果園自動噴藥控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與研究分析

丁銳

摘要：我國是糧油、果菜種植大國，然而病蟲害的發(fā)生會造成我們極大的損失，而目前有效方式之一就是農(nóng)藥噴灑，本文通過分析果園農(nóng)藥噴灑技術(shù)、信息檢測系統(tǒng)及噴藥機(jī)械裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后提出結(jié)合我國國情的方案和技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：噴藥系統(tǒng)；紅外掃描；精準(zhǔn)定位；非連續(xù)；控制器

雖然農(nóng)藥的噴灑減輕了果品的病蟲害災(zāi)害，然而，目前我國存在問題是農(nóng)藥噴灑的機(jī)械化水平不高，精準(zhǔn)率低，藥液裝置簡陋，利用率僅僅為10%-30%，這與國際IE標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)，僅是國際20世紀(jì)80年代初的農(nóng)藥利用率標(biāo)準(zhǔn)，這種農(nóng)藥噴灑模式很大程度上造成了人力的浪費(fèi)和果品的減產(chǎn)。因此，提高農(nóng)藥的利用率和精準(zhǔn)率和機(jī)械化水平是亟待解決的問題。

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，美國、丹麥等國家的農(nóng)藥噴施手段較為先進(jìn)，國內(nèi)外果園噴藥技術(shù)的發(fā)展趨勢將日益改善，實(shí)現(xiàn)自動化程度高、精準(zhǔn)度高、效率高的噴藥方案。

1.1果園噴藥技術(shù)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代末，果園風(fēng)幕式噴藥技術(shù)開始在歐洲地區(qū)興起，風(fēng)幕式噴藥是通過鼓風(fēng)。90年代初，該噴藥技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于中外果園中。到了21世紀(jì)，噴藥技術(shù)的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾螌?shí)現(xiàn)低量和變量噴藥，噴藥技術(shù)也日益增多。國內(nèi)外主要的噴藥技術(shù)如下：

1.1.1 紅外掃描果園噴藥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)690年代初，紅外技術(shù)因其沒有破壞性，可實(shí)現(xiàn)無損探測，成本較低，探測結(jié)果精準(zhǔn)，用時較短，受到了企業(yè)和各專家學(xué)者的青睞，并被迅速應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)作物栽培、醫(yī)療器械上。

美國應(yīng)用紅外掃描技術(shù)較早。1981年，美國通過研制出紅外光電式噴霧機(jī)，該噴霧劑改變了傳統(tǒng)連續(xù)噴霧的缺陷，實(shí)現(xiàn)了間歇式不連續(xù)噴霧，并且減少了農(nóng)藥的使用，將農(nóng)藥利用率提高了24%-51%。1990年，紅外掃描噴藥技術(shù)經(jīng)過改進(jìn)，被應(yīng)用于除草噴藥。

日本在1994年采用光電探測技術(shù)，研制出一款用于果園自動噴霧的自走式噴霧機(jī)，該機(jī)器識別果園中果樹位置進(jìn)行噴藥操作。

我國國內(nèi)各學(xué)者在果園噴藥技術(shù)上采用紅外掃描技術(shù)的也很多。如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的何雄奎進(jìn)行了果園對靶探測的研制，實(shí)驗(yàn)中通過采用靜電探測技術(shù)，將紅外光進(jìn)行準(zhǔn)確分段，實(shí)現(xiàn)了對果樹形態(tài)的精準(zhǔn)判斷，從而進(jìn)行噴霧動作。

1.1.2超聲波果園噴藥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

超聲波傳感技術(shù)在果園噴藥系統(tǒng)中的應(yīng)用興起于上世紀(jì)80年代初，通過超聲波的發(fā)射和接收之間的時間差進(jìn)行超聲波探測，實(shí)現(xiàn)果園果樹的噴藥。國內(nèi)外采用超聲波技術(shù)在噴霧上取得了一定的進(jìn)展。

美國采用超聲技術(shù)研制出一款適合果園的智能噴藥系統(tǒng)，超聲波傳感器通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探測，在噴霧探頭處采用IE標(biāo)進(jìn)行大小和形態(tài)的處理。該系統(tǒng)可安裝在行走的噴霧機(jī)上，通過一定的速度控制探測樹木具體位置，保證了藥物的準(zhǔn)確噴灑，減輕了農(nóng)藥的浪費(fèi)，提高利用率，通過實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)備節(jié)省農(nóng)藥率為50%。

國內(nèi)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的學(xué)者王貴恩研制了采用超聲傳感技術(shù)開發(fā)的針對果樹外形檢測的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括超聲波傳感器、電磁閥、控制器、電機(jī)等，實(shí)驗(yàn)依據(jù)超聲波探頭檢測出的設(shè)備距離樹木的距離，給控制器傳輸一個信號，該信號控制電磁閥的開啟或閉合[1]。

1.1.3 圖像傳感果園噴藥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

將圖像傳感器安裝在噴藥機(jī)械裝置上，通過機(jī)器視覺技術(shù)分析果園樹木圖形和顏色，針對有樹木的位置和病害部位進(jìn)行專門的噴藥操作。

國外學(xué)者Giles D.K通過機(jī)器視覺技術(shù)作為系統(tǒng)的探測技術(shù)，通過調(diào)節(jié)噴頭的位置和方向進(jìn)行識別，利用該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對雜草覆蓋率的檢測，噴藥的效率提升40%[2]。

我國南京林業(yè)大學(xué)的趙茂程采用圖像傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了林業(yè)農(nóng)藥的噴灑，試驗(yàn)中，選擇性使用部分噴頭，避免了所有噴頭同時工作造成的機(jī)械損壞和農(nóng)藥浪費(fèi)。

以上三種方法均被應(yīng)用于果園農(nóng)藥噴灑中，然而，超聲波傳感噴藥系統(tǒng)存在波束發(fā)散、超聲波儀器價格較為昂貴的缺陷，波束發(fā)散的缺陷會導(dǎo)致超聲波傳感器檢測果樹距離時，定位精度不高的問題，不能做到精準(zhǔn)的農(nóng)藥噴灑過程；圖像傳感技術(shù)在果園噴藥系統(tǒng)中的應(yīng)用雖然廣泛，但是存在圖像獲取信息量大，處理數(shù)據(jù)量大的問題，這些問題會導(dǎo)致控制器發(fā)出的信號出現(xiàn)延時情況，也不能很好地進(jìn)行果園農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴灑。

1.2果園噴藥信息檢測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

果園噴藥信息檢測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)果樹有無，果樹間距測量的重要裝置。

國內(nèi)外學(xué)者對果園噴藥信息檢測系統(tǒng)的研究和設(shè)計也十分廣泛，該系統(tǒng)的檢測裝置通常采用不同型號的傳感器作為核心部件，該系統(tǒng)的優(yōu)良是整個噴藥控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

目前被廣泛應(yīng)用于果園噴藥信息檢測系統(tǒng)的技術(shù)有：GIS、GPS、機(jī)器視覺技術(shù)等，這些技術(shù)的迅速發(fā)展也為噴藥信息檢測系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支持。

我國學(xué)者馬景宇于2006年通過GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了噴藥控制系統(tǒng)的研制，首先需要對果樹的位置、病害類別和程度進(jìn)行采樣，然后通過GPS作業(yè)所獲取的機(jī)器位置，傳入到GIS 系統(tǒng)，進(jìn)而控制是否進(jìn)行噴藥操作或和噴藥量。然而，這些技術(shù)的應(yīng)用對作物的高度和復(fù)雜程度有一定的限制，且操作復(fù)雜，不是高效的檢測方式[3]。

總之，在果園自動噴藥的檢測信息系統(tǒng)方面，我國的機(jī)械化控制水平還有待進(jìn)一步提高，機(jī)械化的更為精準(zhǔn)和實(shí)時的信息檢測系統(tǒng)有待開發(fā)和提高。

1.3果園噴藥機(jī)械裝置研究現(xiàn)狀

常用的果園噴藥機(jī)械裝置類型有：壓縮式噴霧器、背負(fù)式噴霧器、踏板式噴霧器。這三種機(jī)械裝置是目前我國果園噴藥裝置中覆蓋面積最為廣泛的機(jī)械裝置，使用率達(dá)到80%。另外，動力機(jī)器測曾經(jīng)也被廣泛使用與果園噴藥的機(jī)械裝置中，該機(jī)型適用于面積很大的果園，且設(shè)備價格較高。

20世紀(jì)末期，歐美國家通過各類傳感器的使用，實(shí)現(xiàn)了對果樹距離、高度、形態(tài)等的自動化檢測，提高了農(nóng)藥的利用率，減輕了土壤和環(huán)境的污染，自動化程度較高。

日本于20世紀(jì)90年代初研制出一款感應(yīng)電纜式果樹噴藥機(jī)器人。在果園中進(jìn)行感應(yīng)電纜的鋪設(shè)，依靠果樹噴藥機(jī)器人與電纜間的的電磁感應(yīng)，控制機(jī)器人的行進(jìn)方向。該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立智能化操作，無需果農(nóng)深入果園跟隨作業(yè)，在實(shí)現(xiàn)智能化噴藥的基礎(chǔ)上，也避免了人力的浪費(fèi)和農(nóng)藥對人體的危害。

在我國，一種車載式果園噴藥機(jī)逐漸受到果農(nóng)的青睞，其方便在果園中行進(jìn)，節(jié)省人力，同時勞動強(qiáng)度較低，體積適中。使用中，只需將車停在地頭，發(fā)動機(jī)保持工作狀態(tài)，將扭矩經(jīng)由皮帶送至液泵，通過液泵將藥液抽送至高壓噴槍，噴槍通過人工操作，進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。這種車載式果園噴藥機(jī)應(yīng)用廣泛，然而人工消耗較大，自動化程度低，智能化水平不高。另外，直升機(jī)在大面積的果園中也有應(yīng)用，但該技術(shù)還未普及，一些技術(shù)仍然有待開發(fā)和研制。

總之，機(jī)電一體化、自動化、智能化是果園噴藥系統(tǒng)機(jī)械裝置的進(jìn)一步發(fā)展趨勢。

2.結(jié)論

本人建議采用紅外掃描傳感器，精準(zhǔn)定位果樹位置，解決傳統(tǒng)淋洗式覆蓋連續(xù)噴藥噴灑到果樹間隙造成藥液的浪費(fèi)和對果園生態(tài)環(huán)境的污染的問題，該方案適用于非連續(xù)種植的果園專門的噴藥機(jī)械裝置，做到精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥。本人提出如下技術(shù)路線，研究對紅外掃描檢測系統(tǒng)、藥液回路系統(tǒng)、控制器硬件電路進(jìn)行設(shè)計，同時進(jìn)行軟件的設(shè)計和調(diào)試，選用紅外掃描技術(shù)進(jìn)行果園的噴藥系統(tǒng)的設(shè)計，是精準(zhǔn)高效的噴灑方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘭羽.基于紅外傳感器ST188的自動循跡小車設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2013，03：64-66.

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[3]郝亞沖，程武山.大跨距高精度光電開關(guān)測量系統(tǒng)研究[J].光通信技術(shù)，2013，12：21-24.