智能實時混藥噴霧系統設計淺析

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摘要:以農作物噴藥過程為研究對象,通過對噴霧系統控制硬件電路及控制程序進行分析,設計一種能夠根據作物生長狀態及環境參數進行實時混藥的智能噴霧系統,能夠自動行進,并根據作物高度進行智能噴霧。當智能噴霧系統行進速度為3m/s、風速為2m/s、噴霧動力供壓4MPa時,智能噴霧系統的有效噴射距離可達3.5m,單側噴幅可達到2.5m,噴霧流量不小于340kg/h,噴霧誤差小于0.15%,檢測動作時間小于0.4s。試驗數據表明:智能噴霧系統能夠快速準確的進行智能混藥噴霧,提高噴霧作業效率,降低勞動強度,提高農藥利用率。

關鍵詞:智能噴霧;主控電路;噴幅;噴射距離

0引言

病蟲害是影響農作物及水果產量的關鍵因素,病蟲害的防治常用方法主要有生物防治、生態防治及化學防治等。其中,化學防治具有良好的使用效果,且具有較高的經濟性能[1]。噴灑農藥是最常用的一種病蟲害化學防治方法,現階段大多數果園及作物種植現場仍采用背負式噴霧機進行人工噴藥,能夠較好地適應生產種植現場,但噴藥的一致性較差,人工成本高,噴藥過程中造成大量的農藥以落水的形式滲入土壤,造成農藥利用率低、土壤中的農藥對土壤微生物群落造成不同程度殺滅,影響土壤的生物群落平衡性,且造成土壤肥力流失[2-3]。基于以上生產需求,設計了一種能夠實時進行智能混藥的噴霧系統,以提高農藥噴灑過程的利用率,降低生產過程勞動強度。系統在使用過程中能夠根據作物病蟲害需求精確地進行藥物混合,并結合作物生長環境參數進行系統性協調,達到最優化的農藥噴灑目的。

1混藥噴霧系統總體設計

根據農作物及果樹生長需求,設計的混藥噴霧系統要求能夠根據環境參數進行合理的噴藥方案選擇,以滿足不同生產過程中的環境適應性要求[4]。智能實時混藥噴霧系統要求針對不同的作物外形尺寸進行適應性調整,實現自動配藥混藥,并根據病蟲害程度進行噴霧方案的決策。智能實時混藥噴霧系統框架圖,如圖1所示;智能實時混藥噴霧系統關鍵技術參數,如表1所示。

2系統硬件電路設計

智能混藥噴霧系統控制總線方案使用同步串行方案,包含時鐘線和數據線,能夠將多機系統和外圍擴展器件進行兼容,利用通信協議地址進行數據交互,使控制總線方案結構簡單,易擴展[5]。智能混藥噴霧系統控制總線方案,如圖2所示。智能混藥噴霧系統主控制電路承擔系統運行過程中的所有控制工作,并進行系統電壓轉換,在噴藥過程中能夠進行不同噴藥模式的程序切換,并對系統工作過程中的各功能模塊之間進行數據的傳輸處理,自動調節噴霧流量和噴霧范圍。智能混藥噴霧系統工作電壓為5V,要求主控電路能夠進行系統電壓轉換,能夠將24V直流電壓轉換為5V直流電壓[6]。智能混藥噴霧系統主控電路電壓轉換模塊,如圖3所示。智能混藥噴霧系統驅動電機選用步進電機,驅動信號輸入端采用陰極共用方法,使陰極能夠并聯接地,當有脈沖信號輸入時,單片機信號由陽極接口接入,使用調制脈寬信號進行輸出,同時對脈沖信號頻率進行占位[7-9]。智能混藥噴霧系統驅動電機接線圖,如圖4所示。

3系統控制程序設計

智能噴霧系統控制總線進行數據的發送和接收時,需要對各功能模塊進行尋址,對不同的功能模塊通信數據進行地址修改,實現模塊之間通信數據的實時有效傳遞。模塊尋址方式通常包含串口模塊地址尋找修改和使用控制程序進行模塊尋址修改兩種方式[10]。智能噴霧系統尋址修改時序圖,如圖5所示。在智能噴霧過程中,當噴霧系統兩側傳感器未檢測到作物信號時,電磁閥處于關閉狀態,噴霧桿位置不動;當兩側傳感器同時檢測到作物信號或一側檢測到作物信號后,電磁閥打開,噴霧桿保持現有狀態;當噴霧系統上部檢測作物信號,下部未檢測到作物信號后,電磁閥打開,噴霧桿進行位置調節,直至上下兩個方向的噴霧桿均能檢測到作物信號為止[11]。智能噴霧系統運動控制流程圖,如圖6所示.

4系統測試

智能噴霧系統性能試驗驗證項目主要包含水平射程與噴幅測定、對地噴霧時的噴幅測定、噴霧流量及噴霧精度測定。在進行水平射程與噴幅測定時,對試驗環境提供2m/s風速,噴霧系統動力供壓4MPa,測定噴霧邊緣最大距離處為噴霧系統水平射程,噴幅取噴霧桿方向的最大距離。智能噴霧系統水平射程與噴幅試驗結果,如表2所示。對地噴霧噴幅測定時,將噴霧桿拆卸,使噴頭與地面之間正面相對,同時保證500mm豎直距離,測定地面幅寬即為對地噴霧噴幅。對地噴藥時的噴幅試驗數據,如表3所示。在進行噴霧系統流量測試試驗時,對噴霧前后的藥箱整體進行稱取質量,求出噴霧前后質量變化量即為試驗噴藥量,噴藥量與噴霧時間之間的比值即為噴霧系統流量。試驗過程中,設定噴霧系統動力供壓4MPa,連續進行20min噴霧。試驗數據如表4所示。性能試驗參數測試完成后,為保證智能噴霧系統工作可靠性,需對其噴霧精度進行試驗驗證。噴霧精度試驗過程中,噴霧系統水平行進速度為3m/s,噴霧系統中心測距模塊與作物之間距離設定為2000mm,記錄掃描到作物信號至電磁閥打開時間。試驗數據如表5所示。試驗數據表明:智能混藥噴霧系統水平射程可達到3.5m,水平噴幅可達到2.5m,在對地噴藥模式下,其噴幅可達到2.3m,智能噴霧過程中平均噴霧流量可達到340kg/h,噴霧系統誤差平均值0.15%,動作時間不大于0.4s,性能參數滿足設計要求。

5結論

智能混藥噴霧系統能夠自動進行作物生長狀態監測,并根據檢測數據進行系統指令決策,自動進行混藥噴霧,實現噴霧過程的自動化和智能化,降低噴藥過程勞動強度,同時提高噴藥效率,減少環境污染,為自動噴藥系統的推廣提供參考依據。

作者:逯云杰 單位:濮陽職業技術學院