遙控式噴霧機間歇變量噴霧系統的研制

周中瑞，謝景鑫，孫 霞，李 明,

（1.山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000；2.湖南省農業裝備研究所，湖南 長沙 410125；3.湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；4.山東省蔬菜質量安全溯源工程技術研究中心，山東 淄博 255000）

在農業生產中使用農藥是經濟、快速防治病蟲害的手段，但傳統的施藥方式存在浪費和低效等問題[1]。變量噴霧技術通過傳感器獲取作物表型數據以及病蟲害情況來決策噴霧量，并通過變量噴霧系統實現按需施藥，提高了農藥的利用率，降低了農藥的用量[2-3]。目前，PWM 變量噴霧技術比較常見，相關研究也較多，且效果不錯。喬白羽等[4]研制了基于LIDAR 的變量施藥系統，通過LIDAR 實時掃描甘蔗的株高，根據株高差異生成噴霧量處方圖，并通過PWM 變量噴霧系統完成變量施藥，與常規施藥相比其施藥量減少了28.5%。閆成功等[5]設計了葡萄園變量噴霧系統，利用雙目相機探測葡萄冠層體積，根據冠層體積差異調節PWM 信號的占空比來改變噴頭流量，與常量噴霧相比該系統能夠節省55.27%的藥量。李龍龍等[6]使用激光傳感器掃描果樹體積，根據掃描到的樹冠大小實時調節風機轉速和電磁閥的PWM 信號，從而實現變量噴霧。Salcedo 等[7]利用激光掃描傳感器表征蘋果樹冠層大小和葉片密度，通過嵌入式計算機處理掃描結果，并控制PWM 噴霧系統完成施藥，降低了90.3%的機載總漂移量與85.0%的地面損失，顯著提高了農藥利用率。

目前，關于PWM 變量噴霧的研究大多應用于植株間隔較為明顯的果園，其變量噴霧系統中的電磁閥僅在出現目標作物時才實施噴藥，對于馬鈴薯等在生長中后期植株間連續性較強的植物[8]，電磁閥則需長時間處于高頻通斷的狀態。這種工作方式對電磁閥的性能要求較高，使用高性能的電磁閥會提高生產成本，且高頻的開關也會降低電磁閥的使用壽命，影響PWM 變量噴霧的大面積推廣[9-11]。基于此，筆者以馬鈴薯為試驗對象，設計了一種間歇變量噴霧系統，以PLC 為核心控制器，通過其中的定時器功能實現對電磁閥的通斷控制，固定電磁閥的關閉時間，通過控制電磁閥的開啟時間來調節電磁閥的工作頻率和噴頭的噴霧量，并使電磁閥工作頻率小于1 Hz。該研究可為馬鈴薯的植保作業提供一種低成本變量噴霧裝備，為農業生產中類似作物的植保裝備設計提供參考。

1 系統研制

1.1 結構設計

該噴霧機以遙控輪式底盤為移動載體，噴霧機整體結構如圖1 所示，主要包括輪式底盤、間歇變量噴霧系統和噴霧控制系統。其中，間歇變量噴霧系統主要包括電磁閥（亞德客，2V025-08）、隔膜泵（普蘭迪2201）、壓力計（銘控，MD S260）、溢流閥（富羽，DN15）、空心錐霧噴頭和儲液箱等；噴霧控制系統主要包括PLC（三菱，Fx3U-32 m）和觸摸屏（威綸通，TK6071iP）。電磁閥安裝在噴頭上方，通過電磁閥的開關控制噴霧的啟停，將食用黑色素作為示蹤劑與清水配制成試驗試劑，儲存在儲液箱中，使用隔膜泵將試驗試劑泵入噴霧管道中，壓力計和溢流閥用于調節噴霧管道中的壓力。觸摸屏用于設定間歇變量噴霧參數，并通過PLC 產生電磁閥間歇通斷的控制信號。

圖1 間歇變量噴霧試驗機總體結構圖

1.2 控制系統設計

間歇變量噴霧控制系統硬件原理如圖2 所示，間歇變量控制程序操作界面如圖3 所示。通過觸摸屏設定電磁閥的開啟和關閉時間，經RS232 接口傳輸給PLC，PLC 按照設定的時間循環輸出高低電平，控制電磁閥的通斷。單次循環內電磁閥開啟時間可根據實際噴霧量進行設定，計算公式如公式（1），經前期試驗得知，噴霧壓力為0.4 Mpa 時，電磁閥的關閉時間可設為0.4 s，開啟時間設為1 s，此間隔在底盤運動速度為0.8 m/s 時能形成連續的噴霧帶。

圖2 間歇變量噴霧控制系統硬件原理圖

圖3 間歇變量噴霧控制系統界面圖

式中：TK為電磁閥開啟時間，單位為s；QS為作業過程中錐形噴頭設定的流量，單位為mL/min。

2 試驗驗證

2.1 材料與方法

主要試驗材料：遙控式間歇變量噴霧機、掃描儀（影源科技C200）、TXVK-4 空心錐霧噴頭（美國TEEJET）、麥拉片[12]（3.0 cm × 8.0 cm）。

試驗內容與方法：根據噴霧機常用作業速度，將輪式底盤運動速度設定為0.8 m/s，設置電磁閥的開啟時間為1 s，關閉時間為0.4 s，對間歇變量噴霧系統在馬鈴薯冠層的霧滴沉積分布進行測定，分析霧滴在馬鈴薯冠層的沉積分布特性，并與常量噴霧進行對比，驗證該間歇變量噴霧系統作業過程中霧滴分布的連續性。其中，間歇噴霧指電磁閥根據控制系統的信號循環通斷；常量噴霧時電磁閥則處于常開狀態。

基于噴霧機噴桿具有對稱性，試驗中僅布置單側噴桿上的噴頭，并選擇最外側噴頭經過的區域作為布樣區，降低由于底盤運動的氣流對噴霧過程的干擾。如圖4 所示，在布樣區內放置14 株長勢相近的現蕾期馬鈴薯，株距為30 cm，將每株馬鈴薯冠層分為上、中、下3 層，每層布置3 張麥拉片，使用黑色馬克筆在葉片上標記麥拉片的位置，使后續麥拉片的布置能夠與前一組試驗保持一致。試驗開始前，啟動隔膜泵將測試液體泵入噴霧系統的管路中，并通過流經安全閥的回液管路將儲液箱中的測試液體攪拌均勻。開啟最外側電磁閥，保持噴霧機靜止使噴霧系統進行預噴霧，待壓力計讀數穩定后，啟動噴霧機使其按照設定速度前進，對馬鈴薯冠層進行間歇噴霧，按照同樣的方法，改變噴霧方式為常量噴霧，對馬鈴薯冠層進行噴霧。結束試驗后，取下麥拉片按照布樣位置編號并掃描，采用Image J 軟件對得到的霧滴沉積圖像進行分析，計算間歇噴霧與常量噴霧在馬鈴薯冠層不同高度處的霧滴沉積密度，分析間歇施藥過程中霧滴在馬鈴薯冠層的沉積分布特性，與常量噴霧進行對比，對間歇變量噴霧系統的工作性能進行評價。

圖4 室內試驗方案

2.2 結果與分析

由圖5 和表1 可知，霧滴沉積密度自上而下逐漸減少，間歇變量噴霧過程中霧滴在馬鈴薯冠層上、中、下三層的霧滴沉積密度分別為328.54、172.74、84.90滴/cm2，均大于GB/T 17997—2008 農藥噴霧機[13]對于霧滴沉積密度不小于30 滴/cm2的要求。與常量噴霧相比，間歇變量噴霧對馬鈴薯冠層上、中層霧滴沉積密度分別減少56.23、10.51 滴/cm2，對馬鈴薯冠層下層霧滴沉積密度增加23.82 滴/cm2。從霧滴分布均勻性（變異系數）來看，間歇變量噴霧對馬鈴薯冠層上、中、下層霧滴沉積密度的變異系數分別為12.63%、34.83%、43.24%，其中，上、下層霧滴沉積密度的變異系數分別比常量噴霧的高3.45、7.21 個百分點，中層霧滴沉積密度的變異系數比常量噴霧的低4.86 個百分點。綜上所述，該間歇變量噴霧系統能夠滿足馬鈴薯植保作業的要求，且能夠獲得與常量噴霧相近的作業效果。

圖5 間歇噴霧與常量噴霧霧滴沉積密度分布

表 1 霧滴平均密度與變異系數

從表1 還可看出，2 種噴霧方式對馬鈴薯冠層中、下層霧滴沉積密度的變異系數均較大，表明霧滴在中、下層的分布均勻性較差。究其原因主要是由于馬鈴薯冠層內部結構復雜，葉片間的相互遮擋較為嚴重，僅依靠霧滴的自然沉降難以均勻的穿透馬鈴薯冠層，故而導致馬鈴薯冠層的中、下層霧滴分布均勻性較差。

3 結 論

針對PWM 變量噴霧系統經濟成本高的問題，研制了一種低成本的間歇變量噴霧系統，以PLC 為控制器，控制普通電磁閥以小于1 Hz 的頻率進行間歇噴霧，并以現蕾期馬鈴薯為試驗對象，對間歇變量噴霧系統的作業性能進行試驗驗證。結果表明：間歇變量噴霧系統在實際作業過程中能夠形成連續完整的噴霧帶，霧滴在馬鈴薯冠層上、中、下層的平均沉積密度分別為328.54、172.74、84.90 滴/cm2，其在馬鈴薯冠層上層、中層、下層的霧滴分布均勻性（變異系數）與常量噴霧分別相差3.45、-4.86、7.21 個百分點；說明該間歇變量噴霧系統能夠滿足實際作業需求，且能達到與常量噴霧相近的噴霧效果。該研究可為農業植保提供一種低成本的噴霧裝備。

研發的間歇變量噴霧系統作業時，霧滴在馬鈴薯冠層葉片上的沉積密度均高于農藥噴霧機田間操作規程及噴灑質量評定對作物病蟲害防治的要求，表明該噴霧系統可以完成針對低矮作物生長中后期的施藥作業。但該系統在株距較為明顯的作物上的系統性能與適用性需進一步驗證。同時，試驗過程中發現，該設備在馬鈴薯冠層中下層的沉積均勻性較差，后續研究應與風送式噴霧方法進行結合，探究霧滴分布均勻性的變化。