设施蔬菜臭氧植保机设计与试验

王志彬 乔晓军 刘 智 王 莹 李玉风

(1.北京农业信息技术研究中心，北京 100097；2.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097)

0 引言

随着设施蔬菜产业的发展，蔬菜受病虫害的影响日趋严重[1-2]。目前，对设施蔬菜病虫害的防治主要依赖于化学农药。各种化学农药的大量使用，一方面使病虫产生抗药性，导致防治更加困难，另一方面造成严重的环境污染和农药残留，直接影响蔬菜的品质。因此，研究设施蔬菜病虫害绿色防控技术、减少化学农药施用量，对确保蔬菜产量和质量具有十分重要的社会意义和经济价值[3]。

臭氧(O3)具有很强的氧化性，不仅能够快速、高效、广谱杀菌，而且安全无毒，作为一种光谱性杀菌剂，臭氧具有很好的杀菌效果[4-11]。近年来，利用臭氧气体防治作物病虫害的研究受到国内外学者的广泛关注，取得了初步成效[12-15]。文献[16-17]试验表明，使用臭氧气体熏蒸土壤能够有效杀灭线虫。张娜等[18]研究表明，不同浓度的臭氧熏蒸处理均可以显著抑制树莓的微生物繁殖(P<0.05)。张治家等[19]利用160 mg/m3的臭氧气体处理30 min后，番茄和黄瓜种子表面微生物的抑制率达到最大值，分别为97.4%和99.5%。高文瑞等[20]研究发现，增施臭氧能显著降低大棚内番茄和辣椒的田间病害发生率，同时能促进产量的提高。范鑫等[21]对臭氧技术及臭氧植保机械在农业领域的应用现状进行了梳理，指出臭氧植保机械成本高、臭氧浓度不易控制等因素制约了臭氧技术在农业领域的大规模应用。

针对现有臭氧植保机械便携性差、系统落后、价格昂贵且功能单一等问题，本文结合设施蔬菜病虫害防治特点，设计一款设施蔬菜多功能植保机，并配套研发信息管理系统，以期为设施蔬菜病虫害的绿色防控提供新的设备与技术。

1 总体功能结构

设施蔬菜多功能植保机的设计主要包括多功能植保机硬件的设计和与其配套的信息管理系统的设计。设备总体功能结构如图1所示。

在实际应用中，多功能植保机主要悬挂安装在设施温室的顶部，通过无线传输网络实现与信息管理系统的通信。信息管理系统包括Web端信息管理系统和APP端信息管理系统。Web端信息管理系统主要负责与数据中心的信息交互，实现植保数据的智能管理；APP端信息管理系统主要负责设备的远程控制、售后服务、数据查询等，实现硬件设备的智能管理。

2 硬件设计

多功能植保机具有杀菌、除虫、辅助加热、环境数据采集等功能，主要由臭氧发生器、风机、诱虫灯、气流导向板、传感器、控制装置等组成。设备宽度为800 mm，高度为318 mm，额定电压为220 V，额定功率为290 W。设备结构如图2所示。

2.1 工作原理

多功能植保机属于高压放电式臭氧发生器，利用一定频率的高压电流制造高压电晕电场，使电场内或电场周围的氧分子发生电化学反应制造臭氧，通过配备的风机及气流导向板将其扩散至设施整个空间。

在病害防治方面，当臭氧达到一定浓度时，会氧化分解细菌和真菌的细胞壁，使其代谢和繁殖遭到破坏，达到杀灭病菌的目的[21]。在虫害防治方面，根据害虫发育不同时期的特点，分别采用物理和化学方法除虫：在害虫的卵和幼虫时期，当臭氧达到一定浓度时，其强氧化性会氧化害虫的细胞膜，导致细胞死亡，从而有效杀灭害虫的卵和幼虫；在害虫的成虫时期，利用害虫的趋光性，设备底部的黄、蓝色诱虫灯吸引害虫飞近后，高速旋转的风机产生的吸力会把害虫吸入设备内杀灭。

2.2 结构与功能

设备配有臭氧发生、电路控制、高速风机、诱虫灯、环境数据采集等功能模块。

2.2.1臭氧发生模块

臭氧发生模块是该设备的核心组件，包括臭氧电源、臭氧电极、高压包等。臭氧电源负责输出高压直流电。臭氧电极基于沿面放电原理在高频电压作用下电离氧气产生臭氧。控制装置在臭氧释放方面采用了更为周全的设计，采用持续断续性臭氧释放，同时控制风机连续送风，增加臭氧与空气混合程度。研发的臭氧发生器外形尺寸为610 mm×460 mm×320 mm，并联安装2个高压放电管，臭氧产量10 g/h，出风口处臭氧质量浓度4.3～10.7 mg/m3。

2.2.2电路控制模块

电路控制模块由传感器接口、ARM微处理器、执行设备接口和通信模块组成。控制系统通过传感器接口把设施环境参数，例如温度、湿度、光照强度以及CO2浓度等转换为电压或电流信号传送给ARM微处理器进行处理，根据处理结果控制相应的执行设备。控制电路板以及电路原理如图3、4所示。

ARM微处理器是整个电路控制系统的核心，先将传感器送来的模拟信号进行A/D转换，然后把转换得到的数字信号写入缓存。同时，将采集到的环境参数值和预设值进行比较，检验是否在预设范围内。若超出预设范围，则控制执行设备工作。执行机构通过ARM微处理器的控制，实现对设施内臭氧浓度的动态调节。ARM微处理器采用意法半导体公司生产的STM32系列32位高性能微处理器STM32F103VCT6，该微处理器工作频率为72 MHz，内置高达256 KB的Flash存储器和48 KB的静态随机存储器，具有丰富的增强I/O端口。

STM32F103VCT6微处理器可通过I2C标准协议与BH1750FVI型光照强度传感器、SHT30型温湿度传感器等模块进行通信，实时监测设施内的温湿度、光照强度等数据，并通过无线通信模块将监测到的数据自动上传至服务平台。此外，该电路还预留多个传感器接口，可扩展监测CO2浓度(MG811电化学式CO2传感器)、氨气浓度(MQ-135金属半导体式氨气传感器)等温室环境数据。

无线通信模块可根据数据传输距离配备GPRS、WiFi、蓝牙等通信模块，实现数据的实时传输。在数据长距离传输时，STM32F103VCT6微处理器可通过串口与Air720模块连接，将数据通过Air720模块发送到云服务器端，实现嵌入式网关和云服务器之间的通信，其中Air720模块能够向下兼容现存的GSM/GPRS网络，以确保在缺乏3G和4G网络的偏远地区也能工作。在数据短距离传输时，STM32F103VCT6微处理器可通过串口与ESP8266模块连接组建WiFi通信网络，将数据通过ESP8266模块发送至绑定的无线路由器上，实现数据的传输；STM32F103VCT6微处理器还可通过串口与ATK-BLE01蓝牙模块连接，实现数据的近距离实时传输。

执行设备主要包括臭氧发生模块、高速风机模块、辅助加热模块、诱虫灯等。上位机通过无线通信模块与STM32F103VCT6微处理器相联，工作人员可通过上位机实现对整个设备的控制。此外，根据作物设施生长环境的不同，工作人员可通过上位机对设备环境参数进行预设，以满足不同作物不同生长期内杀菌除虫时对臭氧浓度的要求。

2.2.3高速风机模块

多功能植保机配备中，风机最大静压550 Pa、最大风量1 350 m3/h；植保机外侧的风向调节板可根据温室空间类型调节方向风量，其结构示意图如图5所示。

2.2.4诱虫灯模块

设备底部配有黄、蓝色诱虫灯，可利用黄、蓝色光源将害虫吸引至设备附近，然后利用风机产生的吸力将害虫吸入设备内杀灭。诱虫灯运行状态如图6所示。

3 信息管理系统

多功能植保机信息管理系统以TCP/IP协议为网络基础，基于J2EE、HTTP、Android等软件开发技术，按照感知层、网络层、应用层的物联网体系架构[22]进行建设，系统技术架构如图7所示。

感知层以多功能植保机为硬件平台，集成光照强度传感器、温湿度传感器、CO2浓度传感器等，实时采集与监测温室内的环境数据。网络层主要采用GPRS、WiFi、蓝牙等无线通信技术，MQTT网络协议以及QoS等技术，实现温室环境数据的传输与同步、上位机控制指令的识别与转发等操作。应用层主要分为服务支撑层和应用UI接口。在该系统中，服务支撑层以各类应用服务器为基础，主要负责对采集的数据进行解析、转换、汇集、分析，以及用户应用的适配和事件触发等。其中，数据库采用Java + tomcat + MySQL软件架构模式，植保信息采用二维结构数据表和关联数据表进行数据存储，采用JDBC连接池、MyBatis中间件等技术实现对数据的高效查询。上位机通过Socket与服务器建立长连接，实现指令的转发。应用UI接口包括应用管理系统的Web管理端和APP客户端。Web管理端采用B/S(Brower/Server)工作模式，管理人员通过Web管理端可以实现植保机用户信息和设备应用信息的管理，具体包括：用户的个人信息、设备匹配信息、设备使用信息等，设备的注册信息、运行信息、维修记录、报警记录以及温室环境数据等。设备报警信息通过短信形式实时发送到用户的手机，以便用户对温室内设备运行状态进行远程监测。APP客户端具有植保机用户注册、设备绑定、设备维修、工作模式设定、数据实时查询与可视化显示等功能。用户通过该APP软件可以远程控制设备风机风速的调整、臭氧浓度的调节、诱虫灯的开启等，也可实时查询温室内温度、湿度、光照强度、天气状况、设备运行状态等信息。系统工作流程如图8所示。

4 试验

为验证多功能植保机对设施蔬菜病虫害的防治效果，在全国不同省市进行了多组不同作物的病虫害防治试验。本文以与山东省植物保护总站合作开展的温室黄瓜病虫害防治试验为例，介绍多功能植保机在温室中的应用效果。

4.1 试验设计

以黄瓜白粉病、烟粉虱为试验对象，在山东省济南市长清区恒源农业生态园开展了温室蔬菜病虫害防治试验。试验中，随机选择3个温室(每个温室面积为667 m2)作为对照组，每个温室同时定植全雌油量王品种黄瓜。3个对照组具体设置如下：对照组1，空白对照(CK)，即对温室内黄瓜不作任何病虫害防治处理；对照组2，对温室内黄瓜采用多功能植保机防治病虫害处理；对照组3，对温室内黄瓜采用化学农药防治病虫害处理(喷洒25%嘧菌酯1 500倍液防治黄瓜白粉病；喷洒12%乙基多杀菌素2 000倍液防治黄瓜烟粉虱)。3个对照组其它水肥、前茬作物、日常管理措施等均相同。

试验从黄瓜定植后一周开始，分别在苗期、初果期、盛果期内各取样一次，共3次。

4.2 试验方法

黄瓜白粉病调查时，在每个小区采用对角线五点调查法，分别在黄瓜苗期、初果期和盛果期内每个调查点取样12株，共计60株，每株调查全部叶片，记录调查总叶片数、发病叶片数以及每个叶片的病情级别。黄瓜白粉病病情分级标准为：0级，无症状；1级，病斑面积占整个叶片面积的5%以下；3级，病斑面积占整个叶片面积的5%～25%；5级，病斑面积占整个叶片面积的26%～50%；7级，病斑面积占整个叶片面积的51%～75%；9级，病斑面积占整个叶片面积的75%以上。发病率和病情指数计算公式为

(1)

(2)

式中I——发病率，%

D——发病叶数

N——调查总叶数

DI——病情指数

s——各病情级别代表数值

n——各病情级别病叶数

S——最高病情级别代表数值

黄瓜烟粉虱调查时，在每个小区采用对角线五点调查法，分别在黄瓜苗期、初果期和盛果期内每个调查点取样6株，共计30株，每株调查全部叶片，记录每株烟粉虱成虫的数量。计算公式为

(3)

式中P——防治效果，%

M——空白对照区烟粉虱成虫数

T——处理区烟粉虱成虫数

4.3 结果与分析

在3个对照温室内，不同方法防治黄瓜白粉病效果如表1所示。

表1 不同方法防治黄瓜白粉病效果

表1表明：在黄瓜苗期，对照组2、对照组3与CK相比，白粉病病情指数和发病率差异不显著；在黄瓜初果期和盛果期，对照组2、对照组3与CK相比，使用多功能植保机、喷洒25%嘧菌酯1 500倍液均对白粉病的防治具有明显的效果；在黄瓜全生长期，对照组2与对照组3相比，使用多功能植保机比喷洒25%嘧菌酯1 500倍液对白粉病的防治效果更好，白粉病的病情指数降低了1.5。多功能植保机在防治白粉病时，可以根据需要随时产生臭氧气体，氧化分解单丝白粉菌Sphaerothecafuliginra(Schlecht)Poll., 使其代谢和繁殖遭到破坏，从而达到杀灭病菌的目的。施用化学农药防治白粉病时，需要根据白粉病的病情人工喷洒化学农药，防治效果取决于农药使用的剂量、喷洒周期、农药品种等因素。因此，利用多功能植保机防治黄瓜白粉病比施用化学农药防治更及时，防治效果更好。

在3个对照温室内，不同方法防治黄瓜烟粉虱效果如表2所示。

表2 不同方法防治黄瓜烟粉虱效果

表2表明：对照组2、对照组3与CK相比，在黄瓜初果期和盛果期，使用多功能植保机和12%乙基多杀菌素2 000倍液均能有效防治烟粉虱，而且均显著高于CK；在黄瓜全生长期，对照组2与对照组3相比，使用多功能植保机比喷洒12%乙基多杀菌素2 000倍液对烟粉虱的防治效果降低了8.2个百分点，防治效果不如施用化学农药。多功能植保机防治烟粉虱主要利用成虫的趋光性，吸引其至设备底部，然后利用风机产生的风力将其吸入设备内杀灭。因此，该方法只能杀灭部分烟粉虱成虫，防治效果不如施用化学农药明显。

多功能植保机对温室内黄瓜白粉病和烟粉虱均具有较好的防治效果，与施用化学农药的防治方法相比，具有如下优点：①防治过程未施用化学农药，避免了化学农药施用产生的农药残留、环境污染、病虫抗药性等问题。②多功能植保机可根据防治需要随时工作，而化学农药的施用需要考虑农药使用剂量、喷洒周期、农药品种等因素，例如防治白粉病和烟粉虱分别施用了不同的化学农药以及剂量。③多功能植保机可以在设施内长期重复使用(设备使用寿命为10 a以上)，可有效降低农药购买、人工施药等生产投入成本。

4.4 设备应用

目前，多功能植保机已在北京市房山区国家现代农业产业园、北京兴农鼎力种植专业合作社、北京老宋瓜王科技发展有限公司、赤峰市立志农庄设施农业示范园等多个省市自治区的农业单位推广应用，覆盖黄瓜、番茄、豇豆、芹菜、西瓜等多种作物，取得了初步成效，例如，在辽宁省朝阳市公营子镇的温室泰国无筋豆病虫害防治试验中，使用多功能植保机能将灰霉病的发病率控制在9.2%；在山西省太原市小店区的温室皇后芹菜病虫害防治试验中，使用多功能植保机能将叶斑病、灰霉病的病株率控制在3.0%以下，蚜虫和美洲斑潜蝇的虫株率控制在2.8%以下；在内蒙古赤峰市宁城县的温室银月亮番茄病虫害防治试验中，使用多功能植保机能将番茄晚疫病的发病率控制在4.4%，白粉虱的发病率控制在7.2%。设备实际应用场景如图9所示。

利用多功能植保机信息管理系统可以实现设备的远程控制和植保数据的智能管理，满足了设备大规模应用的管理需求。系统运行结果如图10所示。

5 结论

(1)根据设施蔬菜病虫害绿色防控需求，设计了一款设施蔬菜多功能植保机，该机主要包括臭氧发生、电路控制、高速风机、诱虫灯、环境数据采集等功能模块。

(2)配套设计了多功能植保机信息管理系统，该系统可实现多功能植保机的远程控制和植保数据的智能管理。

(3)温室黄瓜病虫害防治试验表明，使用多功能植保机对温室黄瓜白粉病和烟粉虱均有较好的防治效果。该多功能植保机在对温室黄瓜白粉病和烟粉虱的防治过程中未施用化学农药，从而避免了化学农药施用产生的农药残留、环境污染、病虫抗药性等问题。