庄稼也可对症下药专家制出处方图控制变量喷药系统

根据农田病虫草害防治的不同需要开出处方，并按处方合理喷洒药量。吉林大学工程仿生教育部重点实验室设计出的，基于处方图控制的变量喷药系统，具有精度高、成本低、通用性强等特点，适应我国国情，对提高农药利用率，保护环境，保证农产品品质有重要推广意义。该研究为国家“863”高技术研究发展计划和“十一五”国家科技支撑计划资助项目。

此研究报告刊登于《农业工程学报》2010年第26卷第4期，题为“基于ARM的变量喷药控制系统设计”第一作者为生物与农业工程学院博士研究生王利霞，通讯作者为张书慧教授。

该系统具有自动控制、手动控制和试验标定三种工作模式，以及系统作业参数实时记录功能。当该系统配以相应的喷药机进行变量喷药作业时，操作人员可借助触摸屏选择该系统的工作模式。中央处理器根据所选的工作模式采集相应的传感器信号，换算处理后，输出响应指令控制变量执行器动作，实现变量喷药作业。

农药作为农产品病虫草害防治最为有效的手段，其投入量直接影响着农产品的产量和品质。投入不当，不仅增加农产品生产成本，而且会破坏周围环境的生态平衡，但是，到目前为止，我国大部分农村地区在农田病虫草害防治过程中，没有考虑病虫草害的空间变异性，仍采用常量喷洒方式。随着生活水平的提高，农药过量使用对人体和环境造成的危害日渐引起人们的关注。因此，为了有效防治农田病虫草害，提高农产品品质，国内外农学专家以及相关领域学者设计出一系列变量喷药控制系统。

根据变量喷药控制系统变量控制实施途径不同可将该类控制系统分为两大类：即基于机器视觉的变量喷药控制系统和基于处方图的变量喷药控制系统。基于机器视觉的变量喷药控制系统是通过光学传感器实时采集作物图像，通过图像处理技术完成目标（病虫草害）与作物的分割和识别，以图像处理结果为依据进行喷药决策运算，以此来控制喷头喷药量的，其中央处理器多以计算机为主。基于处方图的变量喷药控制系统是利用GPS（全球定位系统）和GIS（地理信息系统）技术，在农学专家进行田间病虫草害调查的基础上，生成作业处方图，以处方决策数据为标准控制喷头喷药量，实现变量喷药作业，其中央处理器多以51系列单片机为主。

虽然与基于机器视觉的变量喷药控制系统相比，基于处方图的变量喷药控制系统构造简单，对操作人员专业技能要求低，更适于我国农业智能装备发展现状。但是由于51系列单片机是一个8位机，无论如何扩展外围设备，其性能、逻辑运算速度、存储器、通信能力等仍受到8位机的局限，影响了该类系统的控制精度和功能设计。因此，吉林大学工程仿生教育部重点实验室以ARM7系列的S3C44B0微处理器为核心，设计出一套基于处方图的变量喷药控制系统。并于2009年6月在吉林省榆树市弓棚镇13号村3号地进行玉米出苗后四叶一心期的玉米地变量喷药田间试验，试验面积1.07公顷。试验结果表明：在20米×20米作业网格内，喷药机以4.2千米/小时速度工作，喷药处方量在465¯600公斤/公顷范围内变化时，采用该系统完成变量喷药作业，自动控制工作模式下，设定的喷药处方量与测得的喷药处方量间相对误差最大值为4.94%，最小值为1.13%。相同作业条件，手动控制工作模式下，设定的喷药处方量与测得的喷药处方量间相对误差最大值为4.91%，最小值为2.05%。分析产生误差的主要原因是电动调节阀动作滞后的特性所致。由于电动调节阀动作的滞后性属机械铸造中不可避免的固有特性，且控制系统对喷头喷药量控制误差≤5%，进一步表明该系统性能稳定、软硬件设计合理。