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设施蔬菜多功能植保机设计与试验

时间:2021年03月23日 分类:农业论文 次数:

摘要:针对设施蔬菜病虫害绿色防控的需要,设计了一款多功能植保机,并配套设计了信息管理系统。设备主要包括臭氧发生、电路控制、高速风机、诱虫灯、环境数据采集等模块。各模块由STM32F103微处理器进行控制。设备采用高压放电法制取臭氧,通过配备的风机及

  摘要:针对设施蔬菜病虫害绿色防控的需要,设计了一款多功能植保机,并配套设计了信息管理系统。设备主要包括臭氧发生、电路控制、高速风机、诱虫灯、环境数据采集等模块。各模块由STM32F103微处理器进行控制。设备采用高压放电法制取臭氧,通过配备的风机及气流导向板将臭氧扩散至设施整个空间,实现病菌及害虫卵和幼虫的消杀;利用诱虫灯将害虫成虫吸引至设备底部,通过风机产生的吸力将其吸入设备内杀灭。基于物联网体系架构设计的信息管理系统可实现设备的远程控制和植保数据的智能管理。将设备应用于温室黄瓜白粉病和烟粉虱的防治,试验结果表明,黄瓜全生长期使用该设备后,可将黄瓜白粉病的病情指数控制在5.9,对黄瓜烟粉虱的防治效果可达89.5%。

  关键词:植保机;病虫害;臭氧;物联网;远程控制

农业机械学报

  0引言

  随着设施蔬菜产业的发展,蔬菜受病虫害的影响日趋严重[1-2]。目前,对设施蔬菜病虫害的防治主要依赖于化学农药。各种化学农药的大量使用,一方面使得病虫产生抗药性,防治更加困难,另一方面造成了严重的环境污染和农药残留,直接影响了蔬菜的品质。因此,发展设施蔬菜病虫害绿色防控技术,减少化学农药的施用量,对确保蔬菜产量和质量具有十分重要的社会意义和经济价值[3]。

  臭氧(O3)具有很强的氧化性,不仅能够快速、高效、广谱地杀菌,而且安全无毒,是极具开发价值的气体。臭氧作为一种光谱性杀菌剂,具有很好的杀菌效果[4-11]。近年来,利用臭氧气体防治作物病虫害的研究受到国内外学者的广泛关注,取得了初步成效[12-15]。MITSUGI等[16-17]试验表明使用臭氧气体熏蒸土壤能够有效杀灭线虫。

  张娜等[18]研究结果表明不同浓度臭氧熏蒸处理均可以显著抑制树莓微生物繁殖(P<0.05)。张治家等[19]利用160mg/m3的臭氧气体处理30min,番茄和黄瓜种子表面微生物的抑制率达到最大值,分别为97.4%和99.5%。高文瑞等[20]研究发现增施臭氧能显著降低大棚内番茄和辣椒的田间病害发生率,同时能促进产量的增加。范鑫等[21]对臭氧技术及臭氧植保机械在农业领域的研究应用现状进行梳理,指出臭氧植保机械成本高、臭氧浓度不易控制等因素制约了臭氧技术在农业领域的大规模应用。针对现有臭氧植保机械便携性差、系统落后、价格昂贵且功能单一等问题,本文结合设施蔬菜病虫害防治特点,设计一款设施蔬菜多功能植保机,并配套研发信息管理系统,以期为设施蔬菜病虫害的绿色防控提供新的设备与技术。

  1总体结构

  设施蔬菜多功能植保机的设计主要包括多功能植保机硬件的设计和与其配套的信息管理系统的设计。

  在实际应用中,多功能植保机主要悬挂安装在设施温室的顶部,通过无线传输网络实现与信息管理系统的通信。信息管理系统包括Web端信息管理系统和APP端信息管理系统。Web端信息管理系统主要负责与数据中心的信息交互,实现植保数据的智能管理;APP端信息管理系统主要负责设备的远程控制、售后服务、数据查询等,实现硬件设备的智能管理。

  2多功能植保机设计

  多功能植保机具有杀菌、除虫、辅助加热、环境数据采集等功能,主要由臭氧发生器、风机、诱虫灯、气流导向板、传感器、控制装置等组成。设备宽度为800mm,高度为318mm,额定电压为220V,额定功率为290W。

  2.1设备工作原理

  多功能植保机属于高压放电式臭氧发生器,利用一定频率的高压电流制造电压电晕电场,使电场内或电场周围的氧分子发生电化学反应制造臭氧,通过配备的风机及气流导向板将其扩散至设施整个空间。在病害防治方面,当臭氧达到一定浓度时,会氧化分解细菌和真菌的细胞壁,使其代谢和繁殖遭到破坏,达到杀灭病菌的目的[21]。在虫害防治方面,根据害虫发育不同时期的特点,分别采用物理和化学方法除虫:在害虫的卵和幼虫时期,当臭氧达到一定浓度时,其强氧化性会氧化害虫的细胞膜,导致细胞死亡,从而有效杀灭害虫的卵和幼虫;在害虫的成虫时期,利用害虫的趋光性,设备底部的黄、蓝色诱虫灯吸引害虫飞近后,高速旋转的风机产生的吸力会把害虫吸入设备内杀灭。

  2.2设备结构与功能

  设备配有臭氧发生、电路控制、高速风机、诱虫灯、环境数据采集等功能模块。

  2.2.1臭氧发生模块

  臭氧发生模块是该设备的核心组件,包括臭氧电源、臭氧电极、高压包等。臭氧电源负责输出高压直流电。臭氧电极基于沿面放电原理在高频电压作用下电离氧气产生臭氧。控制装置在臭氧释放方面采用了更为周全的设计,采用持续断续性臭氧释放,同时控制风机连续送风,增加臭氧与空气混合程度。研发的臭氧发生器外形尺寸为610mm×460mm×320mm,并联安装2个高压放电管,臭氧产量10g/h,出风口处臭氧浓度4.3~10.7mg/m3。

  3信息管理系统设计多功能植保机信息管理系统以TCP/IP协议为网络基础,基于J2EE、HTTP、Android等软件开发技术,按照感知层、网络层、应用层的物联网体系架构[22]进行建设。

  4试验

  为验证多功能植保机对设施蔬菜病虫害的防治效果,在全国不同省市进行了多组不同作物的病虫害防治试验。本文以与山东省植物保护总站合作开展的温室黄瓜病虫害防治试验为例,介绍多功能植保机在温室中的应用效果。

  4.1试验设计

  以黄瓜白粉病、烟粉虱为试验对象,在山东省济南市长清区恒源农业生态园开展了温室蔬菜病虫害防治试验。试验中,随机选择3个温室(每个温室面积为667m2)作为对照组,每个温室同时定植全雌油量王品种黄瓜。

  3个对照组具体设置如下:对照组1,空白对照(CK),即对温室内黄瓜不作任何病虫害防治处理;对照组2,对温室内黄瓜采用多功能植保机防治病虫害处理;对照组3,对温室内黄瓜采用化学农药防治病虫害处理(喷洒25%嘧菌酯1500倍液防治黄瓜白粉病;喷洒12%乙基多杀菌素2000倍液防治黄瓜烟粉虱)。3个对照组,其它水肥、前茬作物、日常管理措施等均相同。试验从黄瓜定植后一周开始,分别在苗期、初果期、盛果期内各取样一次,共3次。

  农业论文投稿刊物:农业机械学报(月刊)创刊于1957年,是由中国科协主管、中国农业机械学会和中国农业机械化科学研究院主办的唯一综合性学术期刊, 农业工程类中文核心期刊,美国工程信息公司(EI)和美国化学文摘社(CA)收录期刊。

  5结论

  (1)针对设施蔬菜病虫害绿色防控的需要,设计了一款设施蔬菜多功能植保机,设备主要包括臭氧发生、电路控制、高速风机、诱虫灯、环境数据采集等模块。(2)配套设计了多功能植保机信息管理系统,可实现多功能植保机的远程控制和植保数据的智能管理。(3)温室黄瓜病虫害防治试验结果表明,使用多功能植保机对温室黄瓜白粉病和烟粉虱均具有较好的防治效果。(4)多功能植保机在对温室黄瓜白粉病和烟粉虱防治的过程中未施用化学农药,避免了化学农药施用产生的农药残留、环境污染、病虫抗药性等问题,可为设施蔬菜病虫害的绿色防控提供参考。

  参考文献

  [1]王翔宇,温皓杰,李鑫星,等.农业主要病害检测与预警技术研究进展分析[J/OL].农业机械学报,2016,47(9):266-277.WANGXiangyu,WENHaojie,LIXinxing,etal.Researchprogressanalysisofmainlyagriculturaldiseasesdetectionandearlywarningtechnologies[J/OL].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2016,47(9):266-277.http://www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160937&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.037.(inChinese)

  [2]CARVAJAL-YEPESM,CARDWELLK,NELSONA,etal.Aglobalsurveillancesystemforcropdiseases[J].Science,2019,364(6447):1237-1239.

  作者:王志彬1,2乔晓军1,2刘智1,2王莹1李玉风

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