液精準(zhǔn)噴灑到作物上，通過(guò)多傳感器采集作物及其環(huán)境參數(shù)，利用攝像頭獲取的圖像信息[4]，經(jīng)過(guò)分析處理可獲得噴灑臂相對(duì)于行間作物的位置及高度信息，做出相應(yīng)的路徑規(guī)劃，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴灑臂進(jìn)行作業(yè)。

CCD 圖像處理主要是利用V4L2 的API接口函數(shù)對(duì)viewo0 設(shè)備文件進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)攝像頭的圖像數(shù)據(jù)采集。通過(guò)調(diào)用Linux 的V4L2 圖像編程及其擴(kuò)展接口，完成圖像采集裝置選擇、分辨率設(shè)定等一系列操作。然后打開(kāi)V4L2圖像采集開(kāi)關(guān)，并從圖像幀緩沖隊(duì)列內(nèi)取出特定YUV 格式圖像幀數(shù)據(jù)，從而完成圖像采集。圖像采集流程為打開(kāi)攝像頭、配置攝像頭、配置攝像頭控制器、向驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)V4L2 緩存隊(duì)列、將緩存放入V4L2 緩存隊(duì)列、開(kāi)始V4L2 原始數(shù)據(jù)采集。利用模糊控制算法結(jié)合植株生長(zhǎng)最優(yōu)環(huán)境調(diào)控模型，獲取菌肥智能?chē)姽嗔?，通過(guò)GPRS 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式將智能?chē)姽嗔總鬏數(shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)，提供科學(xué)的噴灌量，同時(shí)也便于操作人員查看分析，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)植株生長(zhǎng)環(huán)境。

當(dāng)CCD 圖像傳感器檢測(cè)發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)害時(shí)，控制器會(huì)控制滑輪車(chē)在軌道上運(yùn)動(dòng)到指定位置，啟動(dòng)噴灑系統(tǒng)，為適應(yīng)不同溫室、不同形狀和高度的苗床，噴灑臂能夠調(diào)整上下高度及傾斜角度，保障植物在不同生長(zhǎng)期及植株高度時(shí)，均能得到藥物的有效噴灑，尤其保障植物葉片背部及時(shí)獲得治療。對(duì)于不同噴灑面積，必要時(shí)噴灑臂長(zhǎng)度亦可調(diào)，以保證全方位、無(wú)死角地作業(yè)。該裝置能夠?qū)λ催M(jìn)行過(guò)濾與軟化，減少水中顆粒物與水中金屬離子對(duì)植株和裝置的影響，使植株更加健康地生長(zhǎng)，同時(shí)延長(zhǎng)裝置的使用壽命。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

在完成溫室植株精準(zhǔn)噴灌系統(tǒng)軟硬件調(diào)試后，對(duì)噴灌系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)地點(diǎn)在天津農(nóng)學(xué)院植物保護(hù)實(shí)驗(yàn)大棚，以50 棵黃瓜植株為噴灌對(duì)象，選用植保實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的解淀粉芽胞桿菌BJ2 制劑經(jīng)調(diào)配作為噴灌菌肥，檢測(cè)經(jīng)噴灌后葉背菌液的覆蓋率（按植株頂部、中部、底部葉分層，每層所有葉片背部覆蓋率的均值）。根據(jù)葉面溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)和CMOS圖像傳感器采集的圖像相結(jié)合，利用二值化圖像分割處理的優(yōu)化算法，將圖像分解成只有0 和1 的二值化圖像，提取灰色圖像的曲線圖，由于圖片生成顯示畫(huà)面過(guò)于粗糙，結(jié)合使用Create 的形態(tài)學(xué)處理指令Morphology 對(duì)細(xì)小的雜質(zhì)進(jìn)行刪除，讓畫(huà)面減少噪點(diǎn)，變得更加純凈，通過(guò)Global Rectangle 對(duì)原始圖片中目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行處理，最后將ROI 區(qū)域中的特殊點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，計(jì)算特殊點(diǎn)區(qū)域在葉片中占比的大小，即覆蓋率。

由表1 可知，人力噴灌方法植株頂部、中部、底部葉背菌肥液覆蓋率分別為12%、15%和8%，精準(zhǔn)噴灌方法可分別使植株頂部、中部、底部葉背菌肥液覆蓋率達(dá)86%、93%和83%，與人力噴灌方法相比，精準(zhǔn)噴灌方法能有效提高噴施菌肥利用率，減少菌肥浪費(fèi)。

表1 不同噴灌法下葉背菌肥液的覆蓋率 %

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)噴灌方式噴灑不到位、液量不精確的問(wèn)題，設(shè)計(jì)溫室植株精準(zhǔn)噴灌系統(tǒng)設(shè)施用于農(nóng)業(yè)溫室大棚菌肥噴灌。該系統(tǒng)設(shè)施工作原理以STC89C51 單片機(jī)為主控制核心，通過(guò)多傳感器采集植物生長(zhǎng)及環(huán)境信息，搭建上下雙層立體噴霧系統(tǒng)，利用濕度傳感器采集空氣中濕度的瞬間變化調(diào)控鼓風(fēng)機(jī)拖動(dòng)下落水滴實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片下表面精確噴灑和附著；噴頭采用圓錐滾子軸承實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)控制噴灑臂靈活運(yùn)動(dòng)對(duì)植株進(jìn)行全方位、無(wú)死角的藥物噴灑。該裝置能有效提高噴施菌肥利用率，減少菌肥的浪費(fèi)，可用于農(nóng)業(yè)溫室大棚菌肥噴灌，具有精準(zhǔn)、節(jié)約、環(huán)保等特點(diǎn)。