基于STM32F103的遙控自走式噴藥系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

劉建龍，余 剛，孟力力，柳 軍

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，江蘇南京 210014)

近年來我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，設(shè)施農(nóng)業(yè)面積與產(chǎn)品產(chǎn)量均穩(wěn)居世界首位。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，設(shè)施農(nóng)業(yè)的農(nóng)藥使用次數(shù)多、使用量大，農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留嚴(yán)重。因此采用先進(jìn)的控制技術(shù)研制和開發(fā)新型設(shè)施內(nèi)專用施藥裝備，對于提高農(nóng)藥使用效率、最大程度減少農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染、提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益具有重大意義[1-4]。

目前發(fā)達(dá)國家應(yīng)用于農(nóng)業(yè)設(shè)施的植保機械基本實現(xiàn)了產(chǎn)品的市場化和品種的系列化，但這些系統(tǒng)造價普遍偏高，在我國還難以普及推廣。背負(fù)式手動噴霧機是我國溫室內(nèi)的主要施藥機具，存在噴霧質(zhì)量差、噴霧不均勻、操作者與農(nóng)藥直接接觸等問題[5-7]。

農(nóng)業(yè)設(shè)施大棚空間密閉、高溫高濕，人工植保噴藥時會對人體造成很大傷害[8-9]，為解決這一問題，本研究將機械設(shè)計、氣壓技術(shù)、電氣控制與自走噴藥技術(shù)集成應(yīng)用到農(nóng)業(yè)植保機械上，設(shè)計一種用于設(shè)施大棚栽培的遙控自走式噴藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程無線遙控控制噴藥系統(tǒng)的運行，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)施藥。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

遙控自走式噴藥系統(tǒng)主要由軌道系統(tǒng)、遙控行走器、噴藥系統(tǒng)等3部分組成。在設(shè)施大棚內(nèi)架設(shè)鋼絲纜繩及支撐結(jié)構(gòu)，將行走機構(gòu)懸掛在鋼絲軌道上并通過行走電機驅(qū)動行走，噴藥組件位于行走機構(gòu)下部。系統(tǒng)選用單片機作為核心控制器，實現(xiàn)各個功能模塊的互聯(lián)協(xié)作。噴藥系統(tǒng)采用噴藥泵為動力，噴桿采用伸縮式單點吊掛平衡機構(gòu)，加裝多個噴頭，噴藥寬度可以根據(jù)植株寬度的不同而隨意調(diào)節(jié)，每個噴頭單獨設(shè)置開關(guān)，從而實現(xiàn)噴灑過程中的藥量控制。系統(tǒng)開始工作后，無線遙控器將預(yù)處理信息(主要包括裝置的啟停、前進(jìn)、后退、加速、減速)發(fā)送給單片機，單片機對信息進(jìn)行處理并控制執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)動作，同時將接收到的指令進(jìn)行語音播報以確保指令準(zhǔn)確有效，當(dāng)操作者進(jìn)行大棚作業(yè)時只需通過遙控器操作即可實現(xiàn)藥劑的自走式噴灑，在不侵占大棚種植面積的前提下實現(xiàn)農(nóng)藥的噴灑。該裝置噴灑均勻、效果顯著，噴頭防滴漏節(jié)約用水，折疊式結(jié)構(gòu)設(shè)計便于安裝，全自動往復(fù)運行，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，同時減少藥物對人體的傷害、降低勞動強度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

遙控自走式噴藥系統(tǒng)的控制器是系統(tǒng)控制的核心，整個硬件電路包括音頻播報模塊、無線遙控模塊、電機驅(qū)動模塊、電源模塊等。系統(tǒng)選用STM32F103增強型單片機作為自動噴藥系統(tǒng)的微控制器。

STM32F103處理器的最小系統(tǒng)電路原理如圖2所示。

2.1 無線遙控系統(tǒng)

系統(tǒng)選用的是超再生無線接收模塊，它通過天線接收到無線電信號后，首先對信號進(jìn)行濾波，濾除噪聲信號，再對信號進(jìn)行放大，從而得到所需要的無線信號。其中解碼芯片選用的是SC2272-M4瞬態(tài)型、4位數(shù)據(jù)輸出無線接收芯片，是與SC2260-R4/SC2262配對使用的一款無線遙控解碼集成電路。遙控器發(fā)出的指令信號由傳輸芯片傳給單片機，單片機進(jìn)一步控制電機轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到噴藥裝置自動運行的效果。

SC2272-M4的A0～A7端是芯片的地址碼設(shè)置端口，只有當(dāng)接收端的地址碼和發(fā)射端的地址碼設(shè)置完全相同時，輸出端才有輸出信號；SC2272-M4可對從Din接收的串行信號進(jìn)行解碼。單片機電路采用STM32來實現(xiàn)對輸入信號的處理和開關(guān)電路的控制。STM32的PC6～PC9端作為數(shù)據(jù)輸入端口，分別和解碼芯片SC2272-M4的數(shù)據(jù)輸出D3～D0端連接；PC10、PC11、PC12與電機驅(qū)動電路連接，傳送從單片機輸出的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡稱PWM)波或控制指令到電機驅(qū)動系統(tǒng)，進(jìn)一步實現(xiàn)對直流電機的啟動、停止、加速、減速控制。SC2272-M4與STM32的電路連接原理如圖3所示。

2.2 語音播報系統(tǒng)

為更好地實現(xiàn)人機交互，充分利用單片機的資源，在按下遙控器按鍵后，裝置在執(zhí)行相應(yīng)的動作前進(jìn)行語音播報，以提醒操作者確認(rèn)當(dāng)前動作是否正確；同時在調(diào)整運行速度過程中進(jìn)行語音播報，提示當(dāng)前裝置的運行速度。本系統(tǒng)選用的是MP3-FLASH-16P語音模塊(帶串口)，很好地集成了MP3等音頻格式文件(WAV)的硬解碼，同時支持工業(yè)級的串口通信協(xié)議，以串行外圍接口設(shè)備(SPI)存儲器作為存儲介質(zhì)，該模塊可降低成本，同時增加產(chǎn)品的穩(wěn)定性。另外該模塊集成了3 W的功放，直接外接喇叭即可實現(xiàn)音頻播報，模塊支持10段語音的指定觸發(fā)播放。語音播報模塊與單片機電路連接示意如圖4所示。

首先使用科大訊飛語音軟件把要表達(dá)的信息由文字變?yōu)橐纛l文件；其次對得到的音頻文件進(jìn)行修飾，比如音量的大小、語速的快慢等；然后將音頻文件壓縮下載到MP3-FLASH-16P語音模塊中。語音模塊等待由STM32接收無線遙控器發(fā)出的觸發(fā)信號，根據(jù)讀取的信息判斷要播放的是哪段音頻文件；然后從存儲單元中找到相應(yīng)的存儲地址，開始讀取數(shù)據(jù)并在通過揚聲器時把數(shù)字文件還原為語音。

2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)

系統(tǒng)利用STM32的定時器PWM模式產(chǎn)生所需要的PWM波。電機的轉(zhuǎn)速與電機兩端的電壓成正比，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比。

使用單片機控制電機轉(zhuǎn)動的接線方法如圖5所示，電機驅(qū)動板接電源+3.3 V，單片機的電源與驅(qū)動板控制信號電源應(yīng)共地。驅(qū)動模塊的ENA與單片機的PWM波輸出端口相連，對電機進(jìn)行調(diào)速；模塊引腳IN1和IN2與單片機的2個IO口相連控制電機正反轉(zhuǎn)及剎車。

2.4 電源設(shè)計

系統(tǒng)采用聚合物鋰電池作為電源儲能元件，它以鈷酸鋰材料為正極，碳材料為負(fù)極，電解質(zhì)采用固態(tài)或凝膠態(tài)有機導(dǎo)電膜組成，并采用鋁塑膜做外包裝。聚合物鋰電池具有高能量密度、小型化、薄型化、輕量化、高安全性及低成本的特點；同時無有毒元素，不會對環(huán)境造成污染。

由圖6可知，過充電控制管FET2和過放電控制管FET1串聯(lián)于電路中，由保護(hù)集成電路(integrated circuit，簡稱IC)監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，當(dāng)電池電壓上升至4.20 V時，過充電保護(hù)管FET1截止，停止充電。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)下，電池電壓降至2.55 V時，過放電控制管FET1截止，停止向負(fù)載供電。

3 系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

3.1 軌道系統(tǒng)

行走軌道主要由鋼絲繩、鎖緊器、支撐架組成，根據(jù)設(shè)施大棚的鋼架結(jié)構(gòu)架設(shè)鋼絲軌道，鋼絲軌道穿透大棚側(cè)墻，并通過錨索植入地面，以增加抗拉強度，同時每隔4～5 m安裝1個支撐架，對鋼絲軌道進(jìn)一步加固以減小裝置的“爬坡”阻力，同時增加裝置在軌道上的支撐力，使鋼絲軌道在受拉的情況下還能保持水平，從而使行走機構(gòu)可以在鋼絲繩上平穩(wěn)行走工作。

3.2 行走機構(gòu)

帶有驅(qū)動電機的同步輪安裝在裝置上半部分，并與行走輪固定安裝，整個行走機構(gòu)懸掛在鋼絲軌道上運行；電氣控制盒和藥桶安裝在機架中央部位，藥桶通過高壓軟管與噴藥裝置相連，遙控器設(shè)置多個操作按鍵，用戶可根據(jù)需求發(fā)送相應(yīng)指令，控制系統(tǒng)接收遙控器指令信號并控制執(zhí)行機構(gòu)動作，可實現(xiàn)裝置的開啟、關(guān)閉、正向、反向、加速、減速等，且行走速度設(shè)置多個等級供操作者選擇。行走機構(gòu)自支撐桿設(shè)有調(diào)節(jié)旋鈕，可以上下調(diào)節(jié)底部噴藥系統(tǒng)的高度，以適應(yīng)不同生長時期植株高度的需要。

3.3 噴藥系統(tǒng)

噴藥系統(tǒng)主要由噴藥泵、噴桿、噴頭、噴藥管等組成。在機架下方安裝有可自動伸展折疊的噴藥裝置，噴藥系統(tǒng)選用噴藥泵為動力設(shè)備，噴桿采用伸縮折疊式單點吊掛平衡機構(gòu)，噴桿加裝多個噴頭，噴藥寬度可以根據(jù)植株寬度的不同而隨意調(diào)節(jié)，每個噴頭單獨設(shè)置開關(guān)，以實現(xiàn)噴灑過程中的藥量控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)噴藥系統(tǒng)的作業(yè)要求，控制系統(tǒng)須實現(xiàn)以下功能：單片機檢測到遙控器發(fā)來的指令信號時，能夠及時響應(yīng)并控制直流電機的運行，同時伴隨語音播報進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)程序包括初始化主程序與中斷子程序以及計時器程序。本研究采用Keil軟件集成開發(fā)平臺完成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。主程序流程如圖7所示。

單片機STM32F103收到的信息指令分別是工作/停止指令、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)指令、加速/減速指令。收到遙控信息后，先根據(jù)第1個指令判斷裝置電機是否運行，再根據(jù)電機正反轉(zhuǎn)指令控制電機驅(qū)動模塊引腳的置位或復(fù)位，通過改變PWM波的占空比進(jìn)行調(diào)速，過載時進(jìn)行停機保護(hù)控制并發(fā)出報警信號，并將報警信號回傳給語音播報模塊進(jìn)行提醒確認(rèn)。

5 系統(tǒng)調(diào)試及試驗

將裝配好的自動噴藥裝置掛在鋼絲繩軌道上，系統(tǒng)在大棚內(nèi)的安裝調(diào)試如圖8所示。大棚的基本參數(shù)為長度50 m，跨度8 m，脊高2.8 m，肩高1.2 m；噴頭數(shù)量為6個；噴藥系統(tǒng)離地高度為0.5 m。測試環(huán)境參數(shù)如表1所示，主要的試驗內(nèi)容包括系統(tǒng)性能測試(表2)和行走穩(wěn)定性測試(表3)。對控制系統(tǒng)的測試采用極限條件下的使用試驗來實現(xiàn)，對行走速度的測試采用計時秒表和測量米尺來進(jìn)行。

表1 測試環(huán)境

6 結(jié)論

采用遙控自走式噴藥系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)施藥可以有效地解決病害問題，并在降低農(nóng)藥環(huán)境壓力、節(jié)約農(nóng)藥用量的同時減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，減少農(nóng)藥對人體的傷害，可將農(nóng)藥科學(xué)、經(jīng)濟、安全、高效地噴灑到作物上，提高農(nóng)藥的有效利用率，減少設(shè)施大棚內(nèi)的空氣和環(huán)境污染[10-12]。同時還可以在設(shè)施大棚生產(chǎn)中把農(nóng)藥的藥效發(fā)揮到最大，取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。另外該裝置還可以用來進(jìn)行噴水灌溉，適合在設(shè)施農(nóng)業(yè)中進(jìn)行大面積推廣。

表2 系統(tǒng)性能測試

表3 行走穩(wěn)定性測試

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