智能安全高效的背負后噴式噴霧器研究

劉齊寧 高帥

【摘 要】針對傳統背負前噴式噴霧器存在費力、農藥利用率低、安全隱患等缺點，設計一種智能安全高效的背負后噴式噴霧器，其結構主要包括藥箱、電機、微型攝像頭、控制單元、搖擺支架、高壓霧化噴頭、電子顯示屏、遙控器。特點是采用后噴霧化噴頭，實現噴灑角度靈活和噴灑速度可控，操作簡單。該噴霧器可在降低操作者勞動量的同時，提高噴灑質量，實現藥物噴灑的省水、省藥、高效、安全的低負荷勞作。

【關鍵詞】噴霧器；后噴式；智能；安全；高效

中圖分類號： TM732 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0048-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.021

【Abstract】In view of the disadvantages such as difficulty，low utilization rate of pesticides and potential safety risks， the paper designs an intelligent，safe and efficient after-burners sprayer，whose structure mainly includes medicine cabinet，motor，miniature camera，control unit，swing support，high-pressure spray nozzle，electronic display screen，and remote control.It is characterized by the form of back spraying，with atomizing sprinkler head，which can realize controllable spraying Angle and spraying speed，and simple operation.The sprayer can reduce the work quantity of the operators，improve the quality of spraying，and realize the water-saving，drug-saving，efficient and safe low-load labor.

【Key words】Sprayer；Rear spray；Intelligence；Safety；Efficiency

0 引言

中國是一個農業大國，華北部分地區土地分散，具有戶均耕地少以及耕地地理位置分布不集中特點，分散的土地狀況限制了資金、新技術的投入，也阻礙了我國農業機械化、現代化的進程。近年來我國背負式噴霧器得到較快發展，從最初的背負式手動噴霧器，如“工農-16”手動背負式噴霧器，發展到機動背負式噴霧器，如“3WBS-18”型背負式電動噴霧器，背負式機動噴霧噴粉等，解決了手動噴霧器噴霧中的“跑、冒、滴、漏”的缺點。目前仍以背負前噴式噴霧器為主，主要存在費力、農藥利用率低、安全隱患等問題。對此，筆者借鑒國外同類產品的特點，設計一種智能安全高效的背負后噴式噴霧器。該設計降低操作者勞動量的同時，提高了噴灑質量，實現藥物噴灑的省水、省藥、高效、安全的低負荷勞動。

1 噴霧器的整體設計及工作原理

1.1 整體設計

文章設計的噴霧器主要由后噴機構、控制系統、噴頭等部分組成。

該噴霧器總質量為6.5kg，藥箱長×寬×高（mm）：370×180×515，藥箱容量18L。整體結構如圖1所示。

1.2 工作原理

工作時，操作者根據電子顯示屏的圖像，確定農作物的高度，根據實際情況，操作者向下或者向上調整手柄桿的角度，通過曲柄連桿的變化，帶動電機座板上下擺動，對應抬高或降低搖擺支架的角度，使得噴霧桿擺動到合適位置后，擰緊固定螺栓上的螺母，使得電機座板在豎直平面上保持固定。操作者根據自己的行走速度，通過遙控器給控制單元發出速度控制信號，控制單元根據速度控制信號控制電機的轉速，使噴霧桿的擺動速度與操作者的行走速度匹配，確保農藥噴灑的均勻性和覆蓋率。

其中，面對不同的噴灑作物，操作者可更換不同形狀的噴頭，比如：噴灑水稻時，可選用帶有三個噴嘴的高壓霧化噴頭，以提高農藥利用率；在公共場所衛生防疫、消毒時，可選用帶有一個噴嘴的噴頭高壓霧化噴頭。

2 噴霧器各部分設計

2.1 后噴機構設計

后噴機構包括藥箱、電機、搖擺支架、噴霧桿、曲柄連桿、手柄桿等。如圖1所示，其結構是在藥箱的背部安裝固定板，固定板用合頁與電機座板相連接，使得電機座板可以上下擺動，電機座板安裝有電機，電機通過其電機軸上的聯軸器與搖擺支架的一端焊接固定，搖擺支架的另一端插上噴霧桿后，擰緊螺母固定噴霧桿，噴霧桿插入搖擺支架的一端通過軟管與藥箱連通，藥箱一側安裝控制電機座板上下擺動的曲柄連桿，曲柄連桿一端的手柄桿上設置有限位孔，將固定螺栓穿過手柄桿的限位孔將手柄桿固定在藥箱上，曲柄連桿的另一端桿焊接在電機座板上。

后噴機構設計特點是以力矩定理為基礎，結合牛頓定律，將傳統前噴噴桿設計成后噴式，通過電機的轉動和曲柄連桿的運動，實現水平面上的左右擺動和垂直面上的上下擺動。極大程度地減少了藥液與操作者接觸的機會，大大提高了操作者的人身安全。

2.2 控制系統設計

控制系統主要由控制單元、電機、遙控器、電子顯示屏、微型攝像頭等部分組成。其技術原理是微型攝像頭將圖像采集給電子顯示屏，操作者根據農作物的高度，調節噴霧桿擺動到合適位置。操作者根據自己的行走速度，通過遙控器給控制單元發出速度控制信號，控制單元根據速度控制信號控制電機的轉速，使噴霧桿的擺動速度與操作者的行走速度匹配，確保農藥噴灑的均勻性和覆蓋率，其工作框圖如圖2所示。

2.2.1 電機選擇。電機選擇的是42步進電機，由藥箱中自帶的12V電源供電。尺寸是42*42*33mm、步進角是1.8度、12V時電流為1.1A，轉速根據操作者的行走快慢調節。步進電機是一種將電脈沖信號轉換為機械角位移的數字控制電機，具有響應速度快、實現正反轉和無誤差積累等優點，如圖3所示。

2.2.2 控制單元的選擇。控制單元是控制系統的核心部件，本設計選用A4988單片機，由藥箱中自帶的12V電源供電。根據操作者行走快慢，通過遙控器實現電機的啟停、正反轉和調速。

2.2.3 電子顯示屏和攝像頭的選擇。如圖4所示，電子顯示屏選擇的是5/6/7寸顯示屏，可充電、性能穩定、圖像清晰。攝像頭采用的是廣角攝像頭，通過連接線與電子顯示屏連接，由電子顯示屏供電，具有體積小、價格實惠、高清畫質等優點。

2.3 噴頭設計

研究發現：在噴霧過程中，藥液會因為滴漏、隨風漂移、在作物體表面上彈跳、積聚流失等造成損失。藥滴大不但容易在藥液噴向作物過程中滴落也容易落在葉面上積聚流失，藥滴太小更容易隨風漂移。普通噴頭噴出的藥滴直徑有200微米，多為空心式噴霧，為了達到均勻需要來回擺動使得局部藥液濃度大導致浪費。采用高壓霧化噴頭，其藥液呈扇面狀落在農作物上，比較均勻且其藥滴直徑比較小，能達到100微米以下。或者采用一桿多噴頭，大大提高了噴霧效率。

3 結論

設計的智能安全高效的背負后噴式噴霧器迎合農民的需求，能夠很好解決現有前噴式噴霧器存在費力、農藥利用率低、安全隱患的問題。通過研究試驗表明，該智能安全高效的背負后噴式噴霧器適合農作物的植保管理、衛生防疫等。具有以下特點：霧滴細，霧滴直徑在100微米以下；吸附能力強，噴頭距目標50cm，噴幅在3.2m左右，步行速度為0.5m/s時，目標背面平均吸附藥滴在100滴/cm2以上；施藥效率高，達0.3～0.6hm2/h；由于吸附能力強、飄移少，用藥量減少；采用智能后噴噴桿，提高了安全性。不足之處，對電機的工作效率和不同農作物，有待進一步考證。

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