智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)

王昊凡

摘 要：本智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，涉及農(nóng)藥噴灑設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域，通過設(shè)置移動(dòng)底盤能夠方便在噴灑區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)，設(shè)置檢測(cè)裝置能夠?qū)姙^(qū)域的植物和人體進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置控制裝置和噴灑裝置，能夠自動(dòng)對(duì)植物進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，提高農(nóng)藥噴灑效率和精度。

關(guān)鍵詞：無人車；智能噴灑；紅外線傳感器

中圖分類號(hào)：S768 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來，我國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，如何提高農(nóng)業(yè)作業(yè)的效率，解放勞動(dòng)力，是一個(gè)亟待解決的問題，尤其是精細(xì)農(nóng)業(yè)的提出，智能的農(nóng)業(yè)機(jī)械尤其重要。西方發(fā)達(dá)國家在這方面走在前列，如美國的施肥機(jī)器人，德國的大田除草機(jī)器人等等，但成本高，動(dòng)輒十幾甚至幾十萬。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)作物容易受到病蟲害的侵?jǐn)_，噴灑農(nóng)藥是一種非常有效的手段，現(xiàn)有的農(nóng)藥噴灑方法是通過人工進(jìn)行噴灑，但這種方式人力消耗大，噴灑不均勻，且工作人員容易受到農(nóng)藥污染。

本智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)（如圖1所示）包括移動(dòng)底盤、檢測(cè)裝置、控制裝置和噴灑裝置。檢測(cè)裝置、控制裝置和噴灑裝置設(shè)置在所述移動(dòng)底盤上，控制裝置分別與移動(dòng)底盤、檢測(cè)裝置、噴灑裝置連接，檢測(cè)裝置包括紅外傳感器和人體傳感器，紅外傳感器和人體傳感器與所述控制裝置連接。移動(dòng)底盤，用于驅(qū)動(dòng)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)通過小車循跡按照噴灑區(qū)域預(yù)設(shè)的軌跡進(jìn)行移動(dòng)；檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)噴灑區(qū)域的植物和人體，當(dāng)檢測(cè)到植物或人體時(shí)，向控制裝置發(fā)送檢測(cè)信息；控制裝置，用于控制檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，接收檢測(cè)裝置發(fā)送的檢測(cè)信息，控制移動(dòng)底盤移動(dòng)，控制噴灑裝置進(jìn)行農(nóng)藥噴灑；噴灑裝置，用于根據(jù)控制裝置控制進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。

本系統(tǒng)，通過設(shè)置移動(dòng)底盤能夠方便在噴灑區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)，設(shè)置檢測(cè)裝置能夠?qū)姙^(qū)域的植物和人體進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置控制裝置和噴灑裝置，能夠自動(dòng)對(duì)植物進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，提高農(nóng)藥噴灑效率和精度。

本系統(tǒng)，移動(dòng)底盤可以以飛思卡爾智能車做底盤，通過小車循跡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小車在農(nóng)田中按照預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)。其中，移動(dòng)底盤設(shè)置有第一尋線電感和第二尋線電感，第一尋線電感和第二尋線電感與控制裝置連接。第一尋線電感和第二尋線電感用于感應(yīng)預(yù)先設(shè)置在第一尋線電感和第二尋線電感之間的導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)化為電壓值發(fā)送給控制裝置。

智能車底盤的舵機(jī)按照說明書建議安放位置是在車子的靠中部的地方，調(diào)整舵機(jī)的位置，并選擇長度合適的舵機(jī)片，這樣可以達(dá)到快速轉(zhuǎn)向但又不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向力不足的情況。經(jīng)長時(shí)間驗(yàn)證，此方法可以確保舵機(jī)的可靠使用。

安裝紅外傳感器，用于采用三角測(cè)量法采集和檢測(cè)噴灑區(qū)域的植物，確定紅外傳感器與植物的距離，生成植物檢測(cè)信息，并將所述植物檢測(cè)信息發(fā)送給控制裝置；紅外傳感器對(duì)檢測(cè)噴灑區(qū)域的植物進(jìn)行檢測(cè)產(chǎn)生檢測(cè)電壓，利用下式將所述檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為紅外傳感器與植物的距離；

d=（6762/（val-9））-4

其中，d為紅外傳感器與植物的距離，val為檢測(cè)電壓。

安裝人體檢測(cè)裝置，用于利用熱釋電模塊對(duì)檢測(cè)噴灑區(qū)域的人體進(jìn)行檢測(cè)，生成人體檢測(cè)信息，并將所述人體檢測(cè)信息發(fā)送給控制裝置。

紅外測(cè)距傳感器的功能是利用采集到的距離信息判斷前方是否有樹木，如果有則讓小車停止并開啟農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，可以選用夏普GP2Y0A02YK0F作為紅外測(cè)距傳感器。GP2Y0A02YK0F是夏普的一款距離測(cè)量傳感器模塊。它由PSD（position sensitive detector）IRED（infrar edemitting diode）以及信號(hào)處理電路3個(gè)部分組成。由于采用了三角測(cè)量方法，被測(cè)物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測(cè)量時(shí)間都不會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度。傳感器輸出電壓值對(duì)應(yīng)探測(cè)的距離，通過測(cè)量電壓值就可以得出所探測(cè)物體的距離，所以這款傳感器可以用于距離測(cè)量、避障等場(chǎng)合。

當(dāng)前方有物體是人而不是樹木時(shí)，僅用距離傳感器就會(huì)出現(xiàn)誤噴灑，因而還需要加入一個(gè)人體檢測(cè)傳感器判斷前方物體是否是人，如果是則僅停車而不開啟噴灑裝置。這里可以選用HC-SR501熱釋電模塊作為人體檢測(cè)傳感器。該模塊常應(yīng)用在防盜報(bào)警電路中，也可用在智能探測(cè)小車上面。它是全自動(dòng)感應(yīng)裝置，當(dāng)人走到探測(cè)范圍內(nèi)輸出高電平，人離開則延時(shí)輸出低電平。

本智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)包括供電裝置，供電裝置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，采用全橋驅(qū)動(dòng)電路作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。主要是因其控制簡單，并且驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流、加速、制動(dòng)時(shí)間、穩(wěn)定性能、發(fā)熱情況等性能進(jìn)行比較，最終選擇BTS7970作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。使用4片BTS7970搭成兩個(gè)全橋電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

控制裝置包括：尋線控制單元，用于獲取第一尋線電感產(chǎn)生的電壓值和第二尋線電感產(chǎn)生的電壓值，計(jì)算第一尋線電感產(chǎn)生的電壓值和第二尋線電感產(chǎn)生的電壓值之差，得到偏離值，根據(jù)所述偏離值控制移動(dòng)底盤調(diào)整行進(jìn)方向。其中，小車采用電感進(jìn)行循線，因?qū)Ь€中有交變的電流，電感可以感應(yīng)到其產(chǎn)生的交變的磁場(chǎng)，并返回相應(yīng)電壓值。采用兩個(gè)電感進(jìn)行方向的確定。當(dāng)小車行進(jìn)過程中偏離中心導(dǎo)線時(shí)，會(huì)使一邊電感靠近導(dǎo)線，一邊電感遠(yuǎn)離導(dǎo)線，這就使單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)一個(gè)增大一個(gè)減小。通過兩者做差就可以得出相應(yīng)的偏離量。

植物檢測(cè)控制單元，用于獲取紅外傳感器發(fā)送的植物檢測(cè)信息，將植物檢測(cè)信息中紅外傳感器與植物的距離與預(yù)先設(shè)定的距離閾值進(jìn)行比較，當(dāng)紅外傳感器與植物的距離小于預(yù)先設(shè)定的第一距離閾值時(shí)，控制移動(dòng)底盤停止移動(dòng)，控制噴灑裝置進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，當(dāng)紅外傳感器與植物的距離小于預(yù)先設(shè)定的第二距離閾值時(shí)，控制噴灑裝置停止農(nóng)藥噴灑。其中，紅外傳感器所給出的電壓值對(duì)應(yīng)著距離信息。當(dāng)小車行駛路線兩旁出現(xiàn)了物體時(shí)（不能判斷是人還是樹木），紅外傳感器就會(huì)返回一個(gè)較高的電壓值，當(dāng)該電壓值大于我們所設(shè)定的閾值，單片機(jī)就發(fā)出控制命令，一方面讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而小車停止前進(jìn)，另一方面打開水泵，從而噴頭可以順利噴灑農(nóng)藥。從而該部分程序關(guān)鍵是選擇合適的閾值并能合理開中斷和關(guān)中斷。

中斷是CPU在執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，對(duì)系統(tǒng)發(fā)生的某個(gè)事件（程序自身或外界的原因）作出的一種反應(yīng)。若中斷發(fā)生，CPU暫停正在執(zhí)行的程序，保留現(xiàn)場(chǎng)后自動(dòng)轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的事件，處理完該事件后，到適當(dāng)?shù)臅r(shí)候返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)完成被打斷的程序。

人體檢測(cè)控制單元，用于獲取人體檢測(cè)裝置發(fā)送的人體檢測(cè)信息，判斷檢測(cè)噴灑區(qū)域是否存在人體，當(dāng)存在人體時(shí)停止移動(dòng)底盤，當(dāng)不存在人體時(shí)控制噴灑裝置進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。其中，人體檢測(cè)傳感器用來判斷物體是人還是樹木。如果是人該傳感器就會(huì)返回高電平信號(hào)。因此在用紅外測(cè)距傳感器判斷出小車兩旁有物體時(shí)，首先要判斷人體檢測(cè)傳感器返回電平值是否是高電平，如果是則只令小車停止5s，否則還要執(zhí)行打開水泵電機(jī)的命令。

噴灑裝置包括水泵、水箱、噴頭和水管，水箱與水泵連接，水泵與水管連接，水管與噴頭連接，水泵和水管與控制裝置連接。噴灑裝置根據(jù)控制裝置設(shè)置進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。

本系統(tǒng)還包括車速測(cè)量裝置，車速測(cè)量裝置與控制裝置連接。為了使小車速度可以控制，需要加入速度檢測(cè)傳感器模塊。常用的速度檢測(cè)傳感器有編碼器和光電碼盤。因?yàn)榫幋a器體積較大，而且價(jià)格較高，安裝不便，所以選擇采用光電碼盤對(duì)小車速度進(jìn)行檢測(cè)。這種檢測(cè)方式安裝簡單，電路輕便，使用電源為5V，非常適合在類似的模型上使用，測(cè)量精度與編碼器并無太大差別，但缺點(diǎn)穩(wěn)定性不好，將其固定死并不會(huì)有太大影響。

本智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，提出了智能噴灑農(nóng)藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并得到實(shí)現(xiàn)。在硬件方面，系統(tǒng)的控制是基于飛思卡爾K60單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。通過額定電壓為7.2V鋰電池和各種穩(wěn)壓電路可以為小車行駛供電。通過搭建兩個(gè)全橋電路可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制從而完成驅(qū)動(dòng)。噴灑部分主要由水泵、噴頭和連接的水管組成，通過控制水泵的開閉來控制是否噴水。在軟件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)主要結(jié)合兩個(gè)傳感器所給出的信息發(fā)出相應(yīng)的控制命令。首先通過紅外測(cè)距傳感器返回的電壓信息判斷車右側(cè)及前方是否有障礙物存在，如有，則開中斷讓小車停止前進(jìn)。之后利用人體檢測(cè)傳感器返回電平值判斷車和樹之間是否有人，如果是低電平則該障礙物是樹木，開啟農(nóng)藥噴灑裝置，否則是人，不作其他處理。本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)智能噴灑。采用無人車搭載檢測(cè)及噴灑裝置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑，大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低人工成本，減少農(nóng)藥污染與殘留。

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