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背景
设施农业是现代农业的一个重要组成部分，承担着给城市稳定供应蔬菜、瓜果的重要职能。京郊农业生产基地从经济效益角度出发，大多实行多年连茬种植，致使土传疾病加重，果菜品质下降，增加了农民负担（刘天英，2011）。加之温室封闭生产周期处于高温、高湿的微环境下，这种特点更有利于连作种植后土壤中的根结线虫加剧生长，引发更严重的农产品产量和质量的下降。土壤中的根结线虫（Meloidogyne Incognita）病害发生后会减产10%～20%，严重的达75%以上（刘星，2015）。线虫不仅危害植物本身，其侵袭造成的伤口有利于其他病原物的侵入，与真菌、细菌等其他病原交互作用（刘霆，2011）。根结线虫严重危害农业生产，尤其茄科、葫芦科等经济价值较高的作物受害严重，我国每年因线虫为害损失达到30 亿元以上。近年来，随着中国日光温室大面积快速发展，蔬菜根结线虫病发生区域不断扩大，危害日益严重（王莉，2011）。根结线虫已是我国农业生产，尤其是保护地蔬菜生产的第一大病害。由于根结线虫发生于地下，日常管理难于发现，植物地上表现受害症状时再防治则为时已晚，且可以随着灌溉水进行传播，因此一旦发生则难于根除。另一方面，由于根结线虫常年寄生在土壤和植物根系组织，一般的药剂很难直接作用于根结线虫，根结线虫的防治也一直是困扰研究人员和农业生产的难题。国内外学者对线虫防治进行了大量的研究，比较常用的方法是在种植之前进行土壤处理，降低土壤中的病原基数，从而可以预防和减轻病害的发生。种植前土壤处理可采用的手段有多种，利用化学药剂消毒、生物防治、蒸汽热消毒、太阳能消毒等土壤消毒措施是目前防治土壤传染病的主要方法（马伟，2014；刘霆，2011），另外，还有火烧、水淹等物理方法。相比较而言，对根结线虫的防治研究主要集中在化学药剂防治和生物防治领域（刘天英，2011）。生物防治目前主要是增强自然发生的拮抗物活性或引入其他的拮抗物来实现的，存在见效慢且对环境要求较高的缺点。化学防治见效快，但对配套技术理论及装备有较高要求，施药方法不当会引起施药效率低、产生药害等不利问题。由于技术水平、成本等因素的限制，化学施药目前主要依靠人工，精度和效率较低，对药剂的利用率也比较低（王秀，2012）。目前，施药相关方法和变量技术理论国内正处于初步研究阶段，有关其研究的文献较少（张锋，2014）。
研究现状分析及存在问题
根结线虫有“植物癌症”之称，对根结线虫施药防减方法的研究，国内外已经开展了较长时间的研究，并筛选了很多药剂，并取得了很多成果。传统的根结线虫施药防减方法如灌根法、手持注射器等耗时、费力，且药量的控制、调配、混合的环节多、精度低，植保人员的工作量大，主观因素大，安全性差。随着传感器技术和计算机技术的发展与应用，目前害虫施药精准变量控制和活力跟踪的新技术主要有PWM占空比、在线传感决策、在线智能配药、注入式复配等。国外从事相关研究的国家有美国、日本、英国等，尤其是美国在变量施药方面有较多研究；国内进行变量施药的单位有中国农业科学院、中国农业大学、中国农业机械化研究院、北京市农林科学院、江苏大学等。由于施药剂量变量调控技术和持效期活力跟踪对于无法直观观察的不可视土层环境而言，是非常困难的，但又是土壤根结线虫防治需要突破的两个最关键点，因此，目前成了根结线虫防减研究的热点。
目前，大多数研究侧重于线虫病害的诊断及药剂防效试验，施药方法理论及技术装备相对落后，多采用人工灌根或喷雾器注射等方式，且药量基本是依靠人工判断和经验，存在很大的不确定性和随意性，对基于信息化手段的自动化施药方法落后引起土壤药剂过多残留及污染等问题关注不够。因此，极有必要进一步研究辣根素防减根结线虫施药剂量变量调控新方法，并对其持效期活力跟踪研究，提高根结线虫防减精度和安全性。
通过改善根部土壤环境从而促进植株长势的研究在日本起步较早，日本学者通过机具将压缩空气直接注入使得较深的土层下部膨松， 改善植物根部供氧状况， 以利植物对N、P、K的吸收，达到土壤改良目的（梁昆宝，1984）。国内外学者在土壤改良技术装备上的研究有微波、火焰、远红外等方式达到快速高效精准作业目的，并在作业参数控制上进行了多种对比试验（马伟等，2014）。通过注入式变量施药方法能够实现药液精准快速到达病灶，设施土壤农药注入式施用装置能做到单次单穴定量压力注射（马伟，2014），通过土壤施药不同行的药量在线独立调控，能实现温室不同空间和时间有差异的药量调控，（马伟，发明专利，2015），由于土壤堵塞和施药作业不可见的问题，土壤施药机构及药液输送分配系统的研究能将不可见的土壤施药环境间接监测并动态调节药量（马伟，中国发明专利，2015）。根据土壤物理参数、作物长势开发土壤施药变速注药流量伺服调节系统的研究为土壤施药的变量研究提供了一种可变的控制方法（马伟，中国发明专利，2015），为了解决温室GPS信号定位不稳的原因，研究的基于激光的设施土壤施药定位方法，通过种植前土壤任一点收到的调制激光信号实现相对极坐标精准定位原理，实现了土壤精确定点定深度的变量施药，为施药的精确提供了便利（（马伟，中国发明专利，2015）。从上面的研究可以看出，改善根部土壤环境，引入传感感知的方法对土壤施药是一条可以防治土传疾病的有效途径，通过嵌入式单片机内部存储的智能运算的方法，能把土壤施药复杂对象流程化，通过数学模型回归和收敛，能解决根部土壤施药控制精度，把受制于施药手段落后的防效出色的药剂无法应用的问题解决掉，促进该领域安全施药的快速发展。
土壤对靶变量施药
土壤施药在有秧苗的地块需要对靶施药，从而对有秧苗的部位进行施药。在没有苗的地方少施药，需要对施药管路的药液进行自动分配。但是，在分配施药管路时，很容易出现与秧苗的位置信息不匹配的情况，从而因定位不精确而导致浪费施药量的问题。设施土壤施药管路分配红外传感装置的创新研究可以解决这一问题。该装置包括行走机构、控制器及升降注射头、第一红外传感器和第二红外传感器；第一红外传感器和第二红外传感器用于探测作物的位置并反馈至控制器中，控制器根据反馈的位置信息计算施药量并控制升降注射头进行施药，从而确保在秧苗根部的特定区域实现精确施药，达到节省施药量的目的。 实际作业时，先在控制器2上设定好第一红外传感器5探测的水平作物每1 cm的施药量数值；然后输入作物距离（红外传感器探测的距离），打开传感系统进行初步校准，背景噪声校准完成后即可开始工作。直接推着该装置匀速前进，即可完成自动对靶和红外管路药量的分配和所对应的不同管路的开闭。
土壤消毒机器人施药
传统设施土壤消毒主要依赖人工作业，其作业的危险系数大，操作复杂。因此，需要开发一种自走电动注入施用装备，能在电池驱动下进入地里进行自走自动识别障碍物，自动定位并进行行走作业，根据障碍物分布情况自动土壤施药注射，极大减少人工操作，对土壤自动化施药具有非常重要的作用。设施电动自走注入式土壤农药施用机器人的研究可以解决这一问题。该机器人包括：自走机身、控制器及分别与控制器连接的超声传感器、激光传感器和药液注射单元；该机器人采用混合动力为土壤施药提供长期稳定的供电。在自走机身上设置有蓄电池和发电机，蓄电池用于为自走机身提供动力，发电机用于对蓄电池进行充电且为自走机身提供备用动力；而且，通过控制器控制蓄电池与发电机之间的动力切换；同时，利用超声传感器对靶作物区域，利用激光传感器定位障碍物，通过各个器件之间的协同作用实现实现精确化的无人注射作业。
通过安装在前后的激光传感器11矩阵能够准确预测前进过程中的障碍物，并根据障碍物的远近距离提前计算作业速度以及转弯时间，并远程发送给控制中心操作人员。预警信号没有得到响应时，系统就会根据运算结果自定挑头返回，开始下一行，并在该行的地头喷洒颜料进行标记。此外，激光传感器11对障碍物定位后也可自动记忆，并储存位置信号在控制器9中，可通过USB线连接电脑后导出数据，以便制定作业程序时将其嵌入处方图中，为其他类似智能机械的定位提供预警参考。
土壤施药变量调控系统
土壤施药由于土壤板结阻力、机械转弯减速、以及加油不均等问题引起土壤注药系统需要频繁的变速注药，以确保消除外界干扰，实现地块均匀施药以及变量施药的目的。但是，目前现有技术中还不能很好的实现根据土壤施药变速作业的实际需要进行方便、快速地变速注药。土壤施药变速注药流量伺服调节系统及方法的研究可以很好的解决这一问题。土壤施药变速注药流量伺服调节系统包括施药预设机构、控制器、脉宽电磁阀、流量传感器及注射泵；所述施药预设机构与控制器连接，所述施药预设机构根据土壤施药变速作业的需求预设施药量；所述控制器根据所预设的施药量产生脉冲信号，并将该脉冲信号发送至所述脉宽电磁阀；所述脉宽电磁阀与注射泵连接，用于控制所述注射泵输出与所预设施药量相同的药液；所述注射泵连接有用于将药液喷射于土壤深层的注射高压管；所述流量传感器设置于注射高压管上，用于实时采集药液流量并反馈给所述控制器。
施药预设机构与控制器3连接，施药预设机构根据土壤施药变速作业的需求预设施药量；控制器3根据所预设的施药量产生脉冲信号，并将该脉冲信号发送至脉宽电磁阀；
同时，脉宽电磁阀与注射泵9连接，用于控制注射泵9输出与所预设施药量相同的药液，可使注射泵得到经过调制的电流信号，并按照控制器3设定的压力和流量进行运转；而且，该注射泵9还连接有用于将药液喷射于土壤深层的注射高压管10，该注射高压管10可将加压后的定量药液喷入土壤的深层。同时，流量传感器11设置于注射高压管10上，用于实时采集药液流量并反馈给控制器3，从而进行可根据实际情况进行PID的伺服调节。
结论
本文所提出的理论方法探索主要基于机器视觉、模式识别、自动控制等方法，是在经典理论与技术上的自主创新，是信息技术在设施农业学科中的交叉研究。研究小组在前期做了大量的基础研究和创新探索工作，构建了视觉信息获取系统、农业机器人平台，针对土壤关键理论及方法提出创新研究目标，系统方案和技术路线经过论证，具有可行性，土壤施药理论及创新方法的研究成果对该领域具有非常重要意义。
*果类蔬菜产业技术体系北京市创新团队支持
设施农业是现代农业的一个重要组成部分，承担着给城市稳定供应蔬菜、瓜果的重要职能。京郊农业生产基地从经济效益角度出发，大多实行多年连茬种植，致使土传疾病加重，果菜品质下降，增加了农民负担（刘天英，2011）。加之温室封闭生产周期处于高温、高湿的微环境下，这种特点更有利于连作种植后土壤中的根结线虫加剧生长，引发更严重的农产品产量和质量的下降。土壤中的根结线虫（Meloidogyne Incognita）病害发生后会减产10%～20%，严重的达75%以上（刘星，2015）。线虫不仅危害植物本身，其侵袭造成的伤口有利于其他病原物的侵入，与真菌、细菌等其他病原交互作用（刘霆，2011）。根结线虫严重危害农业生产，尤其茄科、葫芦科等经济价值较高的作物受害严重，我国每年因线虫为害损失达到30 亿元以上。近年来，随着中国日光温室大面积快速发展，蔬菜根结线虫病发生区域不断扩大，危害日益严重（王莉，2011）。根结线虫已是我国农业生产，尤其是保护地蔬菜生产的第一大病害。由于根结线虫发生于地下，日常管理难于发现，植物地上表现受害症状时再防治则为时已晚，且可以随着灌溉水进行传播，因此一旦发生则难于根除。另一方面，由于根结线虫常年寄生在土壤和植物根系组织，一般的药剂很难直接作用于根结线虫，根结线虫的防治也一直是困扰研究人员和农业生产的难题。国内外学者对线虫防治进行了大量的研究，比较常用的方法是在种植之前进行土壤处理，降低土壤中的病原基数，从而可以预防和减轻病害的发生。种植前土壤处理可采用的手段有多种，利用化学药剂消毒、生物防治、蒸汽热消毒、太阳能消毒等土壤消毒措施是目前防治土壤传染病的主要方法（马伟，2014；刘霆，2011），另外，还有火烧、水淹等物理方法。相比较而言，对根结线虫的防治研究主要集中在化学药剂防治和生物防治领域（刘天英，2011）。生物防治目前主要是增强自然发生的拮抗物活性或引入其他的拮抗物来实现的，存在见效慢且对环境要求较高的缺点。化学防治见效快，但对配套技术理论及装备有较高要求，施药方法不当会引起施药效率低、产生药害等不利问题。由于技术水平、成本等因素的限制，化学施药目前主要依靠人工，精度和效率较低，对药剂的利用率也比较低（王秀，2012）。目前，施药相关方法和变量技术理论国内正处于初步研究阶段，有关其研究的文献较少（张锋，2014）。
研究现状分析及存在问题
根结线虫有“植物癌症”之称，对根结线虫施药防减方法的研究，国内外已经开展了较长时间的研究，并筛选了很多药剂，并取得了很多成果。传统的根结线虫施药防减方法如灌根法、手持注射器等耗时、费力，且药量的控制、调配、混合的环节多、精度低，植保人员的工作量大，主观因素大，安全性差。随着传感器技术和计算机技术的发展与应用，目前害虫施药精准变量控制和活力跟踪的新技术主要有PWM占空比、在线传感决策、在线智能配药、注入式复配等。国外从事相关研究的国家有美国、日本、英国等，尤其是美国在变量施药方面有较多研究；国内进行变量施药的单位有中国农业科学院、中国农业大学、中国农业机械化研究院、北京市农林科学院、江苏大学等。由于施药剂量变量调控技术和持效期活力跟踪对于无法直观观察的不可视土层环境而言，是非常困难的，但又是土壤根结线虫防治需要突破的两个最关键点，因此，目前成了根结线虫防减研究的热点。
目前，大多数研究侧重于线虫病害的诊断及药剂防效试验，施药方法理论及技术装备相对落后，多采用人工灌根或喷雾器注射等方式，且药量基本是依靠人工判断和经验，存在很大的不确定性和随意性，对基于信息化手段的自动化施药方法落后引起土壤药剂过多残留及污染等问题关注不够。因此，极有必要进一步研究辣根素防减根结线虫施药剂量变量调控新方法，并对其持效期活力跟踪研究，提高根结线虫防减精度和安全性。
通过改善根部土壤环境从而促进植株长势的研究在日本起步较早，日本学者通过机具将压缩空气直接注入使得较深的土层下部膨松， 改善植物根部供氧状况， 以利植物对N、P、K的吸收，达到土壤改良目的（梁昆宝，1984）。国内外学者在土壤改良技术装备上的研究有微波、火焰、远红外等方式达到快速高效精准作业目的，并在作业参数控制上进行了多种对比试验（马伟等，2014）。通过注入式变量施药方法能够实现药液精准快速到达病灶，设施土壤农药注入式施用装置能做到单次单穴定量压力注射（马伟，2014），通过土壤施药不同行的药量在线独立调控，能实现温室不同空间和时间有差异的药量调控，（马伟，发明专利，2015），由于土壤堵塞和施药作业不可见的问题，土壤施药机构及药液输送分配系统的研究能将不可见的土壤施药环境间接监测并动态调节药量（马伟，中国发明专利，2015）。根据土壤物理参数、作物长势开发土壤施药变速注药流量伺服调节系统的研究为土壤施药的变量研究提供了一种可变的控制方法（马伟，中国发明专利，2015），为了解决温室GPS信号定位不稳的原因，研究的基于激光的设施土壤施药定位方法，通过种植前土壤任一点收到的调制激光信号实现相对极坐标精准定位原理，实现了土壤精确定点定深度的变量施药，为施药的精确提供了便利（（马伟，中国发明专利，2015）。从上面的研究可以看出，改善根部土壤环境，引入传感感知的方法对土壤施药是一条可以防治土传疾病的有效途径，通过嵌入式单片机内部存储的智能运算的方法，能把土壤施药复杂对象流程化，通过数学模型回归和收敛，能解决根部土壤施药控制精度，把受制于施药手段落后的防效出色的药剂无法应用的问题解决掉，促进该领域安全施药的快速发展。
土壤对靶变量施药
土壤施药在有秧苗的地块需要对靶施药，从而对有秧苗的部位进行施药。在没有苗的地方少施药，需要对施药管路的药液进行自动分配。但是，在分配施药管路时，很容易出现与秧苗的位置信息不匹配的情况，从而因定位不精确而导致浪费施药量的问题。设施土壤施药管路分配红外传感装置的创新研究可以解决这一问题。该装置包括行走机构、控制器及升降注射头、第一红外传感器和第二红外传感器；第一红外传感器和第二红外传感器用于探测作物的位置并反馈至控制器中，控制器根据反馈的位置信息计算施药量并控制升降注射头进行施药，从而确保在秧苗根部的特定区域实现精确施药，达到节省施药量的目的。 实际作业时，先在控制器2上设定好第一红外传感器5探测的水平作物每1 cm的施药量数值；然后输入作物距离（红外传感器探测的距离），打开传感系统进行初步校准，背景噪声校准完成后即可开始工作。直接推着该装置匀速前进，即可完成自动对靶和红外管路药量的分配和所对应的不同管路的开闭。
土壤消毒机器人施药
传统设施土壤消毒主要依赖人工作业，其作业的危险系数大，操作复杂。因此，需要开发一种自走电动注入施用装备，能在电池驱动下进入地里进行自走自动识别障碍物，自动定位并进行行走作业，根据障碍物分布情况自动土壤施药注射，极大减少人工操作，对土壤自动化施药具有非常重要的作用。设施电动自走注入式土壤农药施用机器人的研究可以解决这一问题。该机器人包括：自走机身、控制器及分别与控制器连接的超声传感器、激光传感器和药液注射单元；该机器人采用混合动力为土壤施药提供长期稳定的供电。在自走机身上设置有蓄电池和发电机，蓄电池用于为自走机身提供动力，发电机用于对蓄电池进行充电且为自走机身提供备用动力；而且，通过控制器控制蓄电池与发电机之间的动力切换；同时，利用超声传感器对靶作物区域，利用激光传感器定位障碍物，通过各个器件之间的协同作用实现实现精确化的无人注射作业。
通过安装在前后的激光传感器11矩阵能够准确预测前进过程中的障碍物，并根据障碍物的远近距离提前计算作业速度以及转弯时间，并远程发送给控制中心操作人员。预警信号没有得到响应时，系统就会根据运算结果自定挑头返回，开始下一行，并在该行的地头喷洒颜料进行标记。此外，激光传感器11对障碍物定位后也可自动记忆，并储存位置信号在控制器9中，可通过USB线连接电脑后导出数据，以便制定作业程序时将其嵌入处方图中，为其他类似智能机械的定位提供预警参考。
土壤施药变量调控系统
土壤施药由于土壤板结阻力、机械转弯减速、以及加油不均等问题引起土壤注药系统需要频繁的变速注药，以确保消除外界干扰，实现地块均匀施药以及变量施药的目的。但是，目前现有技术中还不能很好的实现根据土壤施药变速作业的实际需要进行方便、快速地变速注药。土壤施药变速注药流量伺服调节系统及方法的研究可以很好的解决这一问题。土壤施药变速注药流量伺服调节系统包括施药预设机构、控制器、脉宽电磁阀、流量传感器及注射泵；所述施药预设机构与控制器连接，所述施药预设机构根据土壤施药变速作业的需求预设施药量；所述控制器根据所预设的施药量产生脉冲信号，并将该脉冲信号发送至所述脉宽电磁阀；所述脉宽电磁阀与注射泵连接，用于控制所述注射泵输出与所预设施药量相同的药液；所述注射泵连接有用于将药液喷射于土壤深层的注射高压管；所述流量传感器设置于注射高压管上，用于实时采集药液流量并反馈给所述控制器。
施药预设机构与控制器3连接，施药预设机构根据土壤施药变速作业的需求预设施药量；控制器3根据所预设的施药量产生脉冲信号，并将该脉冲信号发送至脉宽电磁阀；
同时，脉宽电磁阀与注射泵9连接，用于控制注射泵9输出与所预设施药量相同的药液，可使注射泵得到经过调制的电流信号，并按照控制器3设定的压力和流量进行运转；而且，该注射泵9还连接有用于将药液喷射于土壤深层的注射高压管10，该注射高压管10可将加压后的定量药液喷入土壤的深层。同时，流量传感器11设置于注射高压管10上，用于实时采集药液流量并反馈给控制器3，从而进行可根据实际情况进行PID的伺服调节。
结论
本文所提出的理论方法探索主要基于机器视觉、模式识别、自动控制等方法，是在经典理论与技术上的自主创新，是信息技术在设施农业学科中的交叉研究。研究小组在前期做了大量的基础研究和创新探索工作，构建了视觉信息获取系统、农业机器人平台，针对土壤关键理论及方法提出创新研究目标，系统方案和技术路线经过论证，具有可行性，土壤施药理论及创新方法的研究成果对该领域具有非常重要意义。
*果类蔬菜产业技术体系北京市创新团队支持