設(shè)施農(nóng)業(yè)自走式水肥噴灑小車的設(shè)計(jì)*

崔 勇，伍銅言，劉 堯，史文龍，王豪杰

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

作物的生長(zhǎng)需要陽(yáng)光、空氣、溫度、濕度和養(yǎng)分五大要素，設(shè)施農(nóng)業(yè)則是采用人為干預(yù)的方式，改變作物生產(chǎn)需要的各要素條件值，以滿足作物全天候生長(zhǎng)的條件。目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)的調(diào)控技術(shù)主要有光照調(diào)控、溫度調(diào)控、氣體環(huán)境調(diào)控以及水分、養(yǎng)分調(diào)控等，其中合理的水肥平衡供應(yīng)能挖掘作物最大的生產(chǎn)潛力。因此，實(shí)現(xiàn)水肥同步供應(yīng)和控制的水肥一體化技術(shù)是當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)方向之一[1]。

1 水肥一體化技術(shù)

水肥一體化技術(shù)是在作物水肥供給的過程中，實(shí)現(xiàn)水肥有機(jī)的同步供給，充分發(fā)揮水和肥料的相互作用，在提供作物水分的同時(shí)最大化地發(fā)揮肥料的作用。

要實(shí)現(xiàn)水肥一體化澆灌，其前提條件是將肥料溶于水中，然后通過水肥結(jié)合的方式施用，根據(jù)灌溉方式不同，可以分為滴灌水肥一體化技術(shù)、噴灌水肥一體化技術(shù)、微噴灌水肥一體化技術(shù)、膜下滴灌水肥一體化技術(shù)等。項(xiàng)目組開發(fā)的農(nóng)業(yè)自走式噴灑小車則屬于噴灌水肥一體化技術(shù)的一種應(yīng)用形式，小車通過傳感器信號(hào)，判斷處理后執(zhí)行行走動(dòng)作，噴灑裝置則將混合溶解好的水肥通過加壓噴灑于作物表面或者地面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉施肥的功能。自走式噴灑小車的適用范圍主要為大棚內(nèi)作物或設(shè)施園林作物。

2 自走式噴灑小車的布置

自走式噴灑小車由行走部分、控制裝置、傳感器、電源模塊、噴灑裝置、水肥儲(chǔ)存罐等組成。行走部分執(zhí)行小車的行走和轉(zhuǎn)向動(dòng)作?？刂蒲b置主要由STC12C5A60S2型單片機(jī)構(gòu)成。傳感器模塊選用紅外傳感器感知障礙物和作物，并將信號(hào)處理后發(fā)送給單片機(jī)。噴灑裝置由水泵、噴頭和水管組成，實(shí)現(xiàn)水肥的霧化和噴灑功能[2]。水肥儲(chǔ)存罐存儲(chǔ)預(yù)先配置好的溶水肥料。

2.1 行走部分設(shè)計(jì)和布置

行走部分包括驅(qū)動(dòng)輪、萬(wàn)向輪、電機(jī)、車架板。車架板為整個(gè)小車所有部件的安裝面板。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪布置在小車后部和車架板的下方，并各連接一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)行走和轉(zhuǎn)向功能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片選用L298N，通過單片機(jī)的I/O輸入對(duì)其控制電平進(jìn)行設(shè)定，為電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和停止的驅(qū)動(dòng)。萬(wàn)向輪布置在小車前端的中間位置，起支撐作用。

2.2 控制裝置和傳感器的選用和設(shè)計(jì)

控制裝置核心模塊為STC12C5A60S2型單片機(jī)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，工作電壓為3.5 V~5.5 V[3]。STC12C5A60S2型單片機(jī)通過PWM信號(hào)調(diào)節(jié)左右驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)小車驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制驅(qū)動(dòng)輪的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)小車的避障和轉(zhuǎn)向。通過控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)水泵電源的通斷。如圖1所示。

圖1 STC12C5A60S2型單片機(jī)

傳感器采用TCRT5000型紅外線光感傳感器，布置在車架盤上方，分別檢測(cè)左右障礙物、前方障礙物、左右作物植株。如圖2所示。

圖2 TCRT5000接線圖

2.3 電源模塊的選用

電源模塊選用12 V鋰電池，匹配5 V電源轉(zhuǎn)換器。驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊和水泵電機(jī)由電池直接提供12 V電源，單片機(jī)由電源轉(zhuǎn)換器提供5 V電源。

2.4 噴灑裝置的設(shè)計(jì)和布置

根據(jù)設(shè)施園林大棚的布置特點(diǎn)，小車行駛的道路會(huì)有單側(cè)種植作物和左右兩側(cè)均種植作物兩種情況，因此，噴灑裝置布置左右兩套噴灑系統(tǒng)。當(dāng)左側(cè)傳感器檢測(cè)到植株時(shí)，控制器接收傳感器信號(hào)，發(fā)出噴灑指令，控制左側(cè)水泵噴灑指令；當(dāng)右側(cè)傳感器檢測(cè)到植株時(shí)，執(zhí)行右側(cè)水泵噴灑指令；當(dāng)左右兩側(cè)均檢測(cè)到植株時(shí)，則左右兩側(cè)同時(shí)噴灑水肥。

噴灑裝置的水管采用耐腐蝕的PVC管，噴頭選用扇形噴頭。水泵和噴頭通過支架固定在車架板的上方。水管連接后端的水肥儲(chǔ)存罐。

考慮到水肥混合液中存在少量的懸浮物，為避免噴灑裝置的堵塞，水肥儲(chǔ)存罐的加液口以及水泵的進(jìn)液口、出液口，均布置濾網(wǎng)進(jìn)行過濾[4]。

2.5 程序設(shè)計(jì)

設(shè)施農(nóng)業(yè)自走式噴灑小車需實(shí)現(xiàn)小車自行行走、水肥自動(dòng)噴灑和轉(zhuǎn)向避障等動(dòng)作，因此，程序的設(shè)計(jì)需包含以下三個(gè)方面。

1）小車行走避障程序：傳感器檢測(cè)左右障礙物與小車的距離，自動(dòng)修正小車的方向，確保小車直線行駛。

2）自動(dòng)檢測(cè)噴灑程序：傳感器檢測(cè)小車左右方向是否有作物植株，當(dāng)檢測(cè)存在植株的信號(hào)傳遞給單片機(jī)時(shí)，控制左右水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，噴頭執(zhí)行噴灑動(dòng)作。

3）小車轉(zhuǎn)向避障程序：傳感器檢測(cè)前方是否有障礙物，如有障礙物，控制小車左轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向避障功能。

程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

3 小車的運(yùn)行測(cè)試

如圖4所示，布置設(shè)施大棚環(huán)境，設(shè)置兩排綠植。小車開始運(yùn)行后，直行進(jìn)入田壟，小車檢測(cè)左右障礙物，自動(dòng)進(jìn)行方向修正，維持直線行走。當(dāng)檢測(cè)到第一排作物植株后，噴灑水肥。小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，如車前的傳感器檢測(cè)到障礙物，左轉(zhuǎn)90°，然后直線行駛。再次檢測(cè)到障礙物后，左轉(zhuǎn)90°，然后繼續(xù)前行。當(dāng)檢測(cè)到第二排作物植株時(shí)，執(zhí)行水肥噴灑動(dòng)作。最后，駛出田壟，完成兩排作物植株的自動(dòng)水肥噴灑任務(wù)。

圖4 農(nóng)業(yè)自走式噴灑小車運(yùn)行測(cè)試