山地果园管道自动喷雾系统设计与试验

2022 年9 月 第4 卷 第3 期 智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Sept.2022 Vol.4,No.3
doi ：10.12133/j.smartag.SA202205005
山 地 果 园 管 道 自 动 喷 雾 系 统 设 计 与 试 验

1 ， 2 ， 3 1 1 ， 2 ， 3 1 ， 2 ， 3 1 ， 2 ， 3
宋 淑 然 ， 胡 圣 洋 ， 孙 道 宗 ， 代 秋 芳 ， 薛 秀 云 ，
1 ， 2 1 ， 2 ， 3
谢 家 兴 ， 李 震
（ 1 . 华 南 农 业 大 学 电 子 工 程 学 院 （ 人 工 智 能 学 院 ） ， 广 东 广 州 5 1 0 6 4 2 ； 2 . 广 东 省 农 情 信 息 监 测 工 程 技 术 研 究 中
心 ， 广 东 广 州 5 1 0 6 4 2 ； 3 . 国 家 柑 橘 产 业 技 术 体 系 机 械 化 研 究 室 ， 广 东 广 州 5 1 0 6 4 2 ）
摘 要 ： 基 于 管 道 的 自 动 喷 雾 技 术 及 设 施 可 以 解 决 山 地 果 园 植 保 作 业 中 喷 雾 作 业 效 率 低 、 劳 动 强 度 大 、 移
动 式 喷 雾 机 械 难 以 进 入 的 问 题 。 本 研 究 设 计 了 适 用 于 山 地 果 园 的 管 道 自 动 喷 雾 系 统 ， 主 要 包 括 喷 雾 首 部 、
喷 雾 管 道 、 自 动 喷 雾 控 制 器 及 喷 雾 小 组 等 结 构 ， 计 算 了 山 地 果 园 管 道 药 液 压 力 损 失 ， 研 制 了 自 动 喷 雾 控 制
器 ， 并 开 发 了 控 制 程 序 。 喷 雾 作 业 时 ， 喷 雾 首 部 将 药 液 经 管 道 引 入 果 园 ， 利 用 自 动 喷 雾 控 制 器 控 制 电 磁 阀 ，
逐 次 打 开 或 关 闭 喷 雾 小 组 ， 实 现 手 动 控 制 或 自 动 控 制 喷 雾 。 为 确 定 电 磁 阀 持 续 开 通 时 间 ， 进 行 了 喷 雾 有 效
性 试 验 。 结 果 表 明 ， 控 制 喷 雾 小 组 的 电 磁 阀 持 续 开 通 8 s 即 可 保 证 喷 雾 的 有 效 性 ； 采 用 这 种 管 道 自 动 喷 雾 设
2
施 的 喷 雾 作 业 效 率 为 2 . 6 1 h m / h ， 与 人 工 喷 雾 相 比 ， 提 高 了 喷 雾 作 业 的 效 率 。 本 研 究 可 为 山 地 果 园 的 喷 雾 技
术 及 智 能 施 药 设 施 的 研 发 提 供 参 考 和 思 路 。
关 键 词 ： 山 地 果 园 ； 喷 雾 管 道 ； 自 动 喷 雾 ； 电 磁 阀 ； 智 能 施 药 设 施 ； 药 液 压 力 损 失
中 图 分 类 号 ： S 2 4 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： S A 2 0 2 2 0 5 0 0 5
引 用 格 式 ： 宋 淑 然, 胡 圣 洋, 孙 道 宗, 代 秋 芳, 薛 秀 云, 谢 家 兴, 李 震. 山 地 果 园 管 道 自 动 喷 雾 系 统 设 计 与 试 验[J].
智 慧 农 业( 中 英 文),2022,4(3):86-94.
SONGShuran,HUShengyang,SUNDaozong,DAIQiufang,XUEXiuyun,XIEJiaxing,LIZhen.Automaticspray ‐
ing technology and facilities for pipeline spraying in mountainous orchards[J]. SmartAgriculture, 2022, 4(3): 86-94.
(inChinesewithEnglishabstract)
转 移 ， 果 园 的 喷 施 作 业 劳 动 力 缺 乏 现 象 愈 发
1 引 言
严 重 。
山 地 果 园 地 势 崎 岖 并 有 一 定 坡 度 ， 果 园 内 没
相 比 于 风 送 式 喷 雾 器 ， 在 山 地 果 园 应 用 固 定
有 供 大 型 植 保 机 械 行 驶 的 道 路 ， 移 动 式 喷 雾 机 械
式 果 园 管 道 喷 雾 具 有 以 下 优 势 ： （1 ） 有 效 增 加 雾
难 以 进 入 ， 喷 施 作 业 主 要 依 靠 果 农 用 背 负 式 喷 雾
滴 沉 积 量 ， 大 大 减 少 雾 滴 漂 移 以 及 地 面 的 药 液 沉
器 进 行 。 按 照 中 等 高 度 果 树 每 株 树 用 药5 L 、 山
积 。 针 对 篱 壁 式 栽 种 的 苹 果 园 ，Agnello 和Land ‐
［1,2 ］
地 果 园70 株/ 亩 计 算 ， 果 农 用 背 负 式 喷 雾 机 （30L ）
ers 设 计 了 一 种 固 定 在 三 层 不 同 高 度 上 的 喷 雾
2
完 成1 亩 地 （ 约667 m ） 的 果 树 喷 药 需 要 往 返 山
管 道 和 连 接 在 管 道 上 的 微 喷 式 喷 嘴 ， 并 对 高 密 度
上 山 下 配 药12 次 。 近 年 来 ， 由 于 农 业 劳 动 力 的 苹 果 种 植 园 进 行 了 喷 雾 试 验 ， 结 果 表 明 ， 从 果 树
收 稿 日 期 ：2022-05-17
基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 （31671591 ） ； 广 东 省 现 代 农 业 产 业 技 术 体 系 创 新 团 队 建 设 专 项 资 金 （2022KJ108 ） ； 广 州 市 科 技 计 划 项
目 （202002030245 ） ； 财 政 部 和 农 业 农 村 部 ： 国 家 现 代 农 业 产 业 技 术 体 系 资 助 项 目 （CARS-26 ）

通 信 作 者 ： 宋 淑 然 （1965 － ） ， 女 ， 博 士 ， 教 授 ， 研 究 方 向 为 植 保 机 械 与 施 药 技 术 。E-mail ：[e-mail].4,No.3 宋 淑 然 等 ： 山 地 果 园 管 道 自 动 喷 雾 系 统 设 计 与 试 验
8 7
的 上 、 中 、 下 层 的 叶 面 采 集 的 雾 滴 沉 积 量 比 传 统 图1 所 示 。
2 ［3 ］
喷 气 式 喷 雾 机 多5μg/cm 。2013 年 ， 该 团 队 再
次 优 化 设 计 了 一 种 钢 丝 固 定 式 管 道 喷 雾 系 统 。
［4 ］
Otto 等 在 意 大 利 坡 度 为5 ~10° 的 葡 萄 园 里 建 立
了 一 个 固 定 式 的 喷 雾 系 统 ， 测 量 了 雾 滴 的 垂 直 分
布 以 及 地 面 沉 积 ， 并 与 低 漂 移 风 送 式 喷 雾 器 进 行
了 对 比 ， 结 果 表 明 ， 固 定 式 管 道 喷 雾 系 统 在 对 植
物 喷 施 药 液 时 没 有 产 生 药 液 漂 移 问 题 。Sinha
图1 管 道 自 动 喷 雾 系 统 组 成 示 意 框 图
［5 ］
等 提 出 了 一 种 应 用 于 山 地 果 园 的 固 定 式 树 冠
Fig.1 Blockdiagramofpipelineautomaticspraysystem
施 药 系 统 （Solid Set Canopy Delivery Systems ，
药 液 经 喷 雾 首 部 加 压 并 稳 压 后 流 入 喷 雾 管
SSCDS ） ， 与 传 统 的 轴 流 风 扇 鼓 风 喷 雾 器 相 比 ，
道 ， 安 装 在 管 道 上 的 电 磁 阀 按 照 预 先 设 定 的 程 序
该 系 统 可 以 显 著 降 低 雾 滴 漂 移 ， 且 空 心 圆 锥 喷 头
打 开 或 关 闭 ， 控 制 不 同 的 喷 雾 小 组 自 动 完 成 喷 雾
具 有 更 细 的 液 滴 以 及 更 好 的 穿 透 性 。 （2 ） 压 力 稳
作 业 。 图1 中 虚 线 框 内 为 构 成 自 动 喷 雾 控 制 器 的
［6 ］
定 更 快 。Sharda 等 基 于 固 定 式 雨 棚 输 药 （Sol ‐
主 要 部 分 。
id Set Canopy Delivery ，SSCD ） 系 统 ， 选 用 固 体
2 . 2 喷 雾 首 部 设 计
胶 管 和 柔 性 胶 管 两 种 管 材 在 高 密 度 果 园/ 葡 萄 园
中 进 行 施 药 试 验 ， 发 现 固 体 胶 管 的 压 力 建 立 延 迟
喷 雾 首 部 可 实 现 对 药 液 的 加 压 ， 并 根 据 预 设
时 间 （0.5 ~8.1 s ） 比 柔 性 胶 管 的 延 迟 时 间
的 压 力 稳 定 药 液 的 压 力 ， 既 能 保 证 药 液 有 足 够 的
（0.8 ~11.9s ） 更 短 ， 压 力 稳 定 更 快 。
压 力 而 达 到 较 好 的 雾 化 效 果 ， 也 能 保 证 喷 雾 管 道
调 研 发 现 ， 国 内 少 数 果 园 已 经 采 用 了 简 单 的
不 至 于 因 压 力 过 大 而 发 生 爆 裂 。 喷 雾 首 部 由 喷 雾
管 道 喷 雾 技 术 ， 但 果 园 管 道 喷 雾 设 施 的 建 立 具 有
机 组 与 恒 压 控 制 系 统 组 成 ， 如 图2 所 示 。
［7 ］ ［8 ］
很 大 的 随 意 性 ， 管 道 中 药 液 压 力 损 失 大 ； 管
道 内 药 液 的 压 力 随 作 业 人 数 的 不 同 产 生 波 动 ， 影
［9-11 ］
响 农 药 雾 化 效 果 及 病 虫 害 防 治 的 实 效 。 为 规
范 果 园 管 道 喷 雾 设 施 的 建 设 ， 提 高 系 统 建 设 的 科
学 性 ， 本 研 究 研 制 了 一 种 山 地 果 园 中 管 道 自 动 喷
雾 系 统 ， 并 进 行 了 喷 雾 试 验 。
2 管 道 自 动 喷 雾 系 统 设 计
图2 管 道 自 动 喷 雾 首 部
2 . 1 总 体 设 计 思 路
Fig.2 Headofpipelineautomaticspraying
［12 ］
山 地 果 园 中 ， 果 树 的 种 植 模 式 为 梯 田 式 种
喷 雾 机 组 由 变 频 电 动 机 和 药 液 泵 组 成 ，
植 ， 行 与 行 在 不 同 的 等 高 面 上 ， 且 果 树 行 的 走 向
根 据 同 时 喷 雾 时 的 喷 头 流 量 总 和Q 选 用 药 液 泵
3
由 山 势 的 凹 凸 而 定 。 为 实 现 自 动 化 的 喷 雾 ， 需 为
的 流 量 Q ， 以 Q= （1.1 ~1.3 ） Q 为 原 则 选 定 ，
2 2 3
每 棵 果 树 配 置 一 个 喷 雾 架 ， 多 个 喷 雾 架 组 成 喷 雾
并 由 此 确 定 药 液 泵 的 功 率P 。 考 虑 到 传 动 效 率 ，
2
小 组 ， 多 个 喷 雾 小 组 构 成 喷 雾 管 道 系 统 。
药 液 泵 的 功 率P 与 配 套 变 频 电 动 机 的 功 率P 间 的
2 1
果 园 管 道 自 动 喷 雾 系 统 由 喷 雾 首 部 、 喷 雾 管
关 系 一 般 采 用P= （1.3 ~1.5 ）P 。 通 电 后 ， 药 液
1 2
道 、 自 动 喷 雾 控 制 器 及 喷 雾 小 组 组 成 ， 其 结 构 如 泵 将 药 液 池 中 的 药 液 吸 进 药 液 泵 ， 加 压 后 输 进 喷智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.3
8 8
雾 管 道 。 当 变 频 电 动 机 和 药 液 泵 的 转 速 升 高 时 ， 20° ） 进 行 的 前 期 试 验 发 现 ， 当 机 泵 房 建 在 山 地
喷 雾 管 道 中 药 液 压 力 升 高 ； 反 之 ， 随 着 变 频 电 动 果 园 的 坡 顶 时 ， 重 力 可 以 弥 补 部 分 管 道 药 液 压 力
的 损 失 ， 而 当 机 泵 房 建 立 在 坡 底 时 ， 管 道 中 药 液
机 和 药 液 泵 转 速 的 降 低 ， 喷 雾 管 道 中 药 液 压 力 也
的 压 力 损 失 显 著 增 加 。 因 此 ， 为 减 少 重 力 场 对 管
降 低 。 恒 压 控 制 系 统 包 括 压 力 变 送 器 、 恒 压 控 制
［13 ］
道 内 药 液 压 力 损 失 的 不 利 影 响 ， 对 于 小 面 积 （ 不
装 置 及 变 频 器 ， 压 力 变 送 器 实 时 检 测 管 道 中
2
大 于2 hm ） 的 果 园 ， 重 力 和 管 道 长 度 引 起 的 管
药 液 的 压 力 ， 并 反 馈 给 恒 压 控 制 装 置 ， 经 模 糊 比
道 药 液 压 力 损 失 较 小 ， 机 泵 房 可 以 就 近 设 置 ； 对
例 积 分 微 分 （Proportion Integration Differentia ‐
［11 ］
于 面 积 较 大 的 果 园 ， 机 泵 房 建 立 在 果 园 的 最 高 处
tion ，PID ） 控 制 算 法 ， 获 得 对 管 道 药 液 压 力
为 佳 ， 当 药 液 由 地 势 高 处 输 送 至 地 势 低 处 时 ， 重
的 控 制 量 ； 当 检 测 到 的 管 道 药 液 压 力 大 于 设 定 压
力 场 引 起 管 道 中 药 液 压 力 增 加 ， 该 部 分 增 加 可 以
力 时 ， 恒 压 控 制 装 置 输 出 一 个 控 制 量 ， 控 制 变 频
抵 消 因 管 道 长 度 引 起 的 一 部 分 或 全 部 药 液 压 力
器 输 出 电 压 的 频 率 并 使 之 降 低 ， 从 而 使 变 频 电 动
损 失 。
机 和 药 液 泵 的 转 速 降 低 ， 最 终 降 低 管 道 中 药 液 压
为 实 现 自 动 化 喷 雾 ， 主 管 道 与 各 个 喷 雾 小 组
力 ， 直 到 实 时 检 测 压 力 在 设 定 压 力 范 围 内 。 采 用
之 间 各 安 装 一 个 电 磁 阀 。 由 电 磁 阀 的 打 开 或 关 闭
这 种 闭 环 控 制 ， 解 决 各 种 因 素 引 起 的 管 道 喷 雾 系
自 动 控 制 各 个 喷 雾 小 组 的 自 动 喷 雾 作 业 。 在 山 地
统 中 药 液 压 力 不 稳 定 的 问 题 ， 提 高 管 道 喷 雾 作 业
［11 ］
果 园 中 ， 由 电 磁 阀 控 制 的 众 多 喷 雾 小 组 ， 一 般 按
的 质 量 及 效 率 。 管 道 药 液 恒 压 控 制 原 理 框 图
照 山 地 果 园 地 势 、 作 业 道 路 走 向 、 管 道 压 力 损 失
如 图3 所 示 。
小 和 喷 雾 响 应 时 间 短 的 原 则 ， 呈 “ 丰 ” 字 形 布
［16 ］
置 ， 如 图4 所 示 。
喷 雾 小 组 由 电 磁 阀 、 喷 雾 架 和 喷 头 构 成 ， 图5
为 示 意 图 。
图3 管 道 药 液 恒 压 控 制 原 理 框 图
Fig.3 Blockdiagramofconstantpressurecontrolofpipe ‐
linepesticides
2 . 3 喷 雾 管 道 设 计 及 压 力 损 失 计 算
2 . 3 . 1 喷 雾 管 道 设 计
山 地 果 园 管 道 自 动 喷 雾 设 施 中 的 喷 雾 管 道 由
［14,15 ］
图4 喷 雾 管 道 布 置 示 意 图
主 管 道 、 阀 门 和 喷 雾 小 组 组 成 。
Fig.4 Schematicdiagramofspraypipeline
在 广 东 省 梅 州 市 某 山 地 柚 园 （ 坡 度 为15 ~
图5 喷 雾 小 组 示 意 图
Fig.5 SchematicofsprayinggroupsVol.4,No.3 宋 淑 然 等 ： 山 地 果 园 管 道 自 动 喷 雾 系 统 设 计 与 试 验
8 9
5
图 5 中 箭 头 表 示 药 液 的 流 动 方 向 。 为 避 硬 塑 料 管 ，f=0.948 ×10 ，m=1.77 ，b=1.47 。
免 地 面 管 道 对 田 间 除 草 作 业 的 影 响 ， 使 用 悬 挂 喷 雾 管 道 中 药 液 的 总 局 部 压 力 损 失 按 公
式 喷 雾 架 。 在 两 个 支 撑 柱 上 ， 安 装 一 条 张 紧 的 钢 式 （3 ） 计 算 ：
2
ξv
丝 绳 （ 虚 线 表 示 ） ， 用 于 承 载 喷 雾 管 道 。 为 每 棵
ΔP = 0.01 ∑ （3 ）
22
2g
果 树 配 备 一 个 由 喷 头 和 喷 雾 管 组 成 的 喷 雾 架 。 喷
其 中 ， ΔP 为 总 局 部 压 力 损 失 ，MPa ； ξ 为
22
雾 架 及 喷 头 的 定 位 可 以 通 过 与 钢 丝 绳 的 绑 定 进 行
局 部 压 力 损 失 系 数 ；v 为 断 面 药 液 平 均 流 速 ，
调 节 ， 喷 雾 架 及 喷 头 的 高 度 可 以 通 过 改 变 钢 丝 绳
2
m/s ；g 为 重 力 加 速 度 ，g=9.81m/s 。
在 支 撑 架 上 的 安 装 定 位 进 行 调 整 ， 以 适 应 果 树 的
ΔP= ΔP + ΔP （4 ）
2 21 22
生 长 及 树 冠 大 小 的 改 变 。 喷 雾 的 执 行 元 件 为 喷
为 充 分 利 用 山 地 果 园 的 高 差 来 弥 补 管 道 药 液
头 ， 喷 头 连 接 在 喷 雾 管 上 ， 其 安 装 的 位 置 和 个 数
的 沿 程 和 局 部 压 力 损 失 ， 以 果 园 最 高 处 的 施 药 作
根 据 果 树 树 冠 的 形 状 和 大 小 而 定 ， 喷 头 的 布 置 以
［17 ］ 业 点 高 程 为0 计 算 ， 则 机 泵 房 所 处 位 置 的 高 程H
S
喷 头 的 喷 雾 雾 滴 范 围 能 覆 盖 果 树 树 冠 为 原 则 。
应 按 照 公 式 （5 ） 计 算 。
根 据 喷 头 安 装 位 置 的 不 同 ， 使 用 了 不 同 雾 锥 角 的
ΔP - ΔP
2 1
实 心 锥 喷 头 ； 在1MPa 压 力 下 ， 位 于 果 树 树 冠 顶
H = k （5 ）
S α
0.01
部 喷 头 的 雾 锥 角 为85.8° ， 树 冠 两 侧 喷 头 的 雾
其 中 ，H 为 机 泵 房 所 处 位 置 的 高 程 ，m ；k
S α
锥 角 为39.2° 。
为 果 园 坡 度 系 数 ， 经 验 取 值 范 围 为0.3 ~0.7 ， 当
2 . 3 . 2 管 道 药 液 压 力 损 失 计 算
机 泵 房 位 置 与 果 园 最 高 处 间 的 仰 角 较 小 时 ， 取 较
计 算 管 道 药 液 压 力 损 失 是 为 了 确 定 合 理 的 机
小 的k ； 其 他 变 量 同 前 。 当H >0 时 ， 取H =0 。
α S S
泵 房 位 置 。 当 机 泵 房 与 喷 施 作 业 点 不 在 同 一 高 程
2 . 4 自 动 喷 雾 控 制 器 设 计
时 ， 重 力 场 引 起 的 管 道 药 液 压 力 损 失 计 算 如 公
式 （1 ） 所 示 。
自 动 喷 雾 控 制 器 由 主 控 制 器 、 电 磁 阀 驱 动 电
ΔP=0.01h （1 ）
1
路 、 电 磁 阀 控 制 节 点 和 供 电 单 元 构 成 。
其 中 ， ΔP 为 重 力 场 引 起 的 管 道 药 液 压 力 损
1
2 . 4 . 1 主 控 制 器
失 ，MPa ；h 为 喷 施 作 业 点 与 机 泵 房 位 置 间 的 高
主 控 制 器 如 图6 所 示 ， 其 顶 部 有 电 源 开 关 和
度 差 ，m 。
模 式 选 择 按 键 ， 模 式 选 择 按 键 对 应 有 “ 自 动 ” 和
除 此 之 外 ， 压 力 损 失 还 包 含 管 道 的 沿 程 压 力
“ 手 动 ”2 种 工 作 模 式 ； 主 控 制 器 的 底 部 有 电 源 指
损 失 和 局 部 压 力 损 失 。 沿 程 压 力 损 失 为 药 液 在 直
示 灯 和 充 电 接 口 。 主 控 制 器 的 正 面 面 板 有 启 动 按
管 段 中 流 动 时 ， 为 克 服 流 动 过 程 （ 沿 程 ） 中 所 遇
键Q 、 停 止 按 键T 、 加 按 键A 和 减 按 键S ， 面 板
到 的 阻 力 而 引 起 。 局 部 压 力 损 失 为 药 液 在 管 道 的
上 的 显 示 数 字 为 当 前 设 定 的 喷 雾 时 间 或 当 前 工 作
弯 头 、 三 通 、 阀 门 等 管 件 中 流 动 时 ， 因 局 部 改 变
的 电 磁 阀 编 号 。
流 动 方 向 流 速 所 引 起 。 在 管 道 喷 雾 药 液 压 力 损 失
主 控 制 器 的 内 部 电 路 主 要 由 单 片 机 （AT ‐
计 算 中 ， 采 用 公 式 （2 ） 计 算 药 液 的 沿 程 压 力
mega16 ） 、 显 示 模 块 和 无 线 数 字 传 输 模 块 组 成 。
损 失 。
单 片 机 是 主 控 制 器 的 核 心 部 件 ， 由 其I/O 口 发 出
m
Q
ΔP = 0.01f L （2 ）
21
b
打 开 或 关 闭 电 磁 阀 的 控 制 指 令 ； 根 据 工 作 模 式 的
d
不 同 ， 显 示 模 块 显 示 当 前 设 定 的 喷 雾 时 间 或 当 前
其 中 ， ΔP 为 药 液 的 沿 程 压 力 损 失 ，MPa ；
21
3
工 作 的 电 磁 阀 编 号 ； 无 线 数 字 传 输 模 块 完 成 电 磁
Q 为 管 道 中 药 液 流 量 ，m/h ；d 为 管 道 直 径 ，
阀 工 作 状 态 与 单 片 机 之 间 的 通 讯 。
mm ；f 为 沿 程 水 头 损 失 摩 阻 系 数 ；m 为 流 量 指
数 ；b 为 管 径 指 数 。 对 于 山 地 果 园 中 通 常 使 用 的 在 “ 手 动 ” 工 作 模 式 下 ， 通 过 加 按 键A 或 减智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.3
9 0
数 为 ： 供 电 电 压12 V ， 额 定 功 率20 W ， 通 电 时
间0.1 ~3s ， 耐 压 范 围0 ~2.0Mpa 。
2 . 4 . 3 电 磁 阀 控 制 节 点
电 磁 阀 控 制 节 点 用 来 发 出 无 线 信 号 给 主 控 制
器 和 接 收 来 自 主 控 制 器 的 无 线 信 号 ， 根 据 接 收 的
控 制 信 号 开 启 或 关 闭 相 应 的 电 磁 阀 ， 电 磁 阀 控 制
其 喷 雾 小 组 上 的 多 个 喷 头 ， 根 据 程 序 设 定 完 成 果
园 的 自 动 喷 雾 。 完 成 上 述 通 信 的 核 心 部 件 是 无 线
数 字 传 输 模 块 。
为 保 证 在 山 地 果 园 中 无 线 控 制 信 号 传 播 的
可 靠 性 ， 本 研 究 选 用 了 深 圳 市 技 卓 科 技 有 限 公
司 的JZ871 数 传 模 块 ， 其 主 要 参 数 为 ： 发 射 功 率
100 mW ， 接 收 灵 敏 度121 dBm ， 收 发 转 换 时 间
图6 自 动 喷 雾 主 控 制 器 实 物 图
小 于10 ms ， 标 称 可 靠 传 输 距 离 大 于800 m ， 选
Fig.6 Mastercontrollerofautomaticsprayingprototype
择ISM 国 际 公 用 频 段433MHz 。
按 键S ， 打 开 对 应 的 电 磁 阀 进 行 选 择 性 自 动 喷
2 . 4 . 4 供 电 单 元
雾 。 按 下 “ 自 动 ” 工 作 模 式 键 后 ， 喷 雾 作 业 由 单
供 电 单 元 由 太 阳 能 电 池 板 、 太 阳 能 控 制 器 和
片 机 控 制 自 动 完 成 。 自 动 喷 雾 控 制 电 路 接 收 当 前
蓄 电 池 组 成 ， 为 主 控 制 器 、 无 线 数 据 传 输 模 块 和
电 磁 阀 及 其 驱 动 电 路 供 电 。 太 阳 能 电 池 板 安 装 在
工 作 电 磁 阀 控 制 节 点 的 喷 雾 结 束 信 号 后 ， 即 发 出
果 园 中 的 立 柱 上 ， 其 安 装 朝 向 及 角 度 以 其 接 受 阳
喷 雾 控 制 信 号 给 下 一 个 电 磁 阀 ， 实 现 自 动 顺 序
光 照 射 时 间 最 长 和 光 通 量 最 大 为 最 优 。
喷 雾 。
本 研 究 中 选 用 的 太 阳 能 供 电 系 统 为12 V 蓄
2 . 4 . 2 电 磁 阀 驱 动 电 路
电 池 ， 为 满 足 单 片 机 需 要 的5V 电 源 ， 设 计 了 由
电 磁 阀 的 开 启 与 闭 合 直 接 控 制 喷 雾 管 道 中 喷
降 压 开 关 型 集 成 稳 压 芯 片LM2596 和 外 部 电 路 构
头 的 喷 雾 状 态 。 电 磁 阀 的 打 开 与 关 闭 由 其 两 个 线
成 的 稳 压 电 路 。 该 供 电 单 元 在 为 电 磁 阀 供 电 的 同
圈 控 制 ， 当 线 圈1 得 到 来 自 单 片 机I/O 口 脉 宽
时 ， 也 可 以 为 控 制 器 、 数 传 模 块 提 供 电 源 。
0.5 ~3 s 的 脉 冲 后 ， 电 磁 阀 打 开 并 保 持 打 开 的 状
2 . 4 . 5 喷 雾 控 制 子 程 序 流 程
态 ， 控 制 喷 头 进 行 喷 雾 ； 当 线 圈2 得 到 来 自 单 片
自 动 喷 雾 控 制 器 的 核 心 程 序 是 自 动 喷 雾 子 程
机I/O 口 脉 宽0.5 ~3s 的 脉 冲 后 ， 电 磁 阀 关 闭 并 保
序 ， 其 流 程 图 如 图8 所 示 。
［18 ］
持 关 闭 的 状 态 ， 喷 头 停 止 喷 雾 。 电 磁 阀 的 驱
若 选 择 “ 手 动 模 式 ” ， 通 过 遥 控 器 即 可 控 制
动 电 路 原 理 框 图 如 图7 所 示 。
电 磁 阀 的 通 断 。 本 研 究 中 选 择 了 “ 自 动 模 式 ” ，
为 节 省 电 能 消 耗 ， 试 验 中 选 用 了 型 号 为ZC ‐
电 磁 阀 的 通 断 按 照 图8 的 流 程 进 行 ： “ 自 动 模 式 ”
ZB-DN15 型 自 保 持 脉 冲 电 磁 阀 ， 其 主 要 技 术 参
下 ， 程 序 自 动 发 出 控 制 第 一 个 电 磁 阀 开 启 的 信
号 ， 由 该 电 磁 阀 控 制 的 喷 雾 小 组 进 行 喷 雾 ， 同
时 ， 系 统 进 行 计 时 ， 当 计 时 达 到 预 设 的 持 续 开 通
时 间 Δt 时 ， 关 闭 该 电 磁 阀 ， 并 同 时 打 开 下 一 个
电 磁 阀 。 如 此 循 环 下 去 ， 根 据 预 定 的 电 磁 阀 开 通
图7 电 磁 阀 的 驱 动 电 路 原 理 框 图
顺 序 ， 依 次 打 开 和 关 闭 ， 直 到 最 后 一 个 电 磁 阀 关
Fig.7 Schematicdiagramofdrivingsolenoidvalve
闭 ， 自 动 的 完 成 整 个 果 园 内 各 个 喷 雾 小 组 的 喷 雾Vol.4,No.3 宋 淑 然 等 ： 山 地 果 园 管 道 自 动 喷 雾 系 统 设 计 与 试 验
9 1
获 得 既 能 保 证 喷 雾 有 效 又 不 至 于 造 成 药 害 的 电 磁
阀 持 续 开 通 时 间 Δt 。
3 . 2 采 样 点 布 置
喷 雾 试 验 在 华 南 农 业 大 学 工 程 学 院 北 楼 楼 顶
进 行 ， 试 验 果 树 为 盆 栽 橘 树 ， 高 度132cm ， 树 冠
直 径146 cm 。 先 将 橘 树 冠 层 划 分 成 的 前 、 后 、
左 、 右4 个 部 分 ， 再 沿 垂 直 方 向 划 分 上 、 中 、 下
三 个 水 平 层 ， 每 个 区 域 内 ， 均 匀 分 布4 个 采 样
［19 ］
点 ， 喷 雾 试 验 现 场 如 图9 所 示 。
图8 喷 雾 控 制 子 程 序 流 程 图
Fig.8 Flowchartofsubroutineforspraying
作 业 。
开 机 启 动 后 ， 系 统 即 进 行 程 序 的 初 始 化 ， 使
用 者 通 过 软 件 预 设 电 磁 阀 持 续 开 通 时 间 Δt ， 此 时
间 即 为 发 出 开 启 信 号 与 发 出 关 闭 信 号 之 间 的 时 间
图9 管 道 自 动 喷 雾 试 验 现 场
差 ， 然 后 按 下 主 控 器 的 模 式 选 择 键M ， 进 行 工 作
Fig.9 Pipelineautomaticsprayingtestsite
模 式 的 选 择 。
3 . 3 试 验 结 果 分 析
3 喷 雾 有 效 性 试 验
本 试 验 共 有4 个 喷 雾 小 组 ， 每 个 喷 雾 小 组 中
3 . 1 试 验 目 的
有5 棵 果 树 。 前 期 预 试 验 发 现 ，1.0 MPa 压 力 下 ，
喷 头 雾 滴 穿 透 与 雾 化 指 标 已 经 能 满 足 喷 雾 的 需
当 电 磁 阀 持 续 开 通 时 间 Δt 不 同 时 ， 喷 头 持
求 ， 当 喷 雾 压 力 大 于1.0 MPa 时 ， 雾 滴 的 穿 透 力
续 喷 雾 的 时 间 不 同 ， 雾 滴 在 果 树 树 冠 上 的 沉 积 也
会 稍 有 增 强 从 而 提 升 喷 雾 的 有 效 性 ， 因 此 本 试 验
不 同 。 若 Δt 过 小 ， 雾 滴 在 树 冠 上 的 沉 积 量 较 少 ，
选 用 了1.0 MPa 的 压 力 用 以 验 证 喷 雾 的 有 效 性 ；
对 病 虫 害 防 治 效 果 会 降 低 ； 反 之 ， 若 Δt 过 大 ，
即 实 际 田 间 喷 雾 时 ， 只 要 管 道 压 力 不 小 于1.0MPa ，
雾 滴 在 树 冠 上 的 沉 积 量 较 多 ， 虽 然 可 以 起 到 有 效
就 能 满 足 喷 雾 有 效 性 的 要 求 。
防 治 病 虫 害 的 效 果 ， 但 过 多 的 农 药 雾 滴 沉 积 会 造
利 用 自 动 喷 雾 控 制 程 序 ， 电 磁 阀1 ~4 依 次 打
成 药 害 和 污 染 果 园 环 境 。 因 此 ， 利 用 自 动 喷 雾 技
开 和 关 闭 。 在 设 定 电 磁 阀 开 通 的 持 续 时 间 Δt 分
术 和 设 施 时 ， 合 适 的 电 磁 阀 持 续 开 通 时 间 Δt 的
别 为5 、6 、7 和8s 时 ， 进 行 了4 次 喷 雾 试 验 。 喷
确 定 极 为 重 要 。
为 确 定 合 适 的 Δt ， 本 研 究 中 使 用 浓 度 为 雾 结 束 后 ， 收 集 采 样 点 上 的 模 拟 叶 片 ， 利 用 数 码
2
显 微 镜 读 取 模 拟 叶 片 上 的 雾 滴 个 数 ， 以25 滴/cm
250 μg/ml 的 罗 丹 明B 溶 液 代 替 喷 雾 药 液 ， 设 定
［20 ］
不 同 的 电 磁 阀 持 续 开 通 时 间 Δt 进 行 喷 雾 试 验 ， 雾 滴 为 判 断 喷 雾 是 否 有 效 的 分 界 线 ； 采 样 点智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.3
9 2
2
上 雾 滴 沉 积 不 少 于25 滴/cm 为 有 效 喷 雾 ， 否 则 使 用 背 负 式 喷 雾 器 的 人 工 喷 雾 作 业 效 率 一 般 为
2
为 无 效 喷 雾 。 0.017 ~0.025 hm/h ， 使 用 普 通 管 道 的 人 工 喷 雾 作
2
定 义 有 效 喷 雾 采 样 点 的 个 数 占 总 采 样 点 个 数 业 效 率 一 般 为0.05 ~0.058 hm/h ， 使 用 无 人 机 的
2
的 百 分 比 为 喷 雾 有 效 率 。 不 同 喷 雾 持 续 时 间 下 的 喷 雾 作 业 效 率 一 般 为1.25 hm/h 左 右 ， 山 地 果 园
喷 雾 有 效 率 试 验 结 果 如 表1 所 示 。 管 道 自 动 喷 雾 技 术 的 作 业 效 率 为 人 工 喷 雾 效 率 的
45 ~150 倍 ， 是 无 人 机 喷 雾 作 业 效 率 的2.1 倍 ， 由
表 1 不 同 喷 雾 持 续 时 间 下 喷 雾 有 效 率
Table1 Effectiverateofsprayingatdifferentsprayduration
此 看 出 ， 山 地 果 园 管 道 自 动 喷 雾 技 术 在 病 虫 害 防
治 的 时 效 上 具 有 明 显 的 优 势 。
电 磁 阀 持 续 开 通 时 间 Δt/s 5 6 7 8
喷 雾 有 效 率/% 50 60 90 100
4 结 论
由 试 验 结 果 可 知 ， 当 电 磁 阀 打 开 持 续 时 间 由
针 对 山 地 果 园 植 保 作 业 中 喷 雾 作 业 效 率 低 、
5 s 延 长 到8 s 时 ， 喷 雾 的 有 效 率 在 逐 渐 提 高 ， 这
劳 动 强 度 大 、 移 动 式 喷 雾 机 械 难 以 进 入 的 问 题 ，
是 由 于 随 着 电 磁 阀 打 开 持 续 时 间 的 延 长 ， 喷 头 对
基 于 管 道 喷 雾 ， 本 研 究 设 计 了 一 种 自 动 喷 雾 系
树 冠 的 喷 雾 时 间 变 大 ， 喷 头 喷 出 的 液 体 量 变 大 ，
统 ， 并 进 行 了 喷 雾 有 效 性 试 验 ， 主 要 取 得 的 结 论
使 雾 滴 在 树 冠 上 的 有 效 沉 积 变 大 ； 当 电 磁 阀 打 开
如 下 。
持 续 时 间 为8 s 时 ， 采 样 点 上 喷 雾 的 有 效 性 达 到
（1 ） 管 道 自 动 喷 雾 系 统 由 喷 雾 首 部 、 喷 雾 管
100% ， 满 足 了 有 效 喷 雾 的 要 求 。 当 再 次 延 长 喷
道 、 自 动 喷 雾 控 制 器 及 喷 雾 小 组 组 成 。
雾 时 间 至9 和10 s 时 ， 喷 雾 有 效 率 并 无 提 升 ， 且
（2 ） 通 过 试 验 发 现 ， 电 磁 阀 持 续 开 通 时
会 有 雾 滴 聚 结 成 水 珠 滴 落 ， 造 成 不 必 要 的 浪 费 与
间 8 s ， 即 可 完 成 果 树 的 喷 雾 作 业 ， 据 此 计 算 出
污 染 。 因 此 ， 在 自 动 喷 雾 控 制 器 的 软 件 设 计 中 ，
了 采 用 这 种 管 道 自 动 喷 雾 设 施 的 喷 雾 作 业 效 率 为
设 定 电 磁 阀 的 开 启 持 续 时 间 为8s 。
2
2.61 hm/h ， 与 人 工 喷 雾 相 比 ， 降 低 了 喷 雾 作 业
需 要 说 明 的 是 ， 上 述 结 果 是 在 本 研 究 提 及 的
的 时 间 。
试 验 条 件 下 获 得 的 ， 若 使 用 本 技 术 进 行 自 动 喷
可 以 预 见 ， 在 农 村 劳 动 力 逐 步 减 少 、 难 以 雇
雾 ， 要 根 据 实 际 所 用 喷 头 型 号 、 安 装 数 目 和 位 置
佣 人 工 的 形 式 下 ， 管 道 自 动 喷 雾 技 术 在 中 国 的 山
的 不 同 以 及 果 树 树 冠 的 实 际 情 况 ， 进 行 实 际 的 田
地 果 园 中 应 用 前 景 广 阔 。 由 于 管 道 自 动 喷 雾 设 施
间 喷 雾 试 验 以 确 定 电 磁 阀 的 开 启 持 续 时 间 。
中 的 基 本 组 件 及 技 术 的 局 限 ， 今 后 的 研 究 应 重 点
3 . 4 作 业 效 率 分 析
关 注 ：
（1 ） 研 发 适 应 于 山 地 果 园 中 基 于 管 道 的 自 动
按 照 本 试 验 中 每 个 电 磁 阀 控 制5 棵 树 的 喷 头
喷 雾 设 施 的 喷 头 ， 具 有 造 价 低 、 耐 腐 蚀 、 雾 锥 角
喷 雾 持 续 时 间8 s 计 算 ， 使 用 管 道 自 动 喷 雾 设 施
大 、 雾 滴 粒 径100 μm 左 右 、 防 滴 的 特 性 ；
完 成 一 亩 地 的 山 地 橘 园 （ 按 照55 棵 树 ） 喷 雾 作
（2 ） 研 发 基 于 管 道 的 在 线 混 药 装 置 并 形 成 产
业 的 时 间 t = 8 s × （55 棵/ 亩/5 棵 ） =88 s/ 亩
品 ， 进 一 步 解 决 喷 雾 作 业 后 管 道 中 药 液 的 剩 留
2
（ 2 2 m i n / h m ） 。 考 虑 设 备 启 动 用 时 及 启 动 后 管
问 题 。
道 排 除 空 气 的 耗 时 （ 按 照10 min 计 ， 均 摊 在 连
续 工 作4 h 中 ， 则 每 小 时 的 喷 雾 工 作 时 间 记 为
参 参 考 考 文 文 献 献 ：
57.5min ） ， 由 此 可 以 计 算 出 ， 使 用 该 设 施 的 喷 雾
[1] AGNELLO A M, LANDERS A J. Current progress in
作 业 效 率 η 如 公 式 （6 ） 所 示 ：
the development a fixed spraying applicator system for
2
η=57.5 ×60/88/15=2.61hm/h （6 ）
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项 目 组 在 实 地 调 研 果 农 时 获 知 ， 山 地 果 园 中 http://web. entomology. cornell. edu/.../Agnello_Fixed_Vol.4,No.3 宋 淑 然 等 ： 山 地 果 园 管 道 自 动 喷 雾 系 统 设 计 与 试 验
9 3
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XUE X,YAN H, WU P, et al. Equipment for crop pro ‐ Beijing:ChinaMachinePress,2014:19-20.
AutomaticSprayingTechnologyandFacilitiesfor
PipelineSprayinginMountainousOrchards
1,2,3 1 1,2,3 1,2,3
SONGShuran ,HUShengyang,SUNDaozong ,DAIQiufang ,
1,2,3 1,2 1,2,3
XUEXiuyun ,XIEJiaxing ,LIZhen
（1. College of Electronic Engineering(College ofArtificial Intelligence), South ChinaAgricultural University,
Guangzhou510642, China;2. Guangdong Engineering Research Center for MonitoringAgricultural Information,
Guangzhou510642, China;3. Division of Citrus Machinery, ChinaAgriculture Research System, Guangzhou
510642, China ）
Abstract: The orchard in the mountainous area is rugged and steep, and there is no road for large-scale plant protection machin ‐
ery traveling in the orchard, so it is difficult for mobile spraying machinery to enter. In order to solve the above problems, the
automatic pipeline spraying technology and facilities were studied.Apipeline automatic spraying facility suitable for mountain ‐
ous orchards was designed, which included spraying head, field spraying pipeline, automatic spraying controller and spraying
groups.The spraying head wascomposed ofa spraying unitand a constantpressure controlsystem,which pressurized the pesti ‐
cide liquid and stabilized the liquid pressure according to the preset pressure value to ensure a better atomization effect. Field
spraying pipeline consisted of main pipeline, valves and spraying groups. In order to perform automatic spraying, a solenoid
valve was installed between the main pipeline and each spraying group, and the automatic spraying operation of each spraying
group was controlled automatically by the opening or closing of the solenoid valve.An automatic spraying controller composed
of main controller, solenoid valve driving circuit, solenoid valve controlling node and power supplying unit was developed, and
the controlling software was also programmed in this research. The main controller had manual and automatic two working
modes.Thesolenoid valvecontrolling nodewasused to send wirelesssignalsto themain controllerand receivewirelesssignals
from the main controller, and open or close the corresponding solenoid valve according to the received control signal. During
the spraying operation, the pesticide liquid flowed into the orchard from the spray head through the pipeline. The automatic
spray controller was used to controlthe solenoid valve to open or close the spray group one by one,and implementmanualcon ‐
trol or automatic control of spraying. In order to determine the continuous opening time of the solenoid valve, an effectiveness
ofthespraytestwascarriedout.Thesprayingtestresultsshowedthatsprayingeffectivenesscouldbeguaranteedbyopeningso ‐
2
lenoidvalvefor8scontinuously.Theefficiencyofthispipelineautomaticsprayingfacilitywas2.61hm /h,whichwas45 －150
times that of manual spraying, and 2.1 times that of unmanned aerial vehicle spraying.The automatic pipeline spraying technol ‐
ogy in mountainous orchards had obvious advantages in the timeliness of pest controlling. This research can provide references
andideasforthedevelopmentofspraytechnologyandintelligentsprayingfacilitiesinmountainousorchards.
Key words: mountainous orchard; spraying pipeline; automatic spray; solenoid valve; intelligent application facilities; liquid
medicinepressureloss
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