基于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)病蟲害智能監(jiān)控的自動(dòng)噴藥機(jī)研究

房亞群，谷利芬，張 莉

(1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，江蘇 淮安 223003；2.焦作師范高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.武漢晴川學(xué)院，武漢 430064)

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基于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)病蟲害智能監(jiān)控的自動(dòng)噴藥機(jī)研究

房亞群1，谷利芬2，張 莉3

(1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，江蘇 淮安 223003；2.焦作師范高等專科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.武漢晴川學(xué)院，武漢 430064)

為了實(shí)現(xiàn)果園大面積自動(dòng)化噴藥，提高噴藥裝置智能化選擇重點(diǎn)病蟲害果樹目標(biāo)的能力，基于物聯(lián)網(wǎng)和智能監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新的果園自動(dòng)對靶噴藥裝置。利用新式的自動(dòng)噴藥裝置，可以結(jié)合病蟲害實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對果樹有選擇性地進(jìn)行自動(dòng)噴藥，利用紅外線掃描技術(shù)可以精確地噴藥對靶，采用AT89S52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。模擬實(shí)際果樹噴藥環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室對噴藥裝置的自動(dòng)對靶功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)過程中分別采用了3種不同顏色的標(biāo)的物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)10m的范圍內(nèi)，智能噴藥裝置可以準(zhǔn)確地識(shí)別3種顏色的盆栽目標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)差最大僅為0.12，識(shí)別精度和效率較高，為果園自動(dòng)噴藥裝置的研發(fā)提供了技術(shù)支持。

噴藥裝置；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；自動(dòng)對靶；實(shí)時(shí)監(jiān)控

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)具備物聯(lián)網(wǎng)推廣應(yīng)用規(guī)模化、集約化生產(chǎn)經(jīng)營這一基礎(chǔ)條件，因此是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)實(shí)施控制和自動(dòng)化生產(chǎn)作用中應(yīng)用的范圍越來越廣泛，如病蟲害的檢測和診斷、數(shù)據(jù)的分布式采集及環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測等。其可以對土壤溫度、濕度、和光照需求等因子進(jìn)行智能分析，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息發(fā)布等方式，提高農(nóng)業(yè)裝備的智能化和自動(dòng)化水平，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細(xì)化發(fā)展。目前，國內(nèi)自動(dòng)化噴藥裝置的研究還不多，采用物聯(lián)網(wǎng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控病蟲害研究噴藥裝置的更為罕見，而將該技術(shù)引入到果園噴藥裝置的設(shè)計(jì)和研究中，可以帶來巨大的技術(shù)變革，對于噴藥自動(dòng)化和精準(zhǔn)化實(shí)施、提高噴藥過程中人員的安全性、降低環(huán)境的污染程度、提高噴藥效率等具有重要的意義。

1 噴藥設(shè)施設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)果蔬噴藥的規(guī)?；鳂I(yè)，必須借助于自動(dòng)噴藥裝置。背負(fù)式的噴藥機(jī)已經(jīng)不能完成大田的作業(yè)，其對人員傷害較大，農(nóng)藥的使用效率較低，而采用懸掛式噴藥機(jī)可以有效地改變這種狀況。懸掛式噴藥機(jī)作業(yè)過程如圖1所示。

圖1 懸掛式噴藥機(jī)作業(yè)過程

該裝置使用拖拉機(jī)進(jìn)行了改裝，從而使噴藥面積有所增大，有效地提高了噴藥效果；但是該裝置只適應(yīng)于大地塊作業(yè)，適應(yīng)能力弱，自動(dòng)化程度低，不適用于果樹噴藥作業(yè)。

圖2為華盛中天研制出的一款多懸翼無人噴藥機(jī)。該噴藥機(jī)的作業(yè)適用范圍較廣，可對各種作物進(jìn)行大面積噴藥，并配備了GPS系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)飛行的穩(wěn)定性。這種噴藥機(jī)操控性好，自動(dòng)化程度較高，對農(nóng)藥的利用率也較高，減少了勞動(dòng)力，且對作物的穿透性較好?；谶@種裝置的理念，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控的自動(dòng)噴藥裝置，總體框架如圖3所示。

物聯(lián)網(wǎng)在自動(dòng)噴藥裝置設(shè)計(jì)中的作用主要是對果園環(huán)境進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中，環(huán)境參數(shù)主要包括光照、溫度和濕度等，而視頻監(jiān)控主要是對果樹的病蟲害狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)某個(gè)區(qū)域果樹的病蟲害情況嚴(yán)重、需要對該區(qū)域進(jìn)行噴藥時(shí)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信將位置發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)確認(rèn)位置后通過紅外線掃描對果樹進(jìn)行準(zhǔn)確定位，其流程如圖4所示。

圖2 多旋翼無人噴藥機(jī)

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)噴藥裝置

圖4 自動(dòng)噴藥機(jī)工作流程

工作時(shí)，首先通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控測得病蟲害區(qū)域，利用單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到病蟲害較為嚴(yán)重的果樹目標(biāo)區(qū)域；如果識(shí)別出目標(biāo)，則噴藥機(jī)進(jìn)行移動(dòng)，到達(dá)指定地點(diǎn)后，由電磁閥控制對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行噴藥，噴藥量的大小可以通過電磁閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了噴藥過程的全自動(dòng)化控制。

2 智能控制網(wǎng)絡(luò)和硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)噴藥系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化控制，需要設(shè)計(jì)噴藥裝置的核心控制器，其主要功能是通過與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，得到病蟲害較為密集的區(qū)域，然后采用紅外線技術(shù)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行定位。本設(shè)計(jì)采用自走式噴藥設(shè)備，主要噴藥對象為果樹。信號(hào)在核心控制器AT89S52中進(jìn)行處理之后，將控制信號(hào)發(fā)送到噴藥器的執(zhí)行末端，控制電磁閥的開合和流量，對病蟲害集中區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)施藥。其通信網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 智能噴藥系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)無線通信框架

圖5中，底層采用傳感器設(shè)備對果樹的病蟲害狀況進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)通過節(jié)點(diǎn)路由設(shè)備、利用RS-485通信協(xié)議傳送到遠(yuǎn)程上位機(jī)，上位機(jī)與路由設(shè)備的通信使用GPRS。系統(tǒng)的硬件部分8個(gè)模塊，主要包括通信系統(tǒng)模塊、紅外線掃描模塊、時(shí)鐘電路、供電模塊、設(shè)備復(fù)位模塊、接口測試模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、電磁閥模塊和供電電源模塊，總體框架如圖6所示。

紅外線掃描設(shè)備主要對距離進(jìn)行掃描，通過可變距離開關(guān)，可以將額定測試距離從0cm調(diào)整到1 000cm，為智能自動(dòng)化噴藥機(jī)提供了果樹目標(biāo)識(shí)別的參數(shù)。

圖7為利用紅外線掃描裝置。對重點(diǎn)病蟲害果樹進(jìn)行掃描識(shí)別目標(biāo)的原理：當(dāng)自動(dòng)噴藥裝置接收到網(wǎng)絡(luò)通信病蟲害嚴(yán)重的果樹時(shí)，利用紅外線裝置對果樹進(jìn)行自動(dòng)定位和識(shí)別。紅外線掃描設(shè)備使用紅外線發(fā)射和接收裝置來測定果樹的距離，信號(hào)利用調(diào)制解調(diào)進(jìn)行放大，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。其中，自動(dòng)控制過程的時(shí)鐘電路如圖8所示。單片機(jī)在進(jìn)行自動(dòng)化控制時(shí)需要時(shí)鐘信號(hào)，因?yàn)樵趫?zhí)行自動(dòng)化控制時(shí)，控制系統(tǒng)需要嚴(yán)格地按照時(shí)序順序執(zhí)行。本研究采用的單片機(jī)使用內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘的方式，并利用XTAL1和XTAL2跨接晶振，C1和C2利用30PF電容進(jìn)行微調(diào)，單片機(jī)和時(shí)鐘電路的位置最近，從而避免了在數(shù)據(jù)采集和處理過程中外部環(huán)境的干擾，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 智能噴藥系統(tǒng)硬件模塊

圖7 紅外線掃描果樹識(shí)別原理

圖8 控制系統(tǒng)單片機(jī)時(shí)鐘電路圖

自動(dòng)化噴藥裝置完成噴藥目標(biāo)作業(yè)后，需要恢復(fù)到工作的初始狀態(tài)，并從這個(gè)初始狀態(tài)開始工作。單片機(jī)在進(jìn)行一次作業(yè)后，需要對按鍵、監(jiān)控程序及自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，通過電容、電阻和復(fù)位按鈕實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能?？刂葡到y(tǒng)的復(fù)位電路圖如圖9所示。系統(tǒng)開始工作后，電路中開始有電，VCC電壓從0變成特定數(shù)值，并且在RESET端具有24個(gè)震蕩周期的高電平；將該點(diǎn)接地，RESET端的電平由高變低，從1變?yōu)?，從而實(shí)現(xiàn)了噴藥裝置單片機(jī)的復(fù)位。

圖9 控制系統(tǒng)單片機(jī)復(fù)位電路

3 智能識(shí)別的自動(dòng)噴藥裝置實(shí)驗(yàn)

本文的智能自動(dòng)化噴藥裝置在果樹上設(shè)置傳感器，并且安裝攝像頭，以實(shí)現(xiàn)病蟲害數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集，通過系統(tǒng)通信將病蟲害數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)庫，由專家對病蟲害做出診斷，通過診斷得到病蟲害比較密集的果樹，其框架結(jié)構(gòu)如圖10所示。利用物聯(lián)網(wǎng)通信可以實(shí)現(xiàn)病蟲害的實(shí)時(shí)監(jiān)控，本實(shí)驗(yàn)選用紅外線傳感器來監(jiān)測待噴藥目標(biāo)果樹。根據(jù)果樹噴藥作業(yè)的實(shí)際環(huán)境，選擇漫反射紅外線開關(guān)，在監(jiān)測到待噴藥目標(biāo)果樹時(shí)，紅外線發(fā)射器可以發(fā)射出足夠的光線，光電開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)。實(shí)驗(yàn)方案如圖11所示。

圖10 基于物聯(lián)網(wǎng)的病蟲害識(shí)別

圖11 實(shí)驗(yàn)方案示意圖

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將紅外線固定在一個(gè)位置，然后將裝置的電位器旋鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而得到最大的額定監(jiān)測距離。使用3種不同顏色的物體作為監(jiān)測對象，得到了如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 智能噴藥裝置目標(biāo)識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 1 The experimental results of intelligent spraying device for target recognition m

測試編號(hào)白色盆栽距離紅色盆栽距離綠色盆栽距離110．1110．0510．01210．2210．1310．0339．9110．069．98410．039．969．99510．259．989．97標(biāo)準(zhǔn)差0．120．050．06

結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)10m的范圍內(nèi)，智能噴藥裝置可以準(zhǔn)確的識(shí)別3種顏色的盆栽目標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)差最大僅為0.12。當(dāng)噴藥裝置以1m/s的速度行進(jìn)時(shí)，只要系統(tǒng)的延時(shí)小于或者等于目標(biāo)寬度時(shí)，便可以準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)，其識(shí)別的精度和延時(shí)有關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)智能噴藥裝置時(shí)，需要充分考慮系統(tǒng)的控制精度，以提高目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新式的智能化自主噴藥裝置。該裝置利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將自動(dòng)化噴藥裝置和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來，建立了裝置的無線通信網(wǎng)絡(luò)，并采用AT89S52 單片機(jī)完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，利用紅外線掃描裝置實(shí)現(xiàn)了待噴藥果樹目標(biāo)的智能識(shí)別。對裝置進(jìn)行了目標(biāo)識(shí)別的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在通信系統(tǒng)給出目標(biāo)位置后，自動(dòng)噴藥裝置可以有效地識(shí)別3種顏色的盆栽物，識(shí)別效率和識(shí)別準(zhǔn)確率都較高。采用智能化自動(dòng)噴藥裝置，改變了長期以來傳統(tǒng)的人工噴藥方式，有效地提高了噴藥過程中人員的安全性，對于提高噴藥效率和實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化噴藥都具有重要的意義。

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Abstract： g, selectivity of fruit trees for automatic spray, the infrared scanning technique can achieve precise spraying on target, using AT89S52 SCM to realize the automatic control of the whole system. Simulate the actual spraying fruit trees environment and in Laboratory of pesticide spraying device automatic and the experimental study is carried out on the target function, the respectively by the three kinds of different colors of the subject matter, it can be seen from the experimental results, within the range of experimental 10m, intelligent spraying device can be accurate knowledge in three different colors of potted target, the standard difference maximum is only 0.12, recognition accuracy and higher efficiency, for the development of orchard automatic spray device, which provides technical support.

ID:1003-188X(2017)08-0224-EA

Research on Automatic Spraying Machine for Intelligent Monitoring of Agricultural Pests and Diseases Based on Internet of Things

Fang Yaqun1, Gu Lifen2, Zhang Li3

(1.Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College,Huai’an 223003,China; 2.School of Computer and Information Engineering,Jiaozuo Teachers College,Jiaozuo 454000, China;3.Wuhan Qingchuan College,Wuhan 430064, China)

spraying device; networking technology; automatic target detection; real-time monitoring

2016-07-06

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新項(xiàng)目(CX(16)60732)

房亞群(1981-)，女，江蘇宿遷人，講師，碩士。

張 莉(1978-)，女，武漢人，碩士，講師，(E-mail)xiongfangzi1981@sina.com。

S491；TP277

A

1003-188X(2017)08-0224-04