果园自动喷药控制系统现状与研究分析

丁锐

摘要：我国是粮油、果菜种植大国，然而病虫害的发生会造成我们极大的损失，而目前有效方式之一就是农药喷洒，本文通过分析果园农药喷洒技术、信息检测系统及喷药机械装置的国内外研究现状，然后提出结合我国国情的方案和技术路线。

关键词：喷药系统；红外扫描；精准定位；非连续；控制器

虽然农药的喷洒减轻了果品的病虫害灾害，然而，目前我国存在问题是农药喷洒的机械化水平不高，精准率低，药液装置简陋，利用率仅仅为10%-30%，这与国际IE标准相差甚远，仅是国际20世纪80年代初的农药利用率标准，这种农药喷洒模式很大程度上造成了人力的浪费和果品的减产。因此，提高农药的利用率和精准率和机械化水平是亟待解决的问题。

1.国内外研究现状

目前，美国、丹麦等国家的农药喷施手段较为先进，国内外果园喷药技术的发展趋势将日益改善，实现自动化程度高、精准度高、效率高的喷药方案。

1.1果园喷药技术研究现状

20世纪80年代末，果园风幕式喷药技术开始在欧洲地区兴起，风幕式喷药是通过鼓风。90年代初，该喷药技术已经被广泛应用于中外果园中。到了21世纪，喷药技术的研究重点转变为如何实现低量和变量喷药，喷药技术也日益增多。国内外主要的喷药技术如下：

1.1.1 红外扫描果园喷药技术的研究现状

20世纪690年代初，红外技术因其没有破坏性，可实现无损探测，成本較低，探测结果精准，用时较短，受到了企业和各专家学者的青睐，并被迅速应用于工业生产、农作物栽培、医疗器械上。

美国应用红外扫描技术较早。1981年，美国通过研制出红外光电式喷雾机，该喷雾剂改变了传统连续喷雾的缺陷，实现了间歇式不连续喷雾，并且减少了农药的使用，将农药利用率提高了24%-51%。1990年，红外扫描喷药技术经过改进，被应用于除草喷药。

日本在1994年采用光电探测技术，研制出一款用于果园自动喷雾的自走式喷雾机，该机器识别果园中果树位置进行喷药操作。

我国国内各学者在果园喷药技术上采用红外扫描技术的也很多。如中国农业大学的何雄奎进行了果园对靶探测的研制，实验中通过采用静电探测技术，将红外光进行准确分段，实现了对果树形态的精准判断，从而进行喷雾动作。

1.1.2超声波果园喷药技术的研究现状

超声波传感技术在果园喷药系统中的应用兴起于上世纪80年代初，通过超声波的发射和接收之间的时间差进行超声波探测，实现果园果树的喷药。国内外采用超声波技术在喷雾上取得了一定的进展。

美国采用超声技术研制出一款适合果园的智能喷药系统，超声波传感器通过控制系统实现探测，在喷雾探头处采用IE标进行大小和形态的处理。该系统可安装在行走的喷雾机上，通过一定的速度控制探测树木具体位置，保证了药物的准确喷洒，减轻了农药的浪费，提高利用率，通过实验表明，该设备节省农药率为50%。

国内，华南农业大学的学者王贵恩研制了采用超声传感技术开发的针对果树外形检测的控制系统。系统主要包括超声波传感器、电磁阀、控制器、电机等，实验依据超声波探头检测出的设备距离树木的距离，给控制器传输一个信号，该信号控制电磁阀的开启或闭合[1]。

1.1.3 图像传感果园喷药技术的研究现状

将图像传感器安装在喷药机械装置上，通过机器视觉技术分析果园树木图形和颜色，针对有树木的位置和病害部位进行专门的喷药操作。

国外学者Giles D.K通过机器视觉技术作为系统的探测技术，通过调节喷头的位置和方向进行识别，利用该技术，实现了对杂草覆盖率的检测，喷药的效率提升40%[2]。

我国南京林业大学的赵茂程采用图像传感技术实现了林业农药的喷洒，试验中，选择性使用部分喷头，避免了所有喷头同时工作造成的机械损坏和农药浪费。

以上三种方法均被应用于果园农药喷洒中，然而，超声波传感喷药系统存在波束发散、超声波仪器价格较为昂贵的缺陷，波束发散的缺陷会导致超声波传感器检测果树距离时，定位精度不高的问题，不能做到精准的农药喷洒过程；图像传感技术在果园喷药系统中的应用虽然广泛，但是存在图像获取信息量大，处理数据量大的问题，这些问题会导致控制器发出的信号出现延时情况，也不能很好地进行果园农药的精准喷洒。

1.2果园喷药信息检测系统研究现状

果园喷药信息检测系统是实现果树有无，果树间距测量的重要装置。

国内外学者对果园喷药信息检测系统的研究和设计也十分广泛，该系统的检测装置通常采用不同型号的传感器作为核心部件，该系统的优良是整个喷药控制系统的关键因素。

目前被广泛应用于果园喷药信息检测系统的技术有：GIS、GPS、机器视觉技术等，这些技术的迅速发展也为喷药信息检测系统提供了有力的技术支持。

我国学者马景宇于2006年通过GIS技术实现了喷药控制系统的研制，首先需要对果树的位置、病害类别和程度进行采样，然后通过GPS作业所获取的机器位置，传入到GIS 系统，进而控制是否进行喷药操作或和喷药量。然而，这些技术的应用对作物的高度和复杂程度有一定的限制，且操作复杂，不是高效的检测方式[3]。

总之，在果园自动喷药的检测信息系统方面，我国的机械化控制水平还有待进一步提高，机械化的更为精准和实时的信息检测系统有待开发和提高。

1.3果园喷药机械装置研究现状

常用的果园喷药机械装置类型有：压缩式喷雾器、背负式喷雾器、踏板式喷雾器。这三种机械装置是目前我国果园喷药装置中覆盖面积最为广泛的机械装置，使用率达到80%。另外，动力机器测曾经也被广泛使用与果园喷药的机械装置中，该机型适用于面积很大的果园，且设备价格较高。

20世纪末期，欧美国家通过各类传感器的使用，实现了对果树距离、高度、形态等的自动化检测，提高了农药的利用率，减轻了土壤和环境的污染，自动化程度较高。

日本于20世纪90年代初研制出一款感应电缆式果树喷药机器人。在果园中进行感应电缆的铺设，依靠果树喷药机器人与电缆间的的电磁感应，控制机器人的行进方向。该机器人实现了独立智能化操作，无需果农深入果园跟随作业，在实现智能化喷药的基础上，也避免了人力的浪费和农药对人体的危害。

在我国，一种车载式果园喷药机逐渐受到果农的青睐，其方便在果园中行进，节省人力，同时劳动强度较低，体积适中。使用中，只需将车停在地头，发动机保持工作状态，将扭矩经由皮带送至液泵，通过液泵将药液抽送至高压喷枪，喷枪通过人工操作，进行农药喷洒。这种车载式果园喷药机应用广泛，然而人工消耗较大，自动化程度低，智能化水平不高。另外，直升机在大面积的果园中也有应用，但该技术还未普及，一些技术仍然有待开发和研制。

总之，机电一体化、自动化、智能化是果园喷药系统机械装置的进一步发展趋势。

2.结论

本人建议采用红外扫描传感器，精准定位果树位置，解决传统淋洗式覆盖连续喷药喷洒到果树间隙造成药液的浪费和对果园生态环境的污染的问题，该方案适用于非连续种植的果园专门的喷药机械装置，做到精准喷洒农药。本人提出如下技术路线，研究对红外扫描检测系统、药液回路系统、控制器硬件电路进行设计，同时进行软件的设计和调试，选用红外扫描技术进行果园的喷药系统的设计，是精准高效的喷洒方式。

参考文献：

[1]兰羽.基于红外传感器ST188的自动循迹小车设计[J].电子设计工程，2013，03：64-66.

[2]高照全，陈丽，戴雷.物理机械防治技术在有机果园中的应用[J].果农之友，2013，12：35-36.

[3]郝亚冲，程武山.大跨距高精度光电开关测量系统研究[J].光通信技术，2013，12：21-24.