設施內智能精準噴霧植保設備研究開發

董微卓杰強王會學卜云龍程龍蘭立波

（北京京鵬環球科技股份有限公司，北京 100094）

近年來，我國設施農業發展迅速，截至2008年全國設施蔬菜面積已達334.67萬hm2，設施蔬菜總產量1.68億t，占全國蔬菜產量的25%，設施農業年產值逾4 100億元。設施農業高產高效的同時，由于光照不足、長期密閉、高溫高濕，加之缺少天敵，易誘發病蟲害（王濤 等，2008）。設施農業中的病蟲害防治有其特殊性，設施內部土地利用率高、種植密度大、行間通過性差，一般地面行走的植保機具難以在溫室中使用。目前我國基本上沒有溫室設施內專用的植保機械，大都照搬傳統、露地防治病蟲害的施藥技術，應用最廣的仍為手動背負式噴霧器，這種噴霧法施藥技術粗放，農藥浪費現象嚴重，作業幅度窄、射程近，并且勞動強度大、工效低，最大的危害就是操作者必須在密閉的空間內施藥，極易發生中毒事件（戴奮奮，2004）。

隨著現代農業的發展，設施農業生產由單純追求產量、效益型逐步轉向“高產、優質、高效、安全、生態”并重發展的新階段。本試驗充分吸收了設施生產發達的國家在植保方面先進的低量噴霧技術、靜電噴霧技術、自動對靶等技術，結合國情和農藝特點，開發優化無需操作者進入、不受溫室作物品種和種植方式限制、適合于農藥噴灑要求的智能精準噴霧植保設備，實現溫室作物病蟲害的機械化、自動化防治，對于提高作業工效，減少農藥流失（陸琳，2007），避免農藥危害人體及污染環境具有十分重要的意義。

1 智能精準噴霧植保設備組成結構

智能精準噴霧植保設備采用主機單軌，自動換行裝置雙軌的形式，主機完成單跨或單行的藥液噴灑后退回自動換行裝置上，由自動換行裝置載運到下一跨或下一行重新開始工作。該噴霧植保設備（圖 1）采用先進的超低容量冷霧技術進行植保作業。藥液施用時，霧滴變得非常小，直徑控制在10～50 μm，以達到最優的空間和表層分布（苑立強 等，2010）。這樣就使得化學殘留物得以很快分解，同時縮短農藥的起效時間。該裝置還裝備了先進的自動對靶系統，噴桿接近作物時，傳感器感應到后，噴頭就會根據探測結果對作物噴霧，沒有作物時噴頭會自動停止噴霧，而有作物時又立即開始噴霧，所以該噴霧植保設備噴霧是時斷時續的，這樣就使噴霧有了針對性，藥液的利用率大幅度提高（鄧巍 等，2008）。在噴霧植保設備噴到溫室栽培行的盡頭時，所有噴頭自動停噴，機器借助自動換行裝置換到下一行之后再開始噴霧，這樣不但節省了藥液，還為換行后噴霧穩定噴霧壓力。開發的智能精準噴霧植保設備主要由施藥系統、控制系統、行走系統3大部分組成。

2 智能精準噴霧植保設備施藥系統

本試驗設計開發的施藥系統主要由噴桿、水箱、液壓泵、軟管、電磁閥等部分組成（圖2）。為實現噴霧植保設備在溫室內自動行走并進行施藥作業，本系統在溫室上部沿長軸方向搭建兩條導軌，在導軌上自由運動的主機可以帶動噴桿（圖 3）沿預定軌道做往復運動。該施藥系統的噴桿固定在滑動小車上，噴頭與水箱（圖 4）之間通過軟管進行連接，施藥時，將混合好的農藥倒入水箱中，藥液由液壓泵從水箱中抽出經出水軟管送到各個噴頭（圖5）。為了實現噴頭流量自動調節，在藥液輸出端安裝一個能自動控制的電磁閥，電磁閥由單片機控制器的 I/O口對其進行脈寬調制控制，實現精準施藥（陳勇和鄭加強，2005）。

圖1 智能精準噴霧植保設備

圖2 施藥系統組成及實施過程

圖3 智能精準噴霧植保設備的噴桿

圖4 智能精準噴霧植保設備的水箱

圖5 智能精準噴霧植保設備的靜電噴頭

3 智能精準噴霧植保設備控制系統

控制系統主要由硬件系統和軟件系統構成。軟件系統包括上位機，主要通過控制界面設置噴桿高度、噴頭流量、行走速度及串口工作參數等。硬件系統由PLC控制器組成（圖2），主要用于接收上位機的串口數據信息，從而控制噴桿高度、噴頭流量、行走速度等參數（陳勇和鄭加強，2005）。

該控制系統對施藥系統的控制方案是：① 噴施機工作過程中，水泵由總電源開關同時控制開閉，水泵處于常開狀態，通過回水電磁閥開閉實現水流方向轉換；② 信息采集系統確定噴施決策，傳遞至控制系統，噴施工作時，PLC控制相應電磁閥組開啟，回水電磁閥關閉；③ 上限位液位開關控制進水電磁閥開閉狀態，如果液位到達上限位，則關閉電磁閥，否則開啟；④ 下限位開關控制水位報警燈，如果液位到達下限位，則開啟報警燈，提示缺水；⑤ 電磁閥組由PLC控制器控制，由控制系統依據噴施決策進行開閉；⑥ 靜電系統使用，首先需要開啟靜電系統總開關，靜電指示燈亮，高壓模塊由電磁繼電器開閉變換，電磁閥組開啟時，電磁繼電器閉合；⑦ 機械安裝：過濾器、進水電磁閥、水箱、水泵、回水電磁閥處于一個模塊，高壓靜電發生裝置與水路適當分離，電磁閥組處于升降機構上，從而實現進水和出水。該控制系統的控制流程，如圖6所示。

上位機為工控機，主要完成噴桿高度、噴頭流量、行走速度及串口工作參數的設定、病害數據信息的采集、噴霧工作條件的判斷、病害區域的位置確定以及對下位機PLC的監控。下位機為PLC，用于接收上位機的串口數據信息，從而控制噴桿高度、噴頭流量、行走速度等參數。系統中機械臂各關節動作控制簡單，且主要基于順序模式進行工作。相比普通的嵌入式系統而言，PLC性能穩定、抗干擾能力強、編程簡單，更加符合本系統的要求，因此下位機采用 PLC對移動平臺和機械臂以及噴嘴組進行控制。移動平臺由變頻電機驅動，在高架導軌上行走，變頻器已加載了梯形加減速程序，通過接收PLC發送的啟停指令進行工作。交剪吊架由額定功率為20 W的交流減速電機驅動，運行速度40 mm·s-1，吊架行程2 500 mm并裝有限位開關，也可通過程序設置軟限位。交剪吊架配有專用控制器，通過RS485串口接收PLC的操作指令并反饋執行狀態。直線導軌與腕關節都使用混合式步進電機驅動，配置細分驅動器，其中直線導軌采用步距角1.2°、保持轉矩7 N·m的三相步進電機，導軌行程1 200 mm，并設有限位開關；腕關節采用步距角0.8°、保持轉矩0.65 N·m 的兩相步進電機，與減速比為1∶125的諧波減速器固連實現噴桿2 r·min-1的旋轉速度，在90°位置時設有限位開關。6個噴嘴通過電磁閥實現單獨開閉控制，噴嘴距離目標400 mm時的噴幅為120 mm×120 mm。電磁閥最高響應頻率10 Hz。

圖6 控制系統流程圖

4 智能精準噴霧植保設備行走系統

行走系統主要包括導軌、齒輪齒條、步進電機等部分。當電源開關開啟時，由步進電機提供給施藥系統動力，使其沿著行走系統的導軌進行噴施作業，當在溫室內完成一個橫向來回行程時，由跨間自動轉移裝置（圖7）進行縱向轉換，實現施藥系統在溫室下一跨的橫向來回行走，如此循環。

圖7 跨間自動轉移裝置工作示意圖

設施內智能精準噴霧植保設備的跨間自動轉移裝置采取程控行走方式。采用跨間自動轉移裝置優點是：轉移裝置的活動主軌道與行走主軌道的對接、噴霧植保設備的轉移行走及換跨均靠程序自動完成，操作省時省力，充分發揮了噴霧植保設備主機的自控功能，不僅僅可在單跨內實現自動灌溉，而且可在整棟溫室內實現自動灌溉。

本試驗設計了定位精確、可靠程度高的噴霧植保設備跨間自動轉移裝置，采用了霍爾檢測傳感器定位（圖 8），直線驅動器對軌道進行精確對位，實現了軌道的轉移自動化和精確化，并將其與主機系統有效集成。

圖8 霍爾檢測傳感器定位示意圖

5 小結

本試驗開發的設施內智能精準噴霧植保設備不受溫室作物品種和種植方式限制，具有精準實用、性能優良、自動化程度高等特點，可極大提高農藥的利用率，減少農藥對環境的污染，減輕勞動強度，對于我國現代設施農業裝備水平的提升有著積極的推動作用。

陳勇，鄭加強．2005．精確施藥可變量噴霧控制系統的研究．農業工程學報，21（5）：69-72．

鄧巍，何雄奎，張錄達，曾愛軍，宋堅利，鄒建軍．2008．自動對靶噴霧靶標紅外探測研究．光譜學與光譜分析，28（10）：2285-2289．

戴奮奮．2004．簡述我國施藥技術的發展趨勢．植物保護，30（4）：5-8．

陸琳．2007．發達的國外植保機械化．云南農業，（4）：23．

王濤，何金戈，廖宇蘭，李粵，梁棟．2008．植物保護噴霧機械的發展研究狀況綜述．安徽農學通報，14（21）：163-164．

苑立強，賈首星，沈從舉，孟祥金．2010．靜電噴霧技術的基礎研究．農機化研究，（3）：28-30．