莊稼也可對癥下藥專家制出處方圖控制變量噴藥系統(tǒng)

根據(jù)農(nóng)田病蟲草害防治的不同需要開出處方，并按處方合理噴灑藥量。吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室設(shè)計出的，基于處方圖控制的變量噴藥系統(tǒng)，具有精度高、成本低、通用性強等特點，適應(yīng)我國國情，對提高農(nóng)藥利用率，保護環(huán)境，保證農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)有重要推廣意義。該研究為國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃和“十一五”國家科技支撐計劃資助項目。

此研究報告刊登于《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》2010年第26卷第4期，題為“基于ARM的變量噴藥控制系統(tǒng)設(shè)計”第一作者為生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院博士研究生王利霞，通訊作者為張書慧教授。

該系統(tǒng)具有自動控制、手動控制和試驗標定三種工作模式，以及系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)實時記錄功能。當(dāng)該系統(tǒng)配以相應(yīng)的噴藥機進行變量噴藥作業(yè)時，操作人員可借助觸摸屏選擇該系統(tǒng)的工作模式。中央處理器根據(jù)所選的工作模式采集相應(yīng)的傳感器信號，換算處理后，輸出響應(yīng)指令控制變量執(zhí)行器動作，實現(xiàn)變量噴藥作業(yè)。

農(nóng)藥作為農(nóng)產(chǎn)品病蟲草害防治最為有效的手段，其投入量直接影響著農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。投入不當(dāng)，不僅增加農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)成本，而且會破壞周圍環(huán)境的生態(tài)平衡，但是，到目前為止，我國大部分農(nóng)村地區(qū)在農(nóng)田病蟲草害防治過程中，沒有考慮病蟲草害的空間變異性，仍采用常量噴灑方式。隨著生活水平的提高，農(nóng)藥過量使用對人體和環(huán)境造成的危害日漸引起人們的關(guān)注。因此，為了有效防治農(nóng)田病蟲草害，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，國內(nèi)外農(nóng)學(xué)專家以及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者設(shè)計出一系列變量噴藥控制系統(tǒng)。

根據(jù)變量噴藥控制系統(tǒng)變量控制實施途徑不同可將該類控制系統(tǒng)分為兩大類：即基于機器視覺的變量噴藥控制系統(tǒng)和基于處方圖的變量噴藥控制系統(tǒng)?；跈C器視覺的變量噴藥控制系統(tǒng)是通過光學(xué)傳感器實時采集作物圖像，通過圖像處理技術(shù)完成目標（病蟲草害）與作物的分割和識別，以圖像處理結(jié)果為依據(jù)進行噴藥決策運算，以此來控制噴頭噴藥量的，其中央處理器多以計算機為主。基于處方圖的變量噴藥控制系統(tǒng)是利用GPS（全球定位系統(tǒng)）和GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，在農(nóng)學(xué)專家進行田間病蟲草害調(diào)查的基礎(chǔ)上，生成作業(yè)處方圖，以處方?jīng)Q策數(shù)據(jù)為標準控制噴頭噴藥量，實現(xiàn)變量噴藥作業(yè)，其中央處理器多以51系列單片機為主。

雖然與基于機器視覺的變量噴藥控制系統(tǒng)相比，基于處方圖的變量噴藥控制系統(tǒng)構(gòu)造簡單，對操作人員專業(yè)技能要求低，更適于我國農(nóng)業(yè)智能裝備發(fā)展現(xiàn)狀。但是由于51系列單片機是一個8位機，無論如何擴展外圍設(shè)備，其性能、邏輯運算速度、存儲器、通信能力等仍受到8位機的局限，影響了該類系統(tǒng)的控制精度和功能設(shè)計。因此，吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室以ARM7系列的S3C44B0微處理器為核心，設(shè)計出一套基于處方圖的變量噴藥控制系統(tǒng)。并于2009年6月在吉林省榆樹市弓棚鎮(zhèn)13號村3號地進行玉米出苗后四葉一心期的玉米地變量噴藥田間試驗，試驗面積1.07公頃。試驗結(jié)果表明：在20米×20米作業(yè)網(wǎng)格內(nèi)，噴藥機以4.2千米/小時速度工作，噴藥處方量在465ˉ600公斤/公頃范圍內(nèi)變化時，采用該系統(tǒng)完成變量噴藥作業(yè)，自動控制工作模式下，設(shè)定的噴藥處方量與測得的噴藥處方量間相對誤差最大值為4.94%，最小值為1.13%。相同作業(yè)條件，手動控制工作模式下，設(shè)定的噴藥處方量與測得的噴藥處方量間相對誤差最大值為4.91%，最小值為2.05%。分析產(chǎn)生誤差的主要原因是電動調(diào)節(jié)閥動作滯后的特性所致。由于電動調(diào)節(jié)閥動作的滯后性屬機械鑄造中不可避免的固有特性，且控制系統(tǒng)對噴頭噴藥量控制誤差≤5%，進一步表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、軟硬件設(shè)計合理。