張 翔 ， 張 進(jìn)

（南陽職業(yè)學(xué)院，河南 南陽 474550）

機(jī)械化植保作業(yè)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的重要保證，農(nóng)業(yè)植保噴藥作業(yè)的機(jī)械化發(fā)展，不僅提高了植保噴藥的效率，還為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了安全保障。傳統(tǒng)的植保噴藥機(jī)往往存在噴灑不均勻、用藥量大等問題，極易影響空氣質(zhì)量、污染環(huán)境[1]，且傳統(tǒng)噴藥機(jī)操作障礙問題一直未解決，農(nóng)戶使用非常不方便。農(nóng)藥使用過多不僅會造成藥物浪費(fèi)，還會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，進(jìn)而影響到農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收入。變量噴霧技術(shù)是基于傳統(tǒng)植保噴霧技術(shù)改良創(chuàng)新的新型植保技術(shù)[2]，不僅節(jié)能環(huán)保，還能保障食品安全，非常適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 傳統(tǒng)植保噴藥機(jī)存在的問題

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)藥施用技術(shù)在不斷發(fā)展，農(nóng)藥種類也非常豐富，基本可以應(yīng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的大部分病蟲害。但我國使用的傳統(tǒng)噴藥機(jī)較落后，導(dǎo)致農(nóng)藥的防治功效未完全發(fā)揮，與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國的農(nóng)藥利用率非常低，不僅嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)度，還對生態(tài)環(huán)境造成了惡劣影響。

1.1 傳統(tǒng)噴藥機(jī)結(jié)構(gòu)不合理

國家對“三農(nóng)”問題一直都非常重視，近年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)營模式愈加豐富，農(nóng)業(yè)經(jīng)營面積也不斷擴(kuò)大，土地連接在一起形成連片化。例如東北平原地區(qū)的農(nóng)地，對農(nóng)藥噴霧機(jī)械有著更高、更精確的要求[3]。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，小型農(nóng)機(jī)雖然便捷易操作，但是效率低下，大中型農(nóng)機(jī)很少。很多農(nóng)戶選擇小農(nóng)機(jī)進(jìn)行噴藥工作，但是需要在田間地頭往返噴灑很多次才能完成，這樣不僅效率低，還會出現(xiàn)漏噴或重復(fù)噴灑的情況[4]，不利于精準(zhǔn)防治病蟲害，農(nóng)業(yè)植保效果也會大打折扣。

1.2 傳統(tǒng)噴藥機(jī)技術(shù)含量不高

縱觀我國目前市場上的農(nóng)藥噴霧機(jī)，很多都是結(jié)構(gòu)簡單的低端產(chǎn)品，設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性，制作器具時也沒有充分考慮藥物噴灑的實(shí)際情況[5]，缺少合理性研究。因此，在實(shí)際使用中，往往會因覆蓋面積小、霧化效果不好，導(dǎo)致噴藥效果差，部分器具甚至?xí)嬖诮涌谔幟芊庑圆粡?qiáng)的問題，導(dǎo)致農(nóng)藥滲出，影響農(nóng)作物土壤的“健康”，還會對施藥人員的皮膚造成傷害。

1.3 農(nóng)藥噴霧操作不規(guī)范

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)噴霧作業(yè)中，很多都是人工操作，容易受到施藥人員主觀意識的影響，影響噴霧質(zhì)量。一方面，農(nóng)戶對防治病蟲害缺乏科學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行噴藥，難免存在噴藥量不準(zhǔn)確的問題；另一方面，農(nóng)戶噴藥時的行駛速度及噴藥幅度也會對實(shí)際效果產(chǎn)生影響[6]。

2 變量噴霧技術(shù)原理及相關(guān)技術(shù)介紹

變量噴霧技術(shù)是基于農(nóng)作物的實(shí)際生長情況，通過科學(xué)計(jì)算來調(diào)整噴霧方式和農(nóng)藥噴施的劑量[7-8]，從而實(shí)現(xiàn)用最合理的農(nóng)藥噴施劑量取得最佳的防治效果。變量噴霧技術(shù)也不斷地更新迭代，每一代產(chǎn)品在實(shí)施變量噴霧作業(yè)的邏輯上都會存在一定的差異，但是萬變不離其宗，其組成原理和運(yùn)行機(jī)理還是大同小異。變量噴霧技術(shù)主要是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)來進(jìn)行信息收集、邏輯分析以及最終決策[9]，因此，一般會涉及位置、環(huán)境等信息的獲得，還要對操作員的執(zhí)行動作進(jìn)行感知，對噴嘴和泵體進(jìn)行控制[10]。應(yīng)用變量噴霧技術(shù)過程中，可以通過GPS 定位系統(tǒng)一級傳感技術(shù)來獲取上述相關(guān)信息，然后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行分析和處理，再根據(jù)農(nóng)作物區(qū)域的實(shí)際情況，調(diào)整噴藥機(jī)的噴灑位置和劑量，方便在不同條件下靈活調(diào)整噴藥作業(yè)[11]。

2.1 噴藥機(jī)介紹

在傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑作業(yè)中，人們沒有對農(nóng)作物的被害程度進(jìn)行精確區(qū)分，而是將更多注意力放在病蟲害對管理工作的影響上。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在不同時間和地域的情況下，同一種病蟲害對作物造成的傷害并不是完全一致的。傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑作業(yè)中，大面積的噴灑極易導(dǎo)致局部作物農(nóng)藥噴灑量過度，農(nóng)藥的實(shí)際效用只有1/3 左右。農(nóng)藥噴灑過量，不僅會增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還會增加農(nóng)作物的農(nóng)藥殘留量，危害人體健康。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在科學(xué)技術(shù)的支撐下，引入了變量噴霧技術(shù)，借助自動化技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，提高農(nóng)藥噴灑準(zhǔn)確度和效率。變量噴霧技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)志著現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的進(jìn)步，在傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑機(jī)的基礎(chǔ)上，采用GPS 定位和擴(kuò)散控制技術(shù)等提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的性能，優(yōu)點(diǎn)是可以結(jié)合病蟲害的程度提高農(nóng)藥噴灑的精確度。變量噴霧設(shè)備主要由控制器、噴灑機(jī)、牽引機(jī)械和GPS 定位系統(tǒng)四個部分組成。操作方式如下：通過GPS 定位系統(tǒng)確定病蟲害的位置，再根據(jù)農(nóng)作物區(qū)域內(nèi)病蟲害的嚴(yán)重程度，調(diào)整噴灑機(jī)的農(nóng)藥用量，最后通過牽引機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動噴灑，大大提高了農(nóng)藥噴灑的效率，將農(nóng)藥噴灑的負(fù)面影響降到最低。

2.2 噴藥機(jī)技術(shù)原理

2.2.1 GPS 定位系統(tǒng)

在執(zhí)行變量噴霧作業(yè)過程中，需要兩次定位，通過GPS 定位系統(tǒng)可以獲取不同位置的信息。首先，需要通過GPS 系統(tǒng)獲取病蟲害和雜物的位置信息，再借助專業(yè)農(nóng)作物系統(tǒng)對這些信息進(jìn)行分析，然后確定不同區(qū)域的農(nóng)藥需求量，定制噴灑方案。其次，需要通過GPS 系統(tǒng)確定噴灑機(jī)和相關(guān)設(shè)備的位置，噴灑機(jī)中的衛(wèi)星接收器根據(jù)方案中的位置和地圖上的對應(yīng)位置，獲取噴灑指令，并同步給變量控制系統(tǒng)，使噴灑機(jī)根據(jù)農(nóng)作物病蟲害的實(shí)際情況執(zhí)行針對性噴灑。在我國，使用頻率最高的精確定位的農(nóng)業(yè)研究技術(shù)是北斗技術(shù)[12]，通過自主差分定位提高定位精度，完全滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。

2.2.2 及時獲取病蟲害信息

獲取病蟲害的相關(guān)信息主要通過實(shí)驗(yàn)室分析和現(xiàn)場取樣兩種方式，當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這一目的離不開GPS 定位技術(shù)。要完成現(xiàn)場取樣，必須要在現(xiàn)場安裝GPS 系統(tǒng)，分析病蟲害的實(shí)際情況，然后把定位區(qū)域和病蟲害的信息錄入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，做好病蟲害信息的收集歸檔工作。在處理病蟲害信息的過程中離不開地理信息系統(tǒng)，這個系統(tǒng)主要是空間信息數(shù)據(jù)庫，它收錄了監(jiān)測員現(xiàn)場取樣的信息，并能根據(jù)使用需求進(jìn)行圖形和統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的噴藥工作提供依據(jù)。

2.2.3 噴霧制度設(shè)置

農(nóng)業(yè)支持決策系統(tǒng)是噴霧制度的核心，主要包括歷史數(shù)據(jù)庫和專家數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)會根據(jù)地理信息和病蟲害信息，從數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)，制定有針對性的噴霧制度，從而有效控制噴霧范圍、劑量和時間。這種情況下，若病蟲害防治工作效果不理想，還能修改數(shù)據(jù)庫的相關(guān)信息。首先，系統(tǒng)會依據(jù)機(jī)械的地理位置和原噴灑方案中的病蟲害信息，確定農(nóng)藥的使用劑量，同時計(jì)算出系統(tǒng)在運(yùn)行過程中消耗的流量；其次，將原數(shù)據(jù)和流量采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算出準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)流量，確定出最適合的可變噴霧方案。

2.2.4 噴霧方案實(shí)施

控制信號決定著噴灑方案的實(shí)施，它主要是通過噴灑方案分析出的流量控制信號，例如噴灑信號和位置信號，變量噴霧器便可以根據(jù)定義好的流量參數(shù)執(zhí)行噴灑指令。此外，雷達(dá)系統(tǒng)、壓力傳感器等會將行駛速度、噴灑壓力等參數(shù)實(shí)時傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，計(jì)算機(jī)會自動記錄噴霧操作的相關(guān)參數(shù)。最后，通過控制方案，返回信號會控制執(zhí)行器，從而調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)可變噴霧。

3 變量噴霧技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)噴霧技術(shù)而言，變量噴霧技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了很大優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下方面：一方面，操作流程更科學(xué)。執(zhí)行噴霧作業(yè)過程中調(diào)整路線、速度和劑量都是很常見的，可變噴霧的農(nóng)業(yè)植保機(jī)配備了科學(xué)的定位和控制系統(tǒng)，對于噴霧過程中存在的漏噴和重噴的情況有很好的改良效果，植保效果更佳，也提高了農(nóng)藥的使用率。變量噴霧讓農(nóng)藥作用最大化，主要是通過控制農(nóng)藥噴灑高度、距離和擴(kuò)散面積。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，針對農(nóng)作物生產(chǎn)條件選擇可變噴霧技術(shù)，農(nóng)藥使用率可以大幅增高，也能將農(nóng)藥殘留量降到最低。多傳感器在農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中的應(yīng)用，有效改善了硬件器具在使用過程中的堵塞和霧化不良等問題。另一方面，植保機(jī)械的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量都得到了改良，減少了因設(shè)備故障而罷工的現(xiàn)象，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。應(yīng)用變量噴霧技術(shù)之后，農(nóng)地單位面積的農(nóng)藥使用量會減少，降低了農(nóng)藥噴灑對環(huán)境的污染，也很好地改善了機(jī)械運(yùn)行中的泄露現(xiàn)象。

4 變量噴霧技術(shù)在農(nóng)業(yè)噴灑中的具體應(yīng)用

4.1 噴霧目標(biāo)形貌探測與識別

目前，在許多果蔬和花卉種植中都會用到植物形態(tài)檢測技術(shù)，但都各有差異。在傳統(tǒng)植保作業(yè)中，噴灑往往采取連續(xù)均勻的方法，會在植株、樹枝和空地上留下許多農(nóng)藥，導(dǎo)致農(nóng)藥殘留和嚴(yán)重的環(huán)境破壞。因此，變量噴霧技術(shù)衍生出了三態(tài)噴霧系統(tǒng)，也就是全噴、中噴和無噴三種形態(tài)，主要是基于超聲波的智能傳感器建立的檢測系統(tǒng)，噴嘴前方是空地時便關(guān)閉，若識別到前方有灌木叢便開啟。

4.2 噴霧目標(biāo)密度探測與識別

在確定噴灑目標(biāo)時，最核心的是檢測農(nóng)作物的形態(tài)，但若農(nóng)作物的大小差不多時，農(nóng)作物的密度也會影響噴灑效果。隨著農(nóng)業(yè)植保研究的深入，若只單一考慮形態(tài)，農(nóng)藥也無法完全噴灑?；诖耍瑖鴥?nèi)外許多農(nóng)業(yè)專家對農(nóng)作物的密度進(jìn)行了深入研究，國外發(fā)達(dá)國家甚至還研發(fā)出一種智能傳感器，這種傳感器是單向接收信號，探測范圍是方圓兩米內(nèi)。但是，傳感器的探測范圍會受到超聲波入射角和目標(biāo)農(nóng)作物的表面特性的限制。借助超聲波的外力，智能傳感器可以自行設(shè)置靈敏參數(shù)，以此抵消目標(biāo)農(nóng)作物的特性帶來的誤差，獲取更準(zhǔn)確的農(nóng)作物密度信息。

4.3 噴霧目標(biāo)病蟲害探測與識別

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)檢測技術(shù)主要包括兩種，有害生物檢測和遠(yuǎn)程空間檢測。航空探測技術(shù)和衛(wèi)星遙感技術(shù)也可以收集病蟲害的相關(guān)信息，但是這些技術(shù)成本太高，只適合大規(guī)模信息分析，適用場景并不是平常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，不適合實(shí)時可變量噴灑。近年來，我國農(nóng)藥噴霧技術(shù)大有精進(jìn)，對農(nóng)田植保的要求也有所不同，對病蟲害檢測技術(shù)和分析方法的深入研究推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的長遠(yuǎn)發(fā)展。在新媒體技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)檢測技術(shù)可以通過工業(yè)攝像機(jī)和光譜儀記錄病蟲害信息，并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)科學(xué)分析這些信息，從而鑒定病蟲害的類別及其對農(nóng)作物的危害系數(shù)。

4.4 噴霧壓力智能調(diào)節(jié)

噴霧壓力調(diào)節(jié)技術(shù)，是通過噴灑壓力來控制流量，這種流量控制技術(shù)也是最原始的。眾所周知，噴霧流量和噴霧液滴的分布范圍成正比，與粒徑的變化趨勢成反比。也就是說，噴霧流量增加，也會增加液滴的動能和速率，只要噴灑劑量小于標(biāo)準(zhǔn)值，能耗均是低于正常值的，可以有效降低能耗。此外，變壓噴灑對霧化性能有很大影響，可控制和可調(diào)節(jié)的范圍小，調(diào)節(jié)原理簡單，便于維護(hù)，成本較低，可以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

4.5 噴霧噴頭智能調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)植保噴霧機(jī)的噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但是隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和結(jié)構(gòu)的變化，這種簡單的構(gòu)造無法滿足生產(chǎn)需求?；诖?，改進(jìn)完善變量噴霧噴嘴是非常有必要的，變量噴霧噴嘴主要是改變噴水的流量和方向，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜。通過水流的壓力，加入兩個折疊的金屬片來達(dá)到改變水流的目的；在使用過程中又進(jìn)行了改良，在噴嘴中加入監(jiān)控恒流恒芯，研制出一種具有跟蹤檢測功能的可變噴嘴。

5 結(jié)語

隨著我國農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，各級政府部門對農(nóng)藥的使用管控更加嚴(yán)格，提出農(nóng)藥使用不僅要高效，還要合理。變量噴霧技術(shù)很好地滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，農(nóng)藥用量適量準(zhǔn)確，噴灑技術(shù)也更加科學(xué)，大大提高了食品安全程度，對生態(tài)環(huán)境起到了很好的保護(hù)作用。變量噴霧技術(shù)取代傳統(tǒng)植保噴藥技術(shù)是必然趨勢，也是推動我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化發(fā)展的重要助力，有助于鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施。