基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)噴藥沉積效果檢測

黃 蕊 ，郭樹強(qiáng) ，趙紅茹

(1.承德廣播電視大學(xué)，河北 承德 067000； 2.河北司法警官職業(yè)學(xué)院，石家莊 056004)

0 引言

病蟲草害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一個(gè)嚴(yán)重威脅，會給農(nóng)作物造成巨大的產(chǎn)量損失。以我國最主要的糧食作物水稻為例，每年因病蟲草害損失的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的15%～40%[1-2]，導(dǎo)致水稻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重制約[3]。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中加強(qiáng)對病蟲草害的防治具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

針對不同有害生物的防治手段各異，通過噴灑農(nóng)藥進(jìn)行化學(xué)防治是較為通用的方法。植物保護(hù)中的農(nóng)藥噴灑作業(yè)勞動周期長，強(qiáng)度較大，對實(shí)效性也提出了很高的要求[4]。目前，農(nóng)藥噴灑主要采用人工噴施、地面機(jī)械噴施和航空噴施3種方式。人工噴施是傳統(tǒng)方法，存在勞動強(qiáng)度大和效率低的問題，難以應(yīng)對病蟲草害突發(fā)和爆發(fā)的局面，且不利于操作人員的身體健康；地面機(jī)械噴施的效率相對較高，但作業(yè)成本高，藥劑利用率低，還會損傷農(nóng)田的土壤環(huán)境[5]；航空噴施是新型的作業(yè)方式，克服了前兩種方式效率低和農(nóng)田損傷問題。隨著各型農(nóng)業(yè)飛行器的推廣普及，航空噴施不再受到作業(yè)成本的制約，成為當(dāng)前最為理想的農(nóng)藥噴灑方式[6]。

航空噴施最常用的載具為無人機(jī)，即由無人駕駛飛行器、控制站和其它部分組成的系統(tǒng)。無人機(jī)又包括固定翼和旋翼兩種，后者具有垂直起降的能力，機(jī)動性較強(qiáng)，能夠在空中懸停、升降和大幅度轉(zhuǎn)彎，適合進(jìn)行各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)。旋翼無人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑、信息監(jiān)測及農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)勘察等方面，推動了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化的進(jìn)程[7-9]。

農(nóng)藥噴灑是無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中最主要的用途，美國和日本都較早研發(fā)出了多個(gè)植保無人機(jī)型號，處于世界領(lǐng)先水平。我國的植保無人機(jī)研發(fā)在近年來步入新階段，生產(chǎn)企業(yè)達(dá)到上百家，機(jī)型數(shù)量和推廣速度增加明顯[10]。另外，研究人員還對噴藥相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了改良，如茹煜等設(shè)計(jì)了無人機(jī)靜電噴霧整體系統(tǒng)，相比非靜電噴霧，能夠顯著提高霧滴的沉積效果[11]。

在關(guān)于無人機(jī)噴藥的防治效果中，霧滴沉積和分布特性是研究的重點(diǎn)。霧滴沉積對防治效果有重要影響，也是設(shè)置無人機(jī)作業(yè)參數(shù)的參考依據(jù)。研究表明：無人機(jī)作業(yè)的速度、高度和旋翼下方風(fēng)場是霧滴沉積效果的影響因素，對它們之間相關(guān)性的研究有利于提高防治效果[12-13]。目前，對霧滴沉積效果的檢測和評價(jià)方法有多種，如張瑞瑞等基于變介電常數(shù)電容器原理和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)的地面實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)[14]，張宋超等設(shè)計(jì)的計(jì)算流體動力學(xué)模擬方法等[15]。

隨著科學(xué)的進(jìn)步，許多新型技術(shù)如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，提升了無人機(jī)的智能化水平。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以嵌入式和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。無線傳感網(wǎng)絡(luò)包含大量智能傳感器，利用無線通信實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信息的獲取。無人機(jī)受體積限制，布置線路會浪費(fèi)寶貴的空間和載荷，因此適合無線方式通信。無人機(jī)可以成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的理想平臺，二者結(jié)合將獲得廣闊的應(yīng)用前景[16]。

目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在植保無人機(jī)上的用途僅限于對航線的控制，而在關(guān)乎防治效果的霧滴沉積檢測上還沒有充分發(fā)揮作用，對這一方面進(jìn)行深入研究將有助于推動霧滴沉積效果檢測方法的變革。本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)噴藥的霧滴沉積效果檢測系統(tǒng)，并對各種因素影響下霧滴沉積檢測的準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析評價(jià)，以期為拓寬無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

噴灑農(nóng)藥的植保無人機(jī)選用零度智控智能科技有限公司的“守護(hù)者Z-10”型4旋翼無人機(jī)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)型

該型機(jī)身材料為高強(qiáng)度碳纖維，具有自動避障功能，采用GPS差分精準(zhǔn)定位，主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 無人機(jī)的性能參數(shù)

“守護(hù)者Z-10”具有常規(guī)的一鍵起降和航路規(guī)劃功能，安裝大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，噴灑數(shù)據(jù)可以連入云服務(wù)器，并預(yù)留連入無線傳感網(wǎng)絡(luò)的接口。無人機(jī)的整體性能已經(jīng)在新疆、黑龍江、海南、云南、四川等地區(qū)進(jìn)行了測試，證明了持久性和防水性。

無人機(jī)配套多種可拆卸的藥箱，可減少換藥間隔的等待時(shí)間，連續(xù)作業(yè)效率較高。噴頭采用獨(dú)創(chuàng)的雙濾網(wǎng)設(shè)計(jì)，可防止藥液雜質(zhì)和顆粒堵塞，且適配多種口徑，能滿足對不同作物噴灑的需求。無人機(jī)由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位，具有較高的平面和高程精度。地面站提供作業(yè)航路軌跡及風(fēng)場采樣點(diǎn)和霧滴采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，并獲取作業(yè)參數(shù)。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和控制中心3個(gè)部分，作用包括航線的控制、采樣點(diǎn)定位，以及對無人機(jī)飛行速度、高度和下方風(fēng)場數(shù)據(jù)的采集。傳感節(jié)點(diǎn)由無人機(jī)搭載的各型傳感器組成，如XV-8000CB型速度傳感器用于采集飛行速度，BA5803型氣壓高度傳感器用于測量飛行高度，中科能慧NHFS47型風(fēng)速傳感器用于測定每個(gè)采樣點(diǎn)處的風(fēng)速。匯聚節(jié)點(diǎn)是CC2530型芯片，與傳感節(jié)點(diǎn)之間采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無線連接，與控制中心之間采用UART接口進(jìn)行有線連接，以便將數(shù)據(jù)上傳?？刂浦行奈挥诘孛嬲荆陕?lián)想X3550M5型服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲庫和地理信息庫等部件組成。

1.2 試驗(yàn)方法

2017年，在某水稻種植基地中進(jìn)行試驗(yàn)。水稻采用人工移栽，處于抽穗揚(yáng)花期，平均株高為95cm，噴灑的藥液用水代替。水稻試驗(yàn)田塊近似長方形，長度約60m，寬度約35m。以5m為無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)噴幅，根據(jù)田塊的形狀規(guī)劃出航路，用虛線表示。根據(jù)田塊的面積設(shè)置30個(gè)均勻分布的采樣點(diǎn)，田塊的長度和寬度上相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的距離分別為10m和7m，用黑色三角形表示，如圖2所示。

無人機(jī)按照規(guī)劃的航路飛行，同時(shí)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)。設(shè)置4個(gè)作業(yè)速度，由慢到快依次為2、4、6、8m/s；另外，設(shè)置4個(gè)作業(yè)高度，依次為低(0.5m)、較低(1.0m)、較高(2.0m)和高(4.0m)。每次作業(yè)中，在各個(gè)采樣點(diǎn)分別放置1張瑞士先正達(dá)公司的霧滴測試卡，位于水稻植株75cm高度的位置，用于沉積藥液的收集和檢測。

每次作業(yè)完成后，取回各采樣點(diǎn)的測試卡干燥后密封。測試卡本底為黃色，遇水后變?yōu)樗{(lán)色，經(jīng)過掃描得到的圖像用DepositScan V1.2軟件分析處理，可以得到霧滴覆蓋率、覆蓋密度和沉積量信息。本研究選用平均沉積量和沉積均勻性來反映藥液的沉積效果，其沉積均勻性由所有采樣點(diǎn)上霧滴沉積量的變異系數(shù)(CV)來衡量。

圖2 無人機(jī)的航路規(guī)劃和采樣點(diǎn)設(shè)置

2 結(jié)果與分析

霧滴在無人機(jī)不同飛行速度和高度下的沉積量，如表2所示。相同速度下，隨著飛行高度的增加，霧滴沉積量逐漸減少；相同高度下，隨著飛行速度的增加，霧滴沉積量也逐漸減少。因此，無人機(jī)的飛行速度和高度對霧滴沉積量有著相似的影響，飛行速度對霧滴沉積量的影響大于飛行高度。

表2 不同作業(yè)速度和高度下的霧滴沉積量

霧滴在無人機(jī)不同飛行速度和高度下的沉積量變異系數(shù)如表3所示。變異系數(shù)越大，說明均勻性越差，相同的速度下，隨著飛行高度的增加，霧滴沉積量變異系數(shù)的增幅很?。幌嗤母叨认?，隨著飛行速度的增加，變異系數(shù)顯著增加均勻性變差。因此，霧滴沉積量變異系數(shù)主要受到無人機(jī)飛行速度的影響，所受飛行高度的影響不明顯。

表3 不同作業(yè)速度和高度下的沉積量變異系數(shù)

3 討論與結(jié)論

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)噴藥的沉積效果檢測方法，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無人機(jī)航線控制，實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)定位及對無人機(jī)飛行速度、高度和下方風(fēng)場數(shù)據(jù)的采集。試驗(yàn)結(jié)果表明：飛行速度和高度對霧滴沉積量有相似的影響，速度對霧滴沉積量的影響大于高度；霧滴沉積均勻性主要受到飛行速度的影響，所受飛行高度的影響不明顯。

影響霧滴沉積效果的因素有多種，飛行速度和高度是兩個(gè)重要方面。分析上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)：速度越快時(shí)，無人機(jī)下方的風(fēng)場越強(qiáng)，增加了霧滴飄散的不確定性，從而導(dǎo)致沉積量降低，均勻性變差；飛行高度增加時(shí)，霧滴下落的距離變長，只會對沉積量造成影響，這些結(jié)論與其它學(xué)者的研究一致[13]。因此，該無人機(jī)噴藥的沉積效果檢測方法具有較高的準(zhǔn)確性，可為拓寬無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍提供依據(jù)。