基于STM32的噴灑機器人控制系統(tǒng)設計

摘 要：目前，田間農(nóng)作物和果園等場所的農(nóng)藥噴灑工作主要依賴人工完成，存在作業(yè)效率低、對人員健康危害大、噴灑精準度不足以及農(nóng)藥浪費嚴重等問題。針對這些問題，設計了一款能夠提升作業(yè)效率、減少農(nóng)藥危害并實現(xiàn)靶向精準噴灑的機器人。該系統(tǒng)以STM32單片機為主控芯片，由控制模塊、驅(qū)動模塊、傳感模塊和視覺模塊組成。通過傳感器LED和圖像采集技術(shù)判斷作物是否需要噴灑農(nóng)藥，并驅(qū)動電機帶動機器人進行作業(yè)。該系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)噴灑方式不便的問題，提高了噴灑精準度，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化管理的發(fā)展趨勢，具有廣泛的實際應用前景。

關鍵詞：STM32；噴灑機器人；控制系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)智能化；ARM；Cortex-M3；閾值分割

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-00-05

0 引 言

我國是一個發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，耕地面積僅占世界的7%，卻養(yǎng)活了世界21%的人口[1]。近年來，我國深入實施黨中央國務院提出的“藏糧于地、藏糧于技”農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略，加快建設農(nóng)業(yè)強國，推進農(nóng)業(yè)科技現(xiàn)代化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在數(shù)字化和智能化方面進行了全面升級改造，各種農(nóng)業(yè)機器人逐漸取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞作，顯著提高了生產(chǎn)效率[2]。然而，當前的農(nóng)藥噴灑作業(yè)仍主要依賴人工，存在成本高、效率低以及噴灑精度不足等問題。盡管現(xiàn)有文獻研究的噴灑機器人解決了部分人工成本問題，但在噴灑精度方面仍有待提升。

針對上述問題，本文設計了一款以STM32微處理器為核心的智能噴灑系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)φ麄€農(nóng)作物群進行農(nóng)藥噴灑，還可以對特定農(nóng)作物進行精準定位噴灑。此外，該系統(tǒng)具備多種功能，如根部灌溉、施肥、葉面施肥以及病蟲害防治等，能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的多樣化需求。

1 系統(tǒng)總體設計

本文以STM32單片機為核心，主要包括控制模塊、傳感模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊。該系統(tǒng)可實現(xiàn)噴灑機器人在作業(yè)時對農(nóng)作物的識別，并結(jié)合土壤濕度檢測系統(tǒng)來判斷農(nóng)作物是否需要澆水和噴灑農(nóng)藥。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制模塊設計

本設計采用STM32單片機作為核心處理器，這是一款功能強大的芯片。其優(yōu)點在于以ARM Cortex-M3為內(nèi)核[3]，能夠提供高性能的32位處理能力，同時工作頻率可達到72 MHz。此外，STM32單片機擁有64～512 KB的閃存，能夠提供充足的存儲空間用于程序和數(shù)據(jù)存儲。STM32主控芯片引腳如圖2所示。

2.2 傳感模塊

監(jiān)測土壤水分含量是否符合標準，并將數(shù)據(jù)傳送至STM32單片機。STM32單片機可以通過LCD顯示設備實時顯示當前的溫度和濕度數(shù)值[4]，并允許用戶通過按鍵調(diào)整適合農(nóng)作物生長的上下限閾值。STM32單片機會將監(jiān)測數(shù)據(jù)與設定的閾值進行比對，一旦數(shù)據(jù)超出限定范圍，將觸發(fā)蜂鳴器和LED燈報警。傳感器LED燈的控制電路與單片機的PC13引腳相連，蜂鳴報警器電路如圖3所示。

2.3 電源模塊設計

電源模塊是噴灑機器人能夠順暢運行的關鍵組成部分，為機器人的作業(yè)過程提供不可或缺的能量動力。在機器人的控制系統(tǒng)中，由于各功能模塊執(zhí)行的任務和性能要求不同，所需的電源電壓也各不相同。為了確保各功能模塊正常運行，電源模塊需要精確調(diào)節(jié)和分配電壓，以滿足不同模塊的需求，從而保證噴灑機器人能夠高效、穩(wěn)定地完成噴灑作業(yè)任務。

本系統(tǒng)采用ME6211系列的ME6211C33M5G-N芯片供電，該芯片能夠提高輸出穩(wěn)定性且成本較低，在高水平輸出的同時保持負載不變。電源電路如圖4所示。

2.4 驅(qū)動模塊設計

在驅(qū)動模塊設計中，充分考慮了直流電機對電磁轉(zhuǎn)矩變化的控制性能，能夠快速實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和多級調(diào)速，并支持無級調(diào)速[5]。此外，L298N直流電機驅(qū)動器具有優(yōu)異的啟停性能，在機器人運動控制方面表現(xiàn)突出，能夠及時停止運行以應對障礙物或到達目的地的情況。因此，本文選用L298N直流電機驅(qū)動器作為驅(qū)動模塊的核心組件，其驅(qū)動電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)視覺設計

噴灑機器人的視覺部分在實際圖像采集過程中，獲取的圖像與理想圖像可能存在差異。為了減小這種差異，需要對采集到的圖像進行預處理[6]。預處理主要包括圖像的變換與矯正以及圖像增強。

3.1 圖像的變換與矯正

圖像的變換與矯正是根據(jù)圖像變形的原因，利用圖像的位置、大小和形狀等信息，通過仿射變換或投影變換來減小采集到的圖像與實際圖像之間的差異。

3.2 圖像增強

利用空間域處理法或頻率域處理法對圖像進行灰度處理，以增強農(nóng)作物的顯現(xiàn)度。由于點運算能夠?qū)D像進行灰度處理而不改變像素的空間位置，同時能夠突出農(nóng)作物區(qū)域，因此本設計的圖像增強采用了點運算中的分段線性灰度變換。該方法將圖像灰度區(qū)間劃分為多段，每一段對應一個線性關系，并分別對各段進行線性變換。三段線性數(shù)學表達

3.3 圖像分割

圖像分割采用閾值分割法，閾值分割法可分為全局閾值分割法和局部閾值分割法[7]。在白天光照充足的情況下，采用全局閾值分割法對整幅圖像的像素信息進行處理；而在陰天或光線不足的情況下，則采用局部閾值分割法，通過對比局部像素灰度值來計算每個像素的閾值。本設計采用全局閾值分割法，并以花生葉斑病葉片為例進行圖像分割。首先，借助灰度直方圖（如圖6所示）設置全局閾值。通過灰度直方圖可知，當灰度級為120時，灰度級的頻率達到最高。在MATLAB中使用imhist函數(shù)顯示直方圖，圖像分割處理后的結(jié)果如圖7所示。

3.4 圖像特征提取

在對農(nóng)作物的病斑進行特征提取時，首先需要對采集到的圖像進行灰度轉(zhuǎn)化。圖像的特征提取是指從圖像數(shù)據(jù)中提取出具有代表性的信息或特征。

本設計利用局部二值模式（LBP）進行紋理特征提取。LBP通過記錄中心像素點與其周圍像素點的灰度差異來描述紋理特征，即使在光照變化的情況下，LBP的變化也不明顯，因此對光照變化具有較強的魯棒性[8-9]。LBP主要用于檢測圖像的紋理信息，適用于農(nóng)作物特征的提取和識別。

采用LBP算子進行特征提取能在一定程度上消除光照變化造成的影響，具有旋轉(zhuǎn)不變性[10]以及計算速度快等優(yōu)勢。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 系統(tǒng)主程序設計

本文設計的模塊化結(jié)構(gòu)涵蓋了傳感模塊和驅(qū)動電路模塊等關鍵組成部分。傳感模塊負責實時感知環(huán)境參數(shù)，驅(qū)動電路模塊控制執(zhí)行器的運行狀態(tài)。通過單片機作為核心控制單元，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高度智能化的操作，同時確保各模塊之間的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。綜合利用各模塊間的協(xié)同作用，使噴灑機器人能夠快速、準確地對環(huán)境作出響應和相應動作，從而實現(xiàn)高效的作業(yè)性能和智能控制水平的提升。噴灑機器人控制系統(tǒng)主程序如圖8所示。

4.2 系統(tǒng)子程序設計

4.2.1 傳感模塊程序設計

用戶設置上下限閾值作為系統(tǒng)溫濕度的安全值，若當前溫濕度值超過所預定的范圍，則LED燈閃爍報警，提醒用戶需要噴水。傳感器工作流程如圖9所示。

4.2.2 驅(qū)動模塊程序設計

當系統(tǒng)ENA為低電平時，輸入電平可對電機進行控制；當ENA為高電平時，此時輸入電平一高一低[11]，電機反轉(zhuǎn)。用L298驅(qū)動電機實現(xiàn)二相步進電機控制。將IN1、IN2和IN3、IN4兩對引腳分別接入STM32單片機的I/O口，輸出連續(xù)的脈沖信號。L298N驅(qū)動電機邏輯見表1。

4.2.3 視覺模塊程序設計

系統(tǒng)接收到識別的命令后進行圖像預處理，將獲取的圖像進行變換和矯正，使得圖像更易進行下一步處理。得到矯正后的圖像進行灰度轉(zhuǎn)換后并增強，突出圖像特征，并進行分割和特征提取。如果識別到作物葉片存在病變則輸出圖像給用戶，用戶根據(jù)不同的病變進行下一步處理。視覺設計流程如圖10所示。

5 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)是否達到設計要求，需要對系統(tǒng)進行功能測試[12]。主要對系統(tǒng)的視覺圖像采集功能、LED燈報警功能等進行測試。

5.1 系統(tǒng)傳感器LED閃爍報警測試

系統(tǒng)接通電源后，會在顯示屏幕上顯示當前的數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)不同作物進行閾值設置，當超過該設置閾值范圍時，LED燈將閃爍提醒用戶當前溫濕度不符合要求。LED燈閃爍報警功能的測試共做了20次，有效次數(shù)為17次，無效次數(shù)為3次，通過計算可得出，有效率為85%，滿足要求。

5.2 系統(tǒng)圖像采集測試

系統(tǒng)接通電源后，接收到識別命令并開始進行圖像預處理，以判斷作物葉片是否正常（是否存在病變），從而決定是否需要噴灑農(nóng)藥。本次測試以花生葉片為例，當系統(tǒng)完成圖像預處理后，對處理后的圖像進行分割和特征提取，最終得到花生葉片的葉斑病圖像。測試結(jié)果如圖11所示。

5.3 系統(tǒng)總體測試

測試過程：將系統(tǒng)上電，進入設置界面，調(diào)整上下限閾值，使當前溫濕度超過所設定的閾值，系統(tǒng)進行圖像采集，完成圖像處理，識別葉片是否需要噴灑農(nóng)藥。測試結(jié)果：超過閾值后LED燈閃爍報警，用戶可接收報警信息。結(jié)果分析：根據(jù)功能測試，該設計基本符合各項要求。

6 結(jié) 語

本文基于STM32微控制器，成功設計了一種噴灑機器人系統(tǒng)。通過深入的硬件和軟件設計，實現(xiàn)了對噴灑機器人的精確控制和智能化管理。整個系統(tǒng)不僅能夠高效完成噴灑任務，還具備較強的抗干擾能力和穩(wěn)定性，在農(nóng)業(yè)領域具有較高的實用價值并具有較大的推廣意義。

未來，研究者可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能和功能，通過提升系統(tǒng)的智能化水平和自主性，使機器人更好地適應多樣化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。同時，將系統(tǒng)拓展至更廣泛的應用領域，如果園、蔬菜大棚等，將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更大的便利和效益。逐步推廣這種智能農(nóng)業(yè)技術(shù)，不僅能夠提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，還能減少人力投入和資源浪費，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻。

注：本文通訊作者為許杰。

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