周中瑞，谢景鑫，孙 霞，李 明,

（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000；2.湖南省农业装备研究所，湖南 长沙 410125；3.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；4.山东省蔬菜质量安全溯源工程技术研究中心，山东 淄博 255000）

在农业生产中使用农药是经济、快速防治病虫害的手段，但传统的施药方式存在浪费和低效等问题[1]。变量喷雾技术通过传感器获取作物表型数据以及病虫害情况来决策喷雾量，并通过变量喷雾系统实现按需施药，提高了农药的利用率，降低了农药的用量[2-3]。目前，PWM 变量喷雾技术比较常见，相关研究也较多，且效果不错。乔白羽等[4]研制了基于LIDAR 的变量施药系统，通过LIDAR 实时扫描甘蔗的株高，根据株高差异生成喷雾量处方图，并通过PWM 变量喷雾系统完成变量施药，与常规施药相比其施药量减少了28.5%。闫成功等[5]设计了葡萄园变量喷雾系统，利用双目相机探测葡萄冠层体积，根据冠层体积差异调节PWM 信号的占空比来改变喷头流量，与常量喷雾相比该系统能够节省55.27%的药量。李龙龙等[6]使用激光传感器扫描果树体积，根据扫描到的树冠大小实时调节风机转速和电磁阀的PWM 信号，从而实现变量喷雾。Salcedo 等[7]利用激光扫描传感器表征苹果树冠层大小和叶片密度，通过嵌入式计算机处理扫描结果，并控制PWM 喷雾系统完成施药，降低了90.3%的机载总漂移量与85.0%的地面损失，显著提高了农药利用率。

目前，关于PWM 变量喷雾的研究大多应用于植株间隔较为明显的果园，其变量喷雾系统中的电磁阀仅在出现目标作物时才实施喷药，对于马铃薯等在生长中后期植株间连续性较强的植物[8]，电磁阀则需长时间处于高频通断的状态。这种工作方式对电磁阀的性能要求较高，使用高性能的电磁阀会提高生产成本，且高频的开关也会降低电磁阀的使用寿命，影响PWM 变量喷雾的大面积推广[9-11]。基于此，笔者以马铃薯为试验对象，设计了一种间歇变量喷雾系统，以PLC 为核心控制器，通过其中的定时器功能实现对电磁阀的通断控制，固定电磁阀的关闭时间，通过控制电磁阀的开启时间来调节电磁阀的工作频率和喷头的喷雾量，并使电磁阀工作频率小于1 Hz。该研究可为马铃薯的植保作业提供一种低成本变量喷雾装备，为农业生产中类似作物的植保装备设计提供参考。

1 系统研制

1.1 结构设计

该喷雾机以遥控轮式底盘为移动载体，喷雾机整体结构如图1 所示，主要包括轮式底盘、间歇变量喷雾系统和喷雾控制系统。其中，间歇变量喷雾系统主要包括电磁阀（亚德客，2V025-08）、隔膜泵（普兰迪2201）、压力计（铭控，MD S260）、溢流阀（富羽，DN15）、空心锥雾喷头和储液箱等；喷雾控制系统主要包括PLC（三菱，Fx3U-32 m）和触摸屏（威纶通，TK6071iP）。电磁阀安装在喷头上方，通过电磁阀的开关控制喷雾的启停，将食用黑色素作为示踪剂与清水配制成试验试剂，储存在储液箱中，使用隔膜泵将试验试剂泵入喷雾管道中，压力计和溢流阀用于调节喷雾管道中的压力。触摸屏用于设定间歇变量喷雾参数，并通过PLC 产生电磁阀间歇通断的控制信号。

图1 间歇变量喷雾试验机总体结构图

1.2 控制系统设计

间歇变量喷雾控制系统硬件原理如图2 所示，间歇变量控制程序操作界面如图3 所示。通过触摸屏设定电磁阀的开启和关闭时间，经RS232 接口传输给PLC，PLC 按照设定的时间循环输出高低电平，控制电磁阀的通断。单次循环内电磁阀开启时间可根据实际喷雾量进行设定，计算公式如公式（1），经前期试验得知，喷雾压力为0.4 Mpa 时，电磁阀的关闭时间可设为0.4 s，开启时间设为1 s，此间隔在底盘运动速度为0.8 m/s 时能形成连续的喷雾带。

图2 间歇变量喷雾控制系统硬件原理图

图3 间歇变量喷雾控制系统界面图

式中：TK为电磁阀开启时间，单位为s；QS为作业过程中锥形喷头设定的流量，单位为mL/min。

2 试验验证

2.1 材料与方法

主要试验材料：遥控式间歇变量喷雾机、扫描仪（影源科技C200）、TXVK-4 空心锥雾喷头（美国TEEJET）、麦拉片[12]（3.0 cm × 8.0 cm）。

试验内容与方法：根据喷雾机常用作业速度，将轮式底盘运动速度设定为0.8 m/s，设置电磁阀的开启时间为1 s，关闭时间为0.4 s，对间歇变量喷雾系统在马铃薯冠层的雾滴沉积分布进行测定，分析雾滴在马铃薯冠层的沉积分布特性，并与常量喷雾进行对比，验证该间歇变量喷雾系统作业过程中雾滴分布的连续性。其中，间歇喷雾指电磁阀根据控制系统的信号循环通断；常量喷雾时电磁阀则处于常开状态。

基于喷雾机喷杆具有对称性，试验中仅布置单侧喷杆上的喷头，并选择最外侧喷头经过的区域作为布样区，降低由于底盘运动的气流对喷雾过程的干扰。如图4 所示，在布样区内放置14 株长势相近的现蕾期马铃薯，株距为30 cm，将每株马铃薯冠层分为上、中、下3 层，每层布置3 张麦拉片，使用黑色马克笔在叶片上标记麦拉片的位置，使后续麦拉片的布置能够与前一组试验保持一致。试验开始前，启动隔膜泵将测试液体泵入喷雾系统的管路中，并通过流经安全阀的回液管路将储液箱中的测试液体搅拌均匀。开启最外侧电磁阀，保持喷雾机静止使喷雾系统进行预喷雾，待压力计读数稳定后，启动喷雾机使其按照设定速度前进，对马铃薯冠层进行间歇喷雾，按照同样的方法，改变喷雾方式为常量喷雾，对马铃薯冠层进行喷雾。结束试验后，取下麦拉片按照布样位置编号并扫描，采用Image J 软件对得到的雾滴沉积图像进行分析，计算间歇喷雾与常量喷雾在马铃薯冠层不同高度处的雾滴沉积密度，分析间歇施药过程中雾滴在马铃薯冠层的沉积分布特性，与常量喷雾进行对比，对间歇变量喷雾系统的工作性能进行评价。

图4 室内试验方案

2.2 结果与分析

由图5 和表1 可知，雾滴沉积密度自上而下逐渐减少，间歇变量喷雾过程中雾滴在马铃薯冠层上、中、下三层的雾滴沉积密度分别为328.54、172.74、84.90滴/cm2，均大于GB/T 17997—2008 农药喷雾机[13]对于雾滴沉积密度不小于30 滴/cm2的要求。与常量喷雾相比，间歇变量喷雾对马铃薯冠层上、中层雾滴沉积密度分别减少56.23、10.51 滴/cm2，对马铃薯冠层下层雾滴沉积密度增加23.82 滴/cm2。从雾滴分布均匀性（变异系数）来看，间歇变量喷雾对马铃薯冠层上、中、下层雾滴沉积密度的变异系数分别为12.63%、34.83%、43.24%，其中，上、下层雾滴沉积密度的变异系数分别比常量喷雾的高3.45、7.21 个百分点，中层雾滴沉积密度的变异系数比常量喷雾的低4.86 个百分点。综上所述，该间歇变量喷雾系统能够满足马铃薯植保作业的要求，且能够获得与常量喷雾相近的作业效果。

图5 间歇喷雾与常量喷雾雾滴沉积密度分布

表 1 雾滴平均密度与变异系数

从表1 还可看出，2 种喷雾方式对马铃薯冠层中、下层雾滴沉积密度的变异系数均较大，表明雾滴在中、下层的分布均匀性较差。究其原因主要是由于马铃薯冠层内部结构复杂，叶片间的相互遮挡较为严重，仅依靠雾滴的自然沉降难以均匀的穿透马铃薯冠层，故而导致马铃薯冠层的中、下层雾滴分布均匀性较差。

3 结 论

针对PWM 变量喷雾系统经济成本高的问题，研制了一种低成本的间歇变量喷雾系统，以PLC 为控制器，控制普通电磁阀以小于1 Hz 的频率进行间歇喷雾，并以现蕾期马铃薯为试验对象，对间歇变量喷雾系统的作业性能进行试验验证。结果表明：间歇变量喷雾系统在实际作业过程中能够形成连续完整的喷雾带，雾滴在马铃薯冠层上、中、下层的平均沉积密度分别为328.54、172.74、84.90 滴/cm2，其在马铃薯冠层上层、中层、下层的雾滴分布均匀性（变异系数）与常量喷雾分别相差3.45、-4.86、7.21 个百分点；说明该间歇变量喷雾系统能够满足实际作业需求，且能达到与常量喷雾相近的喷雾效果。该研究可为农业植保提供一种低成本的喷雾装备。

研发的间歇变量喷雾系统作业时，雾滴在马铃薯冠层叶片上的沉积密度均高于农药喷雾机田间操作规程及喷洒质量评定对作物病虫害防治的要求，表明该喷雾系统可以完成针对低矮作物生长中后期的施药作业。但该系统在株距较为明显的作物上的系统性能与适用性需进一步验证。同时，试验过程中发现，该设备在马铃薯冠层中下层的沉积均匀性较差，后续研究应与风送式喷雾方法进行结合，探究雾滴分布均匀性的变化。