蔬菜高效施藥裝置藥量專家系統(tǒng)測試

馬 偉 王 秀* 沈 瀚 翟長遠，3 秦 貴 張 睿

（1北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京100079；3西北農(nóng)林科技大學，陜西楊凌 712100）

設(shè)施蔬菜栽培具有高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟等特點，經(jīng)濟效益較好，近年來發(fā)展迅猛，已經(jīng)在我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。設(shè)施環(huán)境下的蔬菜病蟲害防治任務(wù)較重，除了采用防蟲網(wǎng)和黃板外，噴藥防病也是主要的方式之一。高效施藥時對于噴霧壓力、藥液流量和工作風速等參數(shù)的研究已有報道，主要集中在新型生物農(nóng)藥的應(yīng)用與水稻上（劉郵洲 等，2008a，2008b），采用自動控制技術(shù)調(diào)節(jié)施藥的流量，并將合適的施藥流量做成專家系統(tǒng)，存貯在芯片里，在施藥時根據(jù)選擇設(shè)定調(diào)用程序，實現(xiàn)藥量專家推薦模式可以有效的解決噴霧壓力和藥液流量控制不穩(wěn)定的問題，滿足設(shè)施蔬菜高效施藥的需求。

1 高效施藥裝置專家系統(tǒng)

1.1 基于快速PWM波的數(shù)字調(diào)節(jié)原理

高效施藥裝置的加壓單元選用直流蠕動泵，藥液流量的精確控制和調(diào)節(jié)可采用PWM數(shù)字調(diào)節(jié)模式（張怡，2007）。PWM技術(shù)就是對半導體的導通和關(guān)斷進行控制，由于其控制性精確、功率損耗較小、高效節(jié)能而被廣泛應(yīng)用于復雜系統(tǒng)中。

快速PWM模式（WGMn3∶0=5、6、7、14或15）可用來產(chǎn)生高頻的PWM波形?？焖貾WM模式與其他PWM模式的不同之處是其單邊斜坡工作方式（嚴青 等，1995）。計數(shù)器從BOTTOM計到TOP，然后立即回到BOTTOM重新開始。由于使用了單邊斜坡模式，快速PWM模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM模式高一倍。此高頻操作特性使得快速PWM模式適合于功率調(diào)節(jié)、整流和 DAC應(yīng)用（賈國方，1998）。高頻可以減小外部元器件（電感，電容）的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)成本。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括專家知識庫、芯片讀寫模塊、專家施藥控制和噴桿移動速度 4部分。不同作物在育苗期、定植期、生長期、掛果期的施藥量不同，根據(jù)其具體的要求建成專家知識庫，并將其存入芯片。知識的更新可依靠芯片讀寫模塊進行數(shù)據(jù)的修改，工作時根據(jù)用戶的設(shè)定參數(shù)、選擇的作物，專家施藥控制會直接控制施藥泵，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)輸出合適的專家推薦施藥量。對于沒有采用軌道在溫室內(nèi)進行移動的施藥噴桿裝置，系統(tǒng)預留了一個噴桿移動傳感器解口，可用來檢測作業(yè)人員手持噴桿的移動速度，從而自動調(diào)節(jié)施藥量的變化。這種方式可以有效的避免因為農(nóng)業(yè)經(jīng)驗不足導致的施藥量不恒定，波動變化較大的問題。

1.3 硬件電路設(shè)計

施藥泵的控制和驅(qū)動電路由4個MOS管組成H橋全橋驅(qū)動，可控制直流加壓泵，同時通過精準調(diào)速起到施藥量精準控制的作用。

考慮設(shè)施環(huán)境下可能存在的對精確控制信號的干擾，對控制信號設(shè)計了光電耦合單元，無級電機調(diào)速采用高速光電耦合器件驅(qū)動直流電機調(diào)速模塊。

專家施藥模型的基本原理就是采用人工方式在觸摸液晶屏幕上輸入作物生長階段、株高、葉片大小和對應(yīng)的作物名稱以及病蟲害的嚴重程度，系統(tǒng)就會自動生成一個施藥專家模型，系統(tǒng)界面出現(xiàn)推薦的農(nóng)藥種類以及施藥量。確認后系統(tǒng)就自動開始噴藥。專家系統(tǒng)知識庫可通過界面補充更新。硬件電路和專家系統(tǒng)的測試采用清水作為試驗介質(zhì)代替農(nóng)藥，主要測量推薦的藥量和實際噴灑的藥量變化的線性關(guān)系。

試驗地點位于北京昌平區(qū)小湯山的國家精準農(nóng)業(yè)研究示范基地，時間從2010年11月開始，8次重復。

2 結(jié)果與分析

農(nóng)藥噴灑過程中，針對不同的靶標作物以及不同的生育期，應(yīng)選擇不同的施藥參數(shù)（劉郵洲 等，2008a，2008b）。對于施藥裝置則涉及噴霧錐角、噴射距離、壓力、流量等諸多因素需要調(diào)節(jié)。為了簡化程序，便于操作，提高操作精確性，可通過專家系統(tǒng)根據(jù)用戶選定的作物，以及設(shè)定的參數(shù)自動調(diào)節(jié)對應(yīng)的藥量。本試驗主要測量控制系統(tǒng)對施藥的精準控制，選擇 3種作物（普通白菜、番茄、黃瓜）的施藥知識，設(shè)計匹配軟件程序進行設(shè)定。試驗使用自來水代替農(nóng)藥，施藥系統(tǒng)使用藥泵（型號KS120，直流電機型號12-9，電機工作電壓12 V，電機額定電流9.5 A，泵流量5.5 L·min-1，泵效率27%）。首先設(shè)定推薦專家的參數(shù)，然后在設(shè)備持續(xù)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始計時，計時的同時開始用燒杯收集噴嘴的溶液，單位計時停止時停止收集溶液。

試驗結(jié)果表明（表1），3種施藥程序單位時間的施藥量比較恒定，由于將作物高度和葉片大小作為主要決策因子，因此施藥量為普通白菜最低，平均藥量為2 198.5 mL·min-1，與理論施藥量2 200 mL·min-1比較誤差為0.07%；番茄的平均施藥量為2 806.1 mL·min-1，與理論施藥量2 800 mL·min-1比較誤差為0.22%；黃瓜的平均施藥量為3 471.4 mL·min-1，與理論施藥量3 800 mL·min-1比較誤差為8.65%；根據(jù)專家知識決策因子選定的不同，番茄的施藥量比普通白菜高出27.64%，黃瓜比番茄高出23.71%。

表1 施藥裝置推薦專家系統(tǒng)試驗結(jié)果

3 小結(jié)

蔬菜高效施藥涉及到諸多因素，除了裝置的控制精度外，農(nóng)藝要求也是重要的內(nèi)容（卜訓琴，2003）。主要有以下幾個方面：第一是及時噴藥。如保護性殺菌劑一定要在發(fā)病前或發(fā)病初期使用。第二是嚴控施藥量。用量必須按推薦用量使用，增減要慎重，以免造成作物藥害。第三是施藥均勻徹底。第四是安全施藥。配藥、施藥都要避免皮膚接觸，防止人畜中毒。高效精確的控制系統(tǒng)能起到事半功倍的效果。本試驗設(shè)計的系統(tǒng)為設(shè)施高效施藥提供了一種裝置和方法，借助電子技術(shù)將農(nóng)業(yè)種植示范戶的經(jīng)驗通過系統(tǒng)輸入提升為施藥專家決策模型，為果蔬創(chuàng)新團隊高產(chǎn)創(chuàng)建提供一種裝備手段。由于沒有深入探究植保知識數(shù)學模型，對于決策的算法選擇加權(quán)計算的方式。

卜訓琴.2003.設(shè)施蔬菜栽培在我國的發(fā)展現(xiàn)狀分析.滁州師專學報，（2）：102-103.

賈國方.1998.離心泵測試中流量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研制.排灌機械，（2）：37-38.

劉郵洲，陳志誼，傅錫敏，吳萍，羅楚平，龔艷，劉永峰，聶亞峰.2008a.噴霧壓力、藥液流量和工作風速對生防微生物在不同作物上定殖的影響.江蘇農(nóng)業(yè)學報，（5）：640-644.

劉郵洲，吳萍，羅楚平，龔艷，劉永峰，聶亞峰，陳志誼，傅錫敏.2008b.噴霧壓力和藥液流量對井岡枯芽菌在水稻葉片定殖的影響.植物保護，（4）：65-68.

嚴青，萬叔蕓，張曉光，王離九.1995.一種新型空間矢量PWM技術(shù)及其數(shù)字化實現(xiàn).電氣傳動，（6）：18-22.

張怡.2007.數(shù)字PWM技術(shù)的實現(xiàn)及應(yīng)用發(fā)展.集成電路設(shè)計與開發(fā)，（7）：618-622.