煙草智能定量澆水機(jī)的研制

劉雙喜　范連祥　李現(xiàn)道等

摘要：為解決煙草種植過(guò)程中人工澆水成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于ARM系統(tǒng)的煙草智能定量澆水機(jī)，該機(jī)可實(shí)現(xiàn)煙草的自動(dòng)化定量澆水。煙草智能定量澆水機(jī)主要由行走系統(tǒng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)、光箱、電磁閥等組成。該機(jī)在行走系統(tǒng)作用下前進(jìn)時(shí)，由攝像頭檢測(cè)壟上煙草位置，將采集的數(shù)據(jù)傳遞給ARM系統(tǒng)，ARM系統(tǒng)再向電磁閥控制電路輸出一個(gè)控制信號(hào)，控制電磁閥打開(kāi)，完成澆水作業(yè)。通過(guò)ARM系統(tǒng)中的程序控制電磁閥打開(kāi)時(shí)間的長(zhǎng)短，從而確定澆水量。試驗(yàn)結(jié)果表明，煙草智能定量澆水機(jī)的檢測(cè)準(zhǔn)確率為98%，澆水準(zhǔn)確率為97%，效果能夠滿足煙草栽培管理的農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：煙草；澆水機(jī)；檢測(cè)；控制；定量

中圖分類號(hào)：S274.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2015）01-0124-06

Abstract In order to solve the problems present in tobacco planting process such as high cost of artificial watering， large labor intensity and serious waste of water resource， a kind of tobacco intelligent quantitative watering machine based on the ARM system was designed. This machine could complete the automatic and quantitative tobacco watering. This machine consists of walking system， detection and control system， light box and electromagnetic valve. When the watering machine moved forward controlled by the walking system， the camera detected the position of tobacco plant on the ridge and transferred the data to the ARM system， and then the ARM system outputted a control signal to the control circuit of electromagnetic valve to open the electromagnetic valve and complete the watering operation. The programs in the ARM system could determine the watering quantity by controlling the opening time of electromagnetic valve. The test results showed that the detection accuracy of tobacco intelligent quantitative watering machine reached to 98%， and the watering accuracy reached to 97%， so it could meet the agronomic requirements of tobacco cultivation.

Key words Tobacco； Watering machine； Detection； Control； Quantification

煙草是我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)作物之一，種植煙草已成為增加農(nóng)民收入和財(cái)政稅收的重要組成部分[1]。在煙草的生長(zhǎng)期間，水分直接影響著煙草的生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化代謝以及產(chǎn)量和品質(zhì)[2～5]，適時(shí)、適量的澆水是保證煙農(nóng)獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)煙葉的重要環(huán)節(jié)。

目前，以美國(guó)、日本為代表的煙草生產(chǎn)技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，其煙草田間管理已基本實(shí)現(xiàn)高度機(jī)械化[6]。如美國(guó)移栽機(jī)公司（Mechanical Transplanter）生產(chǎn)的吊杯式膜上移栽機(jī)，作業(yè)時(shí)能完成膜上移栽、注水、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)，由于對(duì)育草的要求低，因此在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用；但由于采用四桿機(jī)構(gòu)吊杯，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。加拿大研制的煙葉“轉(zhuǎn)植機(jī)”可實(shí)現(xiàn)集挖穴、栽煙、澆水、施肥、封土為一體，但需要的人力較多。日本文明農(nóng)機(jī)公司生產(chǎn)的AP—1型煙草田間管理車與其他配件組合后，可以較好地完成田間管理作業(yè)[7]。雖然國(guó)外的煙草種植機(jī)械化程度較高，但針對(duì)澆水這一項(xiàng)作業(yè)還沒(méi)有專門的成品機(jī)械來(lái)完成。

我國(guó)的煙草機(jī)械還處在起步階段，特別是在澆水這一環(huán)節(jié)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大多數(shù)地方還是以人工或畜力為主，機(jī)械化程度低，無(wú)法做到按需澆水，既浪費(fèi)了水資源，又無(wú)法將澆水量控制在煙草生長(zhǎng)所需要的最佳范圍。因此，實(shí)現(xiàn)煙草的機(jī)械化、自動(dòng)化澆水是保障煙農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益的有效措施。

針對(duì)這一現(xiàn)象，筆者研制出一種基于ARM控制系統(tǒng)的煙草智能定量澆水機(jī)，該機(jī)可實(shí)現(xiàn)煙草的自動(dòng)化定量澆水。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

煙草智能定量澆水機(jī)采用自走式，主要由行走系統(tǒng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)、光箱、電磁閥等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光箱通過(guò)光箱懸掛架固定在澆水機(jī)后方，檢測(cè)控制系統(tǒng)安裝在光箱上方，儲(chǔ)水罐固定在光箱后方中間位置，其底部與電磁閥相連。

1.2 工作原理

澆水前，首先調(diào)正煙草智能定量澆水機(jī)，使攝像頭位于煙壟中心線正上方。調(diào)節(jié)光箱懸掛架使光箱在機(jī)器行進(jìn)過(guò)程中不碰觸煙草，且能隔絕外界大部分光線。endprint

煙草智能定量澆水機(jī)工作時(shí)，打開(kāi)行走離合，變速箱將來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給行走機(jī)架，從而帶動(dòng)澆水機(jī)的前進(jìn)。打開(kāi)ARM系統(tǒng)開(kāi)關(guān)和潛水泵開(kāi)關(guān)，安裝在ARM系統(tǒng)上的攝像頭在行走過(guò)程中檢測(cè)煙草位置，獲取圖像數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳遞給ARM系統(tǒng)，ARM系統(tǒng)將攝像頭取得的數(shù)據(jù)與原始設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍作比較，如果攝像頭所獲取的數(shù)據(jù)在所設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，則認(rèn)為檢測(cè)到煙草位置。此后ARM系統(tǒng)將向電磁閥控制電路輸出一個(gè)持續(xù)時(shí)間固定的低電平信號(hào)，電磁閥控制電路接收到該信號(hào)后，電路中繼電器電控開(kāi)關(guān)閉合，電磁閥得電導(dǎo)通，開(kāi)始澆水；當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)結(jié)束后，繼電器電控開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電磁閥斷電關(guān)閉，結(jié)束澆水。

澆水量可以通過(guò)電磁閥打開(kāi)的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制，電磁閥打開(kāi)時(shí)間通過(guò)ARM系統(tǒng)中設(shè)定的程序控制。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

依據(jù)煙草澆水農(nóng)藝和澆水機(jī)功能特征要求，確定智能煙草澆水機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 主要部件設(shè)計(jì)和參數(shù)的確定

2.1 光箱

光箱是煙草智能定量澆水機(jī)的重要部件。澆水機(jī)工作時(shí)，光箱可以最大限度地屏蔽外界光線的干擾，防止外界光照強(qiáng)度的變化對(duì)圖像的采集產(chǎn)生影響，為攝像頭采集數(shù)據(jù)提供一個(gè)穩(wěn)定的視覺(jué)采集環(huán)境。該部分主要由光箱外殼、燈條安置架和攝像頭懸掛架組成。光箱外殼的形狀和煙壟形狀相似，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

光箱的高度可通過(guò)光箱懸掛架進(jìn)行調(diào)節(jié)。光箱外殼由一個(gè)矩形頂面、兩個(gè)矩形側(cè)面和兩個(gè)梯形側(cè)面共五個(gè)板組成。光箱外殼頂面開(kāi)有矩形孔，用以安裝檢測(cè)控制系統(tǒng)；兩個(gè)梯形側(cè)面底部中心開(kāi)有限位孔，該限位孔用于防止?jié)菜畽C(jī)行進(jìn)過(guò)程中對(duì)煙草有所損傷。

在光箱的兩個(gè)矩形側(cè)面內(nèi)部共固定著8個(gè)燈條安置架，用來(lái)固定LED燈條和漫射板，為圖像的采集提供恒定光源，防止光線變化對(duì)圖像的采集產(chǎn)生影響。8個(gè)LED白燈條采用并聯(lián)的方式與12 V電源連接，所有負(fù)極接地。漫射板安裝在燈條前端，用來(lái)穩(wěn)定、均勻光源發(fā)出的光線，為數(shù)據(jù)的采集提供一個(gè)光照穩(wěn)定、光線均勻的視場(chǎng)。燈條安置架截面簡(jiǎn)圖如圖3所示。

光箱頂部?jī)?nèi)側(cè)焊接有實(shí)心圓柱形鐵桿，將攝像頭懸掛架上的套筒套入上述鐵桿中，通過(guò)調(diào)節(jié)套筒的上下固定位置來(lái)調(diào)整攝像頭懸掛架的高度，從而實(shí)現(xiàn)攝像頭的高度調(diào)節(jié)。攝像頭懸掛架上設(shè)有懸掛板，在懸掛板上開(kāi)有多對(duì)攝像頭固定孔，通過(guò)改變攝像頭的固定位置來(lái)改變攝像頭的前后位置，從而實(shí)現(xiàn)攝像頭前后方向的調(diào)節(jié)。

作業(yè)時(shí)保證攝像頭在煙壟中心的正上方，且與壟頂平面的垂直距離為10～15 cm，與電磁閥的水平距離為12～15 cm，從而保證獲取大小合適的視場(chǎng)范圍，確保澆水位置的準(zhǔn)確性。攝像頭懸掛架如圖4所示。

2.2 檢測(cè)控制系統(tǒng)

檢測(cè)控制系統(tǒng)是煙草智能定量澆水機(jī)的核心部分，用以實(shí)現(xiàn)煙草位置的檢測(cè)、電磁閥開(kāi)閉的控制和澆水量大小的控制。

檢測(cè)控制系統(tǒng)主要由攝像頭、ARM系統(tǒng)和電磁閥控制電路組成，ARM系統(tǒng)型號(hào)為Real 6410，主頻為667 M。檢測(cè)控制系統(tǒng)固定在光箱頂部的檢測(cè)控制系統(tǒng)安裝口上。ARM系統(tǒng)和電磁閥控制電路由兩個(gè)12 V電瓶串聯(lián)后，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換成5 V供電，所有負(fù)極接地。其工作流程如圖5所示。

該澆水機(jī)選用百萬(wàn)像素面陣攝像頭作為信號(hào)采集設(shè)備。工作時(shí)攝像頭固定在光箱中的攝像頭懸掛架上面，可實(shí)現(xiàn)攝像頭前后方向和上下方向的位置調(diào)節(jié)，攝像頭尾部通過(guò)數(shù)據(jù)線與ARM系統(tǒng)相連，并通過(guò)數(shù)據(jù)線將所獲取的數(shù)據(jù)傳遞給ARM系統(tǒng)。

不同物質(zhì)的顏色在圖像中所表示的數(shù)據(jù)范圍不相同。采用進(jìn)入攝像頭面陣視場(chǎng)的第一行圖像（圖6A）作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析，所得數(shù)據(jù)分布圖如圖6B所示。其中g(shù)代表某像素點(diǎn)G通道數(shù)值大小，b代表某像素點(diǎn)B通道數(shù)值大小，以g-b作為區(qū)分土壤和煙草的特征?？梢钥闯?，土壤在色彩分布中的數(shù)據(jù)范圍為5～18，煙草在色彩分布中的數(shù)據(jù)范圍為18～31。所以設(shè)定23～28作為代表煙草顏色的最終數(shù)據(jù)范圍。

ARM系統(tǒng)接收到攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，當(dāng)所獲取的數(shù)據(jù)在23～28范圍內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為檢測(cè)到煙草位置，此時(shí)ARM系統(tǒng)通過(guò)GPIO口向電磁閥控制電路輸出一個(gè)持續(xù)時(shí)間固定的低電平信號(hào)，以控制繼電器中電控開(kāi)關(guān)的閉合。通過(guò)設(shè)定的程序可以控制低電平信號(hào)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，從而確定繼電器中電控開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間和電磁閥打開(kāi)時(shí)間。

電磁閥控制電路用來(lái)控制電磁閥的打開(kāi)和關(guān)閉，該電路原理圖如圖7所示。

當(dāng)電磁閥控制電路接收到ARM系統(tǒng)發(fā)出的低電平信號(hào)后，通過(guò)光電耦合器使該信號(hào)完成“電—光—電”的轉(zhuǎn)變，從而控制繼電器中電控開(kāi)關(guān)得電閉合，此時(shí)電磁閥得電導(dǎo)通，完成澆水。當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)結(jié)束時(shí)，繼電器中的電控開(kāi)關(guān)打開(kāi)，電磁閥關(guān)閉，結(jié)束澆水。

2.3 攝像頭安裝位置和澆水量的確定

攝像頭與電磁閥的水平距離決定著澆水位置的準(zhǔn)確性，該距離的確定與機(jī)器的行走速度和電磁閥的安裝高度有關(guān)。

煙草智能定量澆水機(jī)的行走系統(tǒng)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖8所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給變速箱，然后變速箱通過(guò)輸出軸2將動(dòng)力傳遞給行走輪軸3，從而帶動(dòng)澆水機(jī)前進(jìn)。已知發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱輸入軸的傳動(dòng)比為i0，變速箱前進(jìn)1檔傳動(dòng)比為i1，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，齒輪齒數(shù)Z1=Z2=26，所以軸3的轉(zhuǎn)速等于軸2的轉(zhuǎn)速，為：

以最大澆水量為1 L為例，完成一次澆水作業(yè)的最大時(shí)間為1 s<1.09 s，所以在攝像頭檢測(cè)到下一株煙草前，澆水作業(yè)已經(jīng)完成。當(dāng)需要更大澆水量時(shí)，選用流量更大的潛水泵即可滿足要求。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

煙草智能定量澆水機(jī)（見(jiàn)圖9）田間作業(yè)性能試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)煙田試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)用地為1.2 hm2，地表平整，試驗(yàn)條件如表2所示。endprint

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過(guò)程中樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作安全可靠，能夠有效地完成自動(dòng)化定量澆水，工作過(guò)程協(xié)調(diào)通暢，澆水量的大小和澆水位置滿足農(nóng)藝要求。采集1 000株樣本進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

在試驗(yàn)過(guò)程中，偶爾出現(xiàn)不澆水或者澆水位置不準(zhǔn)確現(xiàn)象，分析其原因有：①煙草生長(zhǎng)異常，葉子變黃，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)出錯(cuò)。②煙草移栽時(shí)株距過(guò)小，導(dǎo)致檢測(cè)控制系統(tǒng)處理時(shí)間不足。③機(jī)器行進(jìn)過(guò)程中偶爾出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致攝像頭檢測(cè)異常。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)我國(guó)水資源短缺，煙草澆水機(jī)械化程度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種適用于煙草移栽后澆水的煙草智能定量澆水機(jī)，該機(jī)可完成自動(dòng)化定量澆水，澆水量可根據(jù)季節(jié)情況調(diào)節(jié)。

（2）煙草智能定量澆水機(jī)的試驗(yàn)表明該機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求，作業(yè)性能穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低，易于操作，安全和調(diào)整維護(hù)方便簡(jiǎn)單，作業(yè)效率和質(zhì)量較高，是較理想的煙草澆水機(jī)。

（3）本設(shè)計(jì)有效解決人工澆水勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高，浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，澆水準(zhǔn)確率高達(dá)97%，作業(yè)過(guò)程中無(wú)傷草現(xiàn)象，澆水效果能夠滿足農(nóng)藝要求。

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