農(nóng)用噴藥車(chē)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甘敏，劉國(guó)彥，曹督尊，趙金才

（300384 天津市 天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院）

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有極其重要的作用。隨著科技發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)趨于機(jī)械化。噴藥車(chē)與傳統(tǒng)背負(fù)式噴霧器相比，提高了作業(yè)效率，減輕了作業(yè)員的作業(yè)負(fù)擔(dān)[1]。目前我國(guó)在精準(zhǔn)噴霧技術(shù)方面的研究有以下幾種方式：（1）采用圖像識(shí)別樹(shù)木信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理分析，進(jìn)而識(shí)別目標(biāo)。（2）采用葉綠素光學(xué)傳感器，該傳感器采用領(lǐng)先的光學(xué)技術(shù)判斷樹(shù)木信息。（3）采用傳感器探測(cè)樹(shù)木信息，目前用到的主要有3 種，分別為紅外傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器[2-5]。而WiFi 技術(shù)發(fā)展至今，已被廣泛應(yīng)用于日常生活。與有線(xiàn)傳輸方式相比，WiFi 組網(wǎng)方便,具有較好的移動(dòng)性以及擴(kuò)展性。圖像信息作為最直觀(guān)的視覺(jué)信息，對(duì)系統(tǒng)的路況采集具有重要的意義[6]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我國(guó)果園噴藥技術(shù)發(fā)展至今有不少成果，本次研究以山東農(nóng)業(yè)大學(xué)白鵬設(shè)計(jì)的噴藥車(chē)為基礎(chǔ)，該噴藥車(chē)總體包括風(fēng)送系統(tǒng)、藥泵管路系統(tǒng)等[7]，車(chē)輛的模型如圖1 所示。

圖1 噴藥車(chē)示意圖Fig.1 Schematic diagram of spray vehicle

噴藥車(chē)硬件以Arduino UNO 為主控板，采用超聲波傳感器獲取樹(shù)木信息。實(shí)驗(yàn)小車(chē)使用4 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)底部的4 個(gè)輪子，掛載在車(chē)頭的攝像頭獲取路況信息，通過(guò)WiFi 模塊將信息傳輸至手機(jī)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)車(chē)輛的前后左右控制。整個(gè)系統(tǒng)共由幾部分組成：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、WiFi模塊、攝像頭模塊、Android 設(shè)備、噴藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。總體框圖如圖2 所示。

圖2 總體框圖Fig.2 General block diagram

2 控制模塊

系統(tǒng)采用Arduino UNO 為核心控制器，具有14 路數(shù)字輸入/輸出口，6 路模擬輸入輸出口，進(jìn)行通信時(shí)串口指示燈會(huì)閃爍，以此來(lái)顯示是否進(jìn)行通信。本系統(tǒng)中通過(guò)串口通信。除此之外，Arduino UNO 還可以與其它設(shè)備通信，但需要連接RX（接收）和TX（發(fā)送）引腳。

3 傳感器的選取

目前大多數(shù)研究樹(shù)木信息采用的傳感器有3種，分別為超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器。紅外傳感器容易受到光照的影響，激光傳感器的性能較高，但檢測(cè)目標(biāo)過(guò)于單一，檢測(cè)范圍有限制。超聲波傳感器采用超聲波探測(cè)對(duì)樹(shù)木探測(cè)，超聲波是一種球面波，方向性好，探測(cè)范圍較廣[7]，因此，噴藥控制系統(tǒng)采用超聲波傳感器采集樹(shù)木信息。

4 WiFi 模塊

系統(tǒng)選用深圳市小R 科技機(jī)器人官方商城的WiFi 模塊，采用高通AR9331 芯片，模塊預(yù)置openwrt 固件，150 M 帶寬，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11b/g/h。最大連接速率可達(dá)150 Mbps。WiFi 模塊通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通訊。WiFi 模塊實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 WiFi 模塊實(shí)物圖Fig.3 Real WiFi module

4.1 指令傳輸模塊

對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制時(shí)，手機(jī)采用TCP 協(xié)議的方式通過(guò)WiFi 信道發(fā)送指令給WiFi 模塊，WiFi模塊與主控板通過(guò)串口連接，因此WiFi 模塊通過(guò)串口將指令發(fā)送給主控板。主控板內(nèi)置的程序?qū)χ噶钸M(jìn)行解析。解析后，根據(jù)通信協(xié)議，主控板對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的前后左右行駛，指令傳輸框圖如圖4 所示。

圖4 指令傳輸框圖Fig.4 Command transmission block diagram

4.2 視頻傳輸模塊

系統(tǒng)選用深圳市小R 科技機(jī)器人官方商城的攝像頭模塊，視頻傳輸不經(jīng)過(guò)單片機(jī)，51 單片機(jī)運(yùn)算速度低，不能驅(qū)動(dòng)視頻傳輸模塊。攝像頭通過(guò)USB 與WiFi 模塊相連，WiFi 模塊通過(guò)采集掛載在USB 接口的MJPG 格式的攝像頭數(shù)據(jù)，編碼封裝成http 協(xié)議的視頻流，通過(guò)WiFi 信道將視頻數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)客戶(hù)端，進(jìn)行解碼并顯示。視頻獲取的程序框圖如圖5 所示。

圖5 視頻獲取程序框圖Fig.5 Block diagram of video acquisition program

5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用Arduino IDE 進(jìn)行編程，超聲波傳感器檢測(cè)樹(shù)木信息，通過(guò)串口將信息傳至主控板，Arduino 對(duì)信息進(jìn)行處理和判斷后，輸出高低電平進(jìn)而控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。對(duì)于樹(shù)木信息的處理，系統(tǒng)設(shè)置為：超聲波傳感器采集到樹(shù)木和車(chē)的距離小于3 m，開(kāi)啟噴藥系統(tǒng)，打開(kāi)電磁閥后開(kāi)始噴施藥液。噴藥控制系統(tǒng)程序框圖如圖6 所示。

圖6 噴藥控制系統(tǒng)流程框圖Fig.6 Flow chart of spray control system

6 結(jié)語(yǔ)

采用智能小車(chē)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)小車(chē)實(shí)物圖如圖7 所示。視頻可以順利傳輸至手機(jī)上，傳輸距離目前不能超過(guò)30 m，超過(guò)30 m 采集的視頻會(huì)模糊不清。手機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車(chē)的行駛控制。

圖7 實(shí)驗(yàn)小車(chē)實(shí)物圖Fig.7 Physical figure of experimental trolley

對(duì)于噴藥控制部分，本文研究的是車(chē)輛總體控制思路，超聲波采集樹(shù)木信息，主控板進(jìn)行處理判斷，提高了目標(biāo)的準(zhǔn)確性。如此可以減少農(nóng)藥噴施時(shí)造成的浪費(fèi)。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，減少了作業(yè)者的作業(yè)量。