農業菌肥溫室精準噴霧系統設施設計

宋 超,常若葵*,胡建龍,劉 華,王遠宏,張文培武紅宇,于津沇,張雍熙

(1.天津農學院 工程技術學院，天津 300392；2.科芯（天津）生態農業科技有限公司，天津 300453；3.天津農學院 園林園藝學院，天津 300392）

近年來，設施大棚澆灌和噴施農藥一直是農業工作者關注的問題[1]。如何用藥與噴藥已成為研究的重點。以往對于農藥噴灑的研究多是針對農藥病蟲害防治效果，但對于用藥量的精確度以及農藥殘留缺少進一步研究?！碍h保農業”的出現，使我國對農藥殘留超標問題更加重視，而對農藥的使用效果也有了更高要求。相較于化學農藥，生物農藥對非靶標生物影響較小，解決了化學農藥使用易在農作物上殘留，對環境造成污染等問題。因此，由微生物制劑研發的菌肥正在悄然走進溫室田間。但我國的噴施技術在噴灑定位和精度上都處于較低水平，在溫室內噴施菌肥時，會造成菌肥用量不均衡、菌肥浪費，從而影響果蔬產質量。

目前常用的農業灌溉[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，且會造成水資源浪費。噴灌的優點是對地形的適應性強，灌溉均勻，占耕地少，節省人力。滴灌適用于各種復雜地形，一定程度上減輕田間工作量，但滴灌出水孔小、水流速度慢、易發生堵塞，須對灌溉水進行過濾和處理。智能噴霧是實現無人管理的自動灌溉模式，利用高壓微孔撞擊技術形成霧效，被噴霧形成的霧滴因自重下落至葉片不會產生積液，與傳統灌溉施肥方式相比，具有菌肥浪費量小、節約水資源。同時全自動智能化控制，可減少用工率，提高作業效率。鑒于此，根據智能噴霧的噴灌原理，設計精準噴霧系統設施。

1 系統方案設計

市場上殺蟲劑、殺菌劑種類繁多，施藥方式多以對植株噴灑為主。但在噴灑時，往往噴灑不到葉下表面。針對此問題設計溫室植株精準噴灌系統設施，該設施采用噴灑臂噴灑，利用太陽能供電板供電，主控制器控制各噴頭噴霧，且控制器可按需求自動調節菌肥配比。通過設計立體雙層噴頭，實現從上向下、從下向上的雙向噴霧。為保障葉片背部菌肥液全覆蓋，根據噴霧下落的時間給下落液滴一個向上的力，使葉片背部能夠獲得菌肥液，用圓錐滾子軸承連接鼓風機，使其能夠360°無死角地噴灑到葉片上，當發現有蟲害時，能夠自動噴灑菌肥液。

2 系統硬件設計

系統的硬件系統由供能設備、檢測設備和噴灑設備三部分組成。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

1）供能設備。該部分主要是太陽能供電板。太陽能是一種無污染、無公害的清潔能源，適用于溫室大棚種植生產作業。

2）檢測設備。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，葉面傳感器由高精度熱敏電阻和濕度傳感器組成，主要用于監測葉面溫濕度，并能檢測到葉面的微量水分，幫助管理者準確獲知作物的溫濕度情況，為及時防治作物病害提供重要參考；雨滴傳感器由雨點感應板和信號調理電路構成，用于檢測是否有水滴和水量大??；CMOS 圖像傳感器采用MU 視覺傳感器，該傳感器可識別多種目標物體，如顏色、球體、人體、卡片等，檢測結果支持UART、I2C、WIFI等多種通信方式輸出。

3）噴灑設備。該部分主要由機械臂、十字噴頭、鼓風機組成。其中，機械臂能夠實現升降、旋轉和伸縮，適用于不同作物不同時期的高度；在機械臂的手腕處添加雙層十字噴頭，雙層噴霧能夠保證對整個葉片全方位噴灑；在十字噴頭背部焊接鼓風機，通過鼓風機給噴霧一個向上的力，使水肥盡最大限度附著在葉面背部，解決施肥不均、施肥不到位等問題。

3 系統精準噴施的技術原理及方式

精準定位是綜合運用現代信息技術和智能裝備技術，對農業生產進行定量決策、變量投入、定位實施的現代農業操作技術系統[3]。為使噴灑臂將菌肥液精準噴灑到作物上，通過多傳感器采集作物及其環境參數，利用攝像頭獲取的圖像信息[4]，經過分析處理可獲得噴灑臂相對于行間作物的位置及高度信息，做出相應的路徑規劃，進而調節噴灑臂進行作業。

CCD 圖像處理主要是利用V4L2 的API接口函數對viewo0 設備文件進行操作，從而實現攝像頭的圖像數據采集。通過調用Linux 的V4L2 圖像編程及其擴展接口，完成圖像采集裝置選擇、分辨率設定等一系列操作。然后打開V4L2圖像采集開關，并從圖像幀緩沖隊列內取出特定YUV 格式圖像幀數據，從而完成圖像采集。圖像采集流程為打開攝像頭、配置攝像頭、配置攝像頭控制器、向驅動申請V4L2 緩存隊列、將緩存放入V4L2 緩存隊列、開始V4L2 原始數據采集。利用模糊控制算法結合植株生長最優環境調控模型，獲取菌肥智能噴灌量，通過GPRS 無線數據傳輸方式將智能噴灌量傳輸到上位機進行顯示并存儲，提供科學的噴灌量，同時也便于操作人員查看分析，從而實時監控和調節植株生長環境。

當CCD 圖像傳感器檢測發現蟲害時，控制器會控制滑輪車在軌道上運動到指定位置，啟動噴灑系統，為適應不同溫室、不同形狀和高度的苗床，噴灑臂能夠調整上下高度及傾斜角度，保障植物在不同生長期及植株高度時，均能得到藥物的有效噴灑，尤其保障植物葉片背部及時獲得治療。對于不同噴灑面積，必要時噴灑臂長度亦可調，以保證全方位、無死角地作業。該裝置能夠對水源進行過濾與軟化，減少水中顆粒物與水中金屬離子對植株和裝置的影響，使植株更加健康地生長，同時延長裝置的使用壽命。

4 系統性能測試

在完成溫室植株精準噴灌系統軟硬件調試后，對噴灌系統性能進行測試。試驗地點在天津農學院植物保護實驗大棚，以50 棵黃瓜植株為噴灌對象，選用植保實驗室研發的解淀粉芽胞桿菌BJ2 制劑經調配作為噴灌菌肥，檢測經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）。根據葉面溫濕度傳感器采集的數據和CMOS圖像傳感器采集的圖像相結合，利用二值化圖像分割處理的優化算法，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面過于粗糙，結合使用Create 的形態學處理指令Morphology 對細小的雜質進行刪除，讓畫面減少噪點，變得更加純凈，通過Global Rectangle 對原始圖片中目標區域進行處理，最后將ROI 區域中的特殊點進行標記，計算特殊點區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86%、93%和83%，與人力噴灌方法相比，精準噴灌方法能有效提高噴施菌肥利用率，減少菌肥浪費。

表1 不同噴灌法下葉背菌肥液的覆蓋率 %

5 結論

針對傳統噴灌方式噴灑不到位、液量不精確的問題，設計溫室植株精準噴灌系統設施用于農業溫室大棚菌肥噴灌。該系統設施工作原理以STC89C51 單片機為主控制核心，通過多傳感器采集植物生長及環境信息，搭建上下雙層立體噴霧系統，利用濕度傳感器采集空氣中濕度的瞬間變化調控鼓風機拖動下落水滴實現對葉片下表面精確噴灑和附著；噴頭采用圓錐滾子軸承實現旋轉，通過控制噴灑臂靈活運動對植株進行全方位、無死角的藥物噴灑。該裝置能有效提高噴施菌肥利用率，減少菌肥的浪費，可用于農業溫室大棚菌肥噴灌，具有精準、節約、環保等特點。