南疆棉田农药变量喷施装置

潘宇婷  刘志浩 李文雪[⃰]郝峰

摘要：为解决南疆棉田中病害精准变量喷药，改进传统人工无差别喷药造成的效果差、过量喷施易引发药害、费时费力等问题，促进精准、智慧农业在棉花地病害防治领域的应用，本设计利用喷药机器小车根据病害点位及等级实现精准变量喷施。采用大马力小车底盘搭载药箱和喷施装置，以适应棉花地地形；利用多级流量喷头和100W微型隔膜水泵实现农药变量喷施调节；利用STM32搭载LORA模块实现远距离无线遥控，控制小车移动和喷施系统工作；利用摄像头获取病害信息和前方路况信息。

关键词：南疆棉田；变量喷施；无线控制；

1 背景

在棉花生产中病害一直是影响生长和产量的重要因素之一，据2021年新疆棉花病虫害数据统计显示，棉花苗期病害导致的病田率达5%，棉花是喜光作物，适宜在充足的光照下生长，棉花喜干耐旱，新疆南疆地区的气候干旱少雨，适合棉花生长。7月下旬至8月南疆气温高、降雨少，对蚜虫等害虫的发生有利。对于防止这些病害有限措施也是行业研究热点，目前的在棉花防治领域中农药喷洒的各项费用逐年增加，缺少合适的病害防治措施。目前对于棉花病害主要是通过化学防治进行控制，行业发展现状是不能确定农作物的病害区域和程度，一般是进行大面积喷药。在农业病害防治领域，我国农药使用量连年增长，施用强度也在不断增加，年平均增长率为6.5%，中国单位面积使用量是世界平均水平的2.5倍，这样长期使用造成了严重的环境污染、化学农药残留超标和病害抗药性等问题，严重威胁了未来生存的健康发展，同时增加了农业生产成本、农药化肥使用效率低等问题。随着“精准农业”和“智能农业”理论研究的发展，信息技术以及智能机械装备不断应用到农业中，出现了各种农业机器人，农用飞行器使用在农业生产中，虽然减少了劳动力，提高了生产水平，但依然是进行大面积喷洒，无法满足“精准农业”要求。美国明尼苏达州、华盛顿州的研究人员研制了一种喷洒杀虫剂的设备，该设备可以按照不同的位置不同量进行喷洒[1]。澳大利亚的研究人员设计出一种能够在田间行走的喷雾器，当识别出杂草后，只针对杂草喷出除草剂，这样喷洒除草剂的量是一般喷洒量的 1/10[2]。King B.A.等人设计了一种可以改变流量的喷头，该喷头内含有一个移动销，通过调节移动销改变喷头的开口面积，实现改变喷头流量[3]。俄罗斯的研究人员开发了一种间歇式的果园风送喷药机，该机采用超声波传感器测物原理研制，利用超声波传感器测量来判断树冠位置，实现对树冠的精准喷药，有效节省农药使用量约50%[4]。

通过对国内外变量喷施系统的研究现状分析可以发现，虽然喷药系统随着信息和计算机技术的不断融入更加精准和智能化，出现了很多基于机器视觉的喷药除草机器人，但是很少研究根据病害程度对农作物进行更加精确的变量喷药，同时适合我国小面积田间作物行中进行作业的变量喷药系统[5-9]。所以有必要研究一种适合我国棉花耕地特点，能够对病害部分精准变量喷施的作业系统。

2 研究目的

农业病害防治精准变量喷施成为行业研究重点，基于此目的研究实现一种精准变量喷药的小车，主要解决棉花病虫害精准变量喷药问题，一是改进传统人工无差别喷药造成的效果差、过量喷施易引发药害、费时费力等问题；二是促进精准、智慧农业在棉花地病害防治领域的应用，利用喷药机器小车根据病害点位及等级实现精准变量喷施。项目研究可以推进精准作业的目的，减少化学农药浪费以及残留对环境的污染，节约农用成本，促进农业的可持续发展，具有较为重要的研究价值及意义。南疆的棉花地普遍面积较大，土地平整，保水性差，土壤墒情低，能够将此装置放在棉花地的垄上自由控制。现在无人机打药占主导地位，药液浓度高，用水量极低，喷施到作物上干燥快，而喷施装置可以有效解决此问题，变量喷施可以在通过收集病虫害程度控制药量的多少，药液多少可以根据不同情况而定。

3 农药变量喷施装置的实现

3.1 技术路线

本设计拟采用的技术路线如图1所示，使用 STM32 为主控板，搭载 LORA 模块实现远程通信功能，主要实现全地形小车移动控制和多级流量喷头控制调节；采用摄像头采集前方路况信息和棉花叶片病害信息，根据采集信息远程遥控喷施作业。远程控制端主要以 STM32 核心板为控制系统，搭载 LORA 模块实现控制指令收发。

 

图1 技术路线图

3.2 远距离无线通信模块

LORA 技术是一种用于远距离、低功耗、低数据速率的无线通信技术，LORA模块利用扩频调制技术，将数据信号扩展至较宽的频带内进行传输，从而实现了长距离、低功耗和可靠的通信。采用超窄带宽和长的扩频序列，通过改变信号的调制方式和编码率，可以在低功耗和远距离传输之间实现平衡。这种模块具有远距离通信能力，传输距离取决于传输环境和模块的配置，一般最高可达数公里。此外，LORA 模块还具有低功耗的特点，可以延长设备的电池寿命，降低维护成本。存在较多干扰源的环境下仍能保持稳定的数据传输，能够保证棉田远距离传输信息时更安全，提高了可靠性。

3.3 病害监测模块

棉花病虫害种类繁多，危害各不一样，根据发病时期大致可分为苗、蕾、花铃三个时期。棉花病虫害的早期识别和适时防治是棉花高产的重要环节。将摄像头安装在装置两侧，能够通过摄像头采集到的图片识别棉花病害严重程度。将摄像头采集到的患病棉花叶面经过人的经验进行人工识别。病害检测模块用于检测叶片病害情况，人工标注、记录和保存病害位置和类型，辅助作物病害防治以增加产值。

3.4 变量控制模块

基于PLC的流量控制系统主要有可编程控制器、水泵电机一起组成一个完整的闭环调节系统模块可分为:执行机构、控制机构部分。

在系统控制过程中，需要检测的信号包括管道水流量信号，其中水流量信号是本控制系统的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。本系统的控制机构包括控制器(PLC)和变频器两个部分。控制器是整个流量控制系统的核心。控制器直接对系统中的流量信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法。

4 结论及展望

本装置对农业病害防治精准变量喷施意义重大，关键技术有:使用 STM32 为主控板，搭载 LORA 模块实现远程通信功能，主要实现全地形小车移动控制和多级流量喷头控制调节；应用 LORA 技术，实现了长距离、低功耗和可靠的通信，在存在较多干扰源的环境下仍能保持稳定的数据传输，能够保证棉田远距离传输信息时更安全，提高了可靠性。针对目前国内研究现状，很少研究根据病害程度对农作物进行更加精确的变量喷药，同时适合我国小面积田间作物行中进行作业的变量喷药系统。所以有必要研究一种适合我国棉花耕地特点的，棉田农药变量喷施装置。受目前研究条件限制，我们未能实地研究测试小车的运行，未来还需进一步预测小车实地运行的状况，更深入完善本研究工作。

 

参考文献：

[1]Giles D K ,  Slaughter D C . PRECISION BAND SPRAYING WITH MACHINE-VISION GUIDANCE AND ADJUSTABLE YAW NOZZLES[J]. Transactions of the Asae, 1997, 40(1):29-36.

[2]Tellaeche A. A vision-based method for weeds identification through the Bayesian decision theory[J]. Pattern Recognition, 2008, 41(2):521-530.

[3]Astrand B, Baerveldt A J. A vision based row-following system for agricultural field machinery[J]. Mechatronics, 2005, 15(2): 251-269.

[4]H Asaei, A Jafari, M Loghavi.Development and evaluation of a targeted orchard sprayer using machine vision technology[J]. Journal of Agricultural  Machinery, 2016, (2):362-375.

[5]李志臣. 基于机器视觉的杂草对准喷药控制系统研究[D].南京农业大学,2007.

[6]杨锦. 基于LINUX的自动变量喷药系统设计[D].吉林大学,2009.

[7]张健钦,王秀,龚建华,薛绪掌.基于机器视觉技术的叶面积测量系统实现[J].自然科学进展,2004(11):97-102+131.

[8]饶洪辉,姬长英.基于机器视觉的成行作物精量喷洒系统研究[J].江西农业学报,2007(02):63-65.

[9]郭亭亭，杨然兵，李娟，等. 机器视觉喷药机器人的研发[J]. 中国农机化学报，2015，36(5):215-219.

基金项目：塔里木大学大学生创新创业训练计划项目“南疆棉田的农药变量喷施装置”（2023174）

作者简介：潘宇婷（2001—），女，研究方向为物联网控制、嵌入式系统应用。

⃰通信作者：李文雪（2000—），女，研究方向为农业物联网、计算机视觉。

 

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