温室智能装备系列之三十五
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随着设施农业的快速发展，食品安全日益得到重视，农药精量投入变成一个迫切需要解决的问题，施药逐渐受到人们的关注。作为一种新型施药手段，植物注入式施药技术是一种依靠特定注射器将药物直接注入到植物体“病灶”或利用植物内部循环可快速扩散到植物体各部分，实现快速防治病虫害的方法。因为见效快，目标明确，对于植物病虫害防治具有非常好的效果。蒋建科(2001年)针对西北农业大学的无公害农药研究介绍了一种给槐树根部直接注射低浓度药液，快速杀灭害虫的装置，效果非常明显。该装置采用根部钻孔，将特定施药装置插入孔中药液自动缓慢释放，依靠树木自流作用扩散树木全身。土壤注入式施药是将液体直接输送进植物根部附近土壤里。原理是利用喷雾器的压力，将针头和针杆的前部直接插入作物根系附近的土壤中，能充分发挥农药的药效，且不烧根，土壤不板结，提高工作效率。直接将药液注入土壤中，可以避免药液在空气中悬浮和漂移，满足设施农业低浓度、不增加湿度的施药要求，针对设施农业具有较好的应用前景。
注入式施药由于可以直接到达植物根部土壤的深层，具有吸收快，对靶性强，污染少的特点。但技术较为复杂，使用过程中受到使用人员技术水平和使用地具体环境的相关限制。因此，在我国设施农业生产分散经营，技术人员水平普遍不高的前提下，使用设施用注入式精准变量喷药装置具有易于推广普及，和实际应用密切结合的特点。因此开发熟化的设施用注入式精准变量喷药装置配套压力自动反馈稳定的喷药加压专用泵和压力调节装置，具有很好的效果。
本文介绍了一种基于单片机自动控制的设施农业用的注入式变量施药装置，该装置主要的技术难点是解决精量和变量的问题。同时针对设施农业环境开发了一种设施专用的精准控制农药喷洒控制系统。为了达到注药量精准控制的目的，采用了单片机与L298电机驱动芯片控制技术相结合的方法，通过大量的试验表明，利用此控制系统，可以达到农药的定量精准注入，减少环境污染，减少农业生产中的资金投入。
原理
精准定量控制系统包括单片机、控制电路、液晶、键盘(4×4矩阵)、输入输出接口、防水外壳等几部分。工作控制原理如下：系统开机初始化后，自动检测键盘，用户手动选择大流量喷洒和小流量喷洒档位。首先进行系统误差因数校正，输入需要校核的时间，单片机自动启动施药装置开始工作，收集喷头的施药量，通过键盘将收集测量的校核药量数值输入单片机，单片机自动完成系统误差校核。误差校核后，系统即进入工作状态，根据自己的需要，输入单次注射施药用量，通过单片机对其数据进行运算，控制电机的开启时间，进而达到对农药喷洒流量的控制。每次只需按下注射按钮，即可完成精准定量注射。需要变量施药，只需修改注药量数值即可，其余计算和控制均由单片机自动控制完成。电源的管理是利用AD转化芯片对电压实时采集，一旦在工作中蓄电池电压低于设定的运行电压时，系统会报警，为了确保精度不受到影响，电压过低系统会自动休眠。控制系统原理图如图1所示，该装置单片机采用ATMEL公司的AT89C52单片机处理芯片，电机驱动模块采用电机控制专有芯片L298，L298是双H桥高压大电流功率集成电路(图2)。数据采集模块采用MAX197AD转换芯片可以实时的转换电平的电压量，进而有效的保证直流电机的电压值不低于我们设定的电机工作电压。
软件的设计从实际应用出发，技术上优先考虑操作的便捷性和界面的友好性，主要是利用德国KEIL公司推出的51系列单片机集成开发工具进行C语言开发。
随着设施农业的快速发展，食品安全日益得到重视，农药精量投入变成一个迫切需要解决的问题，施药逐渐受到人们的关注。作为一种新型施药手段，植物注入式施药技术是一种依靠特定注射器将药物直接注入到植物体“病灶”或利用植物内部循环可快速扩散到植物体各部分，实现快速防治病虫害的方法。因为见效快，目标明确，对于植物病虫害防治具有非常好的效果。蒋建科(2001年)针对西北农业大学的无公害农药研究介绍了一种给槐树根部直接注射低浓度药液，快速杀灭害虫的装置，效果非常明显。该装置采用根部钻孔，将特定施药装置插入孔中药液自动缓慢释放，依靠树木自流作用扩散树木全身。土壤注入式施药是将液体直接输送进植物根部附近土壤里。原理是利用喷雾器的压力，将针头和针杆的前部直接插入作物根系附近的土壤中，能充分发挥农药的药效，且不烧根，土壤不板结，提高工作效率。直接将药液注入土壤中，可以避免药液在空气中悬浮和漂移，满足设施农业低浓度、不增加湿度的施药要求，针对设施农业具有较好的应用前景。
注入式施药由于可以直接到达植物根部土壤的深层，具有吸收快，对靶性强，污染少的特点。但技术较为复杂，使用过程中受到使用人员技术水平和使用地具体环境的相关限制。因此，在我国设施农业生产分散经营，技术人员水平普遍不高的前提下，使用设施用注入式精准变量喷药装置具有易于推广普及，和实际应用密切结合的特点。因此开发熟化的设施用注入式精准变量喷药装置配套压力自动反馈稳定的喷药加压专用泵和压力调节装置，具有很好的效果。
本文介绍了一种基于单片机自动控制的设施农业用的注入式变量施药装置，该装置主要的技术难点是解决精量和变量的问题。同时针对设施农业环境开发了一种设施专用的精准控制农药喷洒控制系统。为了达到注药量精准控制的目的，采用了单片机与L298电机驱动芯片控制技术相结合的方法，通过大量的试验表明，利用此控制系统，可以达到农药的定量精准注入，减少环境污染，减少农业生产中的资金投入。
原理
精准定量控制系统包括单片机、控制电路、液晶、键盘(4×4矩阵)、输入输出接口、防水外壳等几部分。工作控制原理如下：系统开机初始化后，自动检测键盘，用户手动选择大流量喷洒和小流量喷洒档位。首先进行系统误差因数校正，输入需要校核的时间，单片机自动启动施药装置开始工作，收集喷头的施药量，通过键盘将收集测量的校核药量数值输入单片机，单片机自动完成系统误差校核。误差校核后，系统即进入工作状态，根据自己的需要，输入单次注射施药用量，通过单片机对其数据进行运算，控制电机的开启时间，进而达到对农药喷洒流量的控制。每次只需按下注射按钮，即可完成精准定量注射。需要变量施药，只需修改注药量数值即可，其余计算和控制均由单片机自动控制完成。电源的管理是利用AD转化芯片对电压实时采集，一旦在工作中蓄电池电压低于设定的运行电压时，系统会报警，为了确保精度不受到影响，电压过低系统会自动休眠。控制系统原理图如图1所示，该装置单片机采用ATMEL公司的AT89C52单片机处理芯片，电机驱动模块采用电机控制专有芯片L298，L298是双H桥高压大电流功率集成电路(图2)。数据采集模块采用MAX197AD转换芯片可以实时的转换电平的电压量，进而有效的保证直流电机的电压值不低于我们设定的电机工作电压。
软件的设计从实际应用出发，技术上优先考虑操作的便捷性和界面的友好性，主要是利用德国KEIL公司推出的51系列单片机集成开发工具进行C语言开发。
应用
针对京郊温室需求开发的背负注入式变量施药系统，可单人操作完成设施土壤注药作业，具有工作效率高，作业灵活的特点。背负式注入式变量施药系统平台，集成了注药量精量控制技术、土壤注入技术，采用内置电池驱动加压泵的方式，压力自动检测控制，能根据工作中压力系统的压力变化自动加压，保持稳定的压力。工作中采用间歇方式，可以通过注射喷枪的手柄开关的开关实现灵活的间歇工作。设备本身的重量为6kg，装满药液为22kg，配备12V／8AH蓄电池为系统加压提供动力。该喷药机可有效地提高了喷雾作业的生产效率和化学农药的利用效率。图3为样机实物图。
设施注入式喷药机可以背负在温室中快速移动。精量控制器(图4)安装在背负喷药机的下方底座上，在药桶下方，结构比较紧凑。方便使用。喷药设定好后，每次注射头插入到一个作物根部，只需要将固定在喷枪把手旁的喷药触发器按下(图5)，即可完成一次定量喷药。
注入器和喷药机的连接采用铜制快速接头连接(图6)，可以使得喷枪易于拆卸携带，同时可以在作业时，可以自由转动药管，避免因为药管缠绕引起操作不方便。
土壤注入枪有两个出药孔，可同时将药液注入到植物根部的两侧，通过土壤渗透作用，环绕在植物根部，更好的起到药液扩散的要求(图7)。根部设有药液第三层过滤器，防止土壤由于药液冲蚀倒流进入喷枪堵塞出药口。喷枪采用3／8铜制快速接头，喷枪可以快速连接在喷药机上。设置了外置的触发式脉冲出发器开关，每次注入时，喷枪上轻按触发开关，即可完成药量精准注入。
按照系统软件的设计流程，进行试验设计，通过系统的压力自动恒定调节，分别在三种不同恒定压力条件下，测试施药量的控制精度。在小汤山国家精准农业试验基地的目光温室中对样机进行了试验，对比试验检验样机的作业效果和性能。
系统单次施药量分别为200mL、400mL、800mL、2000mL、3000mL、4000mL时，在自动恒定压力0.14 MPa时，药量控制误差分别是0.3％、3.5％、3.7％、0.7％、1.7％、0.4％：当自动恒定压力增大50％(0.2 M Pa)，系统精准定量控制的误差分别为8.8％、9.5％、7.7％、7.1％、6.6％、8％；当自动恒定压力增大一倍(0.28 MPa)，系统精准定量控制的误差分别为9.8％、10％、9.7％、9.2％、12.3％、10.9％。
我们通过对试验数据的分析根据一元线性回归模型的统计检验，已知有一组样本观测值(Ti，Y)其中i=1，2，3…n，得到如下样本回归直线。
根据上面的试验数据可以得到低速模式下a=0.88，b=0.24；中速模式下a=2.87，b=22.24：高速模式下a=3.14，b=25.02；该值可代入控制算法中用来修正软件。
结论
经过完善的设施农业用注入式变量施药装置，经过了北京市农业机械试验鉴定推广站的温室现场检验，能够满足最大深度20cm的土壤注入施药。实际推广中该设施用注入式精准变量喷药装置配套免维护蓄电池，很好的实现了农药的精准化注入，实际作业在单次注药100mL作业时，系统作业误差在1.8％之内，作业效率3个温室(1.5亩≈0.1公顷)／h以上，能够满足实际的生产需要。
应用
针对京郊温室需求开发的背负注入式变量施药系统，可单人操作完成设施土壤注药作业，具有工作效率高，作业灵活的特点。背负式注入式变量施药系统平台，集成了注药量精量控制技术、土壤注入技术，采用内置电池驱动加压泵的方式，压力自动检测控制，能根据工作中压力系统的压力变化自动加压，保持稳定的压力。工作中采用间歇方式，可以通过注射喷枪的手柄开关的开关实现灵活的间歇工作。设备本身的重量为6kg，装满药液为22kg，配备12V／8AH蓄电池为系统加压提供动力。该喷药机可有效地提高了喷雾作业的生产效率和化学农药的利用效率。图3为样机实物图。
设施注入式喷药机可以背负在温室中快速移动。精量控制器(图4)安装在背负喷药机的下方底座上，在药桶下方，结构比较紧凑。方便使用。喷药设定好后，每次注射头插入到一个作物根部，只需要将固定在喷枪把手旁的喷药触发器按下(图5)，即可完成一次定量喷药。
注入器和喷药机的连接采用铜制快速接头连接(图6)，可以使得喷枪易于拆卸携带，同时可以在作业时，可以自由转动药管，避免因为药管缠绕引起操作不方便。
土壤注入枪有两个出药孔，可同时将药液注入到植物根部的两侧，通过土壤渗透作用，环绕在植物根部，更好的起到药液扩散的要求(图7)。根部设有药液第三层过滤器，防止土壤由于药液冲蚀倒流进入喷枪堵塞出药口。喷枪采用3／8铜制快速接头，喷枪可以快速连接在喷药机上。设置了外置的触发式脉冲出发器开关，每次注入时，喷枪上轻按触发开关，即可完成药量精准注入。
按照系统软件的设计流程，进行试验设计，通过系统的压力自动恒定调节，分别在三种不同恒定压力条件下，测试施药量的控制精度。在小汤山国家精准农业试验基地的目光温室中对样机进行了试验，对比试验检验样机的作业效果和性能。
系统单次施药量分别为200mL、400mL、800mL、2000mL、3000mL、4000mL时，在自动恒定压力0.14 MPa时，药量控制误差分别是0.3％、3.5％、3.7％、0.7％、1.7％、0.4％：当自动恒定压力增大50％(0.2 M Pa)，系统精准定量控制的误差分别为8.8％、9.5％、7.7％、7.1％、6.6％、8％；当自动恒定压力增大一倍(0.28 MPa)，系统精准定量控制的误差分别为9.8％、10％、9.7％、9.2％、12.3％、10.9％。
我们通过对试验数据的分析根据一元线性回归模型的统计检验，已知有一组样本观测值(Ti，Y)其中i=1，2，3…n，得到如下样本回归直线。
根据上面的试验数据可以得到低速模式下a=0.88，b=0.24；中速模式下a=2.87，b=22.24：高速模式下a=3.14，b=25.02；该值可代入控制算法中用来修正软件。
结论
经过完善的设施农业用注入式变量施药装置，经过了北京市农业机械试验鉴定推广站的温室现场检验，能够满足最大深度20cm的土壤注入施药。实际推广中该设施用注入式精准变量喷药装置配套免维护蓄电池，很好的实现了农药的精准化注入，实际作业在单次注药100mL作业时，系统作业误差在1.8％之内，作业效率3个温室(1.5亩≈0.1公顷)／h以上，能够满足实际的生产需要。