基于STM32單片機(jī)的大棚循跡農(nóng)藥噴灑車設(shè)計(jì)

李云瀟

摘 要：傳統(tǒng)的大棚農(nóng)藥噴灑方式污染較重，容易中毒。將紅外循跡避障系統(tǒng)與STM32單片機(jī)相結(jié)合，設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度較高的循跡農(nóng)藥噴灑車有助于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。該噴灑車在傳統(tǒng)紅外循跡避障車的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加了供藥、噴藥系統(tǒng)，可同時(shí)保證噴灑車運(yùn)行軌跡穩(wěn)定和農(nóng)藥噴灑高效。農(nóng)藥噴灑車搭載全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）模塊和谷歌移動(dòng)服務(wù)（Google Mobile Service，GMS）模塊，實(shí)現(xiàn)了噴灑車的遠(yuǎn)程定位功能，提高了農(nóng)藥噴灑的可靠性和安全性。噴灑車尺寸小、靈活性高、可操作性強(qiáng)，能滿足大棚內(nèi)自動(dòng)化作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：STM32F103單片機(jī);紅外循跡;全球定位系統(tǒng)（GPS）;農(nóng)藥噴灑

Abstract： The traditional method of pesticide spraying in greenhouse is heavy in pollution and easy to be poisoned. Combining the infrared tracking obstacle avoidance system with STM32 microcontroller to design a highly automated pesticide spraying vehicle will help to realize optimization. Based on the design of the traditional infrared tracking obstacle avoidance vehicle， the spraying vehicle added the drug supply and spraying system， which can ensure the stable running track of the spraying vehicle and the high efficiency of pesticide spraying at the same time. The pesticide spraying vehicle is equipped with GPS and GMS module to realize the remote positioning function of the spraying vehicle and improve the reliability and safety of pesticide spraying. The sprayer has the advantages of small size， high flexibility and strong maneuverability， which can meet the requirements of automatic operation in the greenhouse.

Keywords： STM32F103 microcontroller; infrared tracking; GPS; pesticide spraying

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，當(dāng)前的大棚應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)大棚農(nóng)藥噴灑技術(shù)以手持式噴霧為主，且由于大棚室內(nèi)空間有限、內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，一般不適用飛行器或大型設(shè)備實(shí)施高效噴灑。手持式噴霧效率低下，對(duì)操作人員危害性大，難以滿足大規(guī)模作業(yè)的需求。大棚農(nóng)藥滴灌、噴淋等技術(shù)雖能大規(guī)模作業(yè)，但是對(duì)大棚硬件設(shè)備要求高，且所需農(nóng)藥量大、覆蓋面單一，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致農(nóng)藥的浪費(fèi)，并對(duì)土地造成污染。

針對(duì)以上問題，研究設(shè)計(jì)基于STM32F103單片機(jī)的循跡農(nóng)藥噴灑小車，能夠代替人力實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化大棚農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴灑，也可以承擔(dān)同類的多樣化工作。它采用紅外循跡模塊加超聲波避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能有效提高工作效率[1]，同時(shí)配有全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）模塊和谷歌移動(dòng)服務(wù)（Google Mobile Service，GMS）模塊，可以實(shí)現(xiàn)小車的實(shí)時(shí)定位，并在有需要時(shí)以短信的形式發(fā)送小車當(dāng)前的經(jīng)緯度坐標(biāo)。本設(shè)計(jì)在提高農(nóng)藥噴灑設(shè)備可靠性的同時(shí)，降低了操作人員吸入農(nóng)藥的風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的應(yīng)用前景[2]。

1 總體設(shè)計(jì)框圖

本研究設(shè)計(jì)基于STM32F103單片機(jī)的循跡農(nóng)藥噴灑車，可實(shí)現(xiàn)PID算法的紅外循跡和農(nóng)藥噴灑功能。所用模塊如圖1所示。

2 農(nóng)藥噴灑模塊

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)單次噴灑至少覆蓋一座單棟大棚（常見面積約為667 m2），本設(shè)計(jì)參考的小車載藥質(zhì)量不低于30 kg，車輛總質(zhì)量不低于40 kg，故動(dòng)力模塊選用480 W的997低速12 V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪前行[3]。考慮到12 V直流電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，實(shí)際操作中需配置減速器來保障小車勻速前行。無刷直流電機(jī)保持了傳統(tǒng)直流電機(jī)的良好調(diào)速性能，具有效率較高、使用壽命長(zhǎng)以及噪聲低等特點(diǎn)。選擇兩個(gè)N100 12 V 100 Ah蓄電池并聯(lián)給電機(jī)供電，以保證農(nóng)藥噴灑工作順利進(jìn)行。

控制芯片的供電電壓為3.3 V，舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的要求電壓是5 V，需要對(duì)電壓降壓。5 V穩(wěn)壓芯片采用開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596。該芯片內(nèi)置固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，具備保護(hù)電路的功能。

2.2 車輪和底盤

考慮到大棚內(nèi)地面通常高低起伏、存留積水，小車在大棚里作業(yè)受地形影響較大。本設(shè)計(jì)采用輪胎驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用較深的胎紋槽，以減少地形對(duì)小車作業(yè)的影響。為滿足隔水、絕緣等需要，兼顧成本因素，底盤選擇韌性好、質(zhì)地柔和的亞克力板。

2.3 供藥裝置

供藥裝置利用一個(gè)微型潛水水泵進(jìn)行工作。考慮到要與單片機(jī)電壓相匹配，設(shè)計(jì)采用USB微型潛水泵。微型潛水泵可以根據(jù)不同長(zhǎng)度的噴灑裝置，調(diào)整供藥裝置的進(jìn)藥壓力。本設(shè)計(jì)選用額定電壓為5 V、最大流量為200 L/h、額定功率為3 W的微型潛水泵。

2.4 噴灑裝置

噴灑裝置可以根據(jù)農(nóng)作物的高低或者不同生長(zhǎng)周期進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如：根據(jù)大棚空間環(huán)境，可以選擇多元模塊的噴灑裝置;根據(jù)農(nóng)作物不同的生長(zhǎng)周期和不同品種之間的差別，可以調(diào)節(jié)噴頭的位置;根據(jù)農(nóng)藥噴淋部位，可單獨(dú)控制每個(gè)噴頭的開閉狀態(tài)，從而保證噴灑的可靠性、高效性以及適應(yīng)性[4]。

本設(shè)計(jì)采用的可自動(dòng)調(diào)節(jié)噴頭位置的噴灑裝置具有易操作性，但在霧滴沉積量和省藥率方面還有待優(yōu)化。目前，已有學(xué)者對(duì)果樹農(nóng)藥噴灑技術(shù)上進(jìn)行了進(jìn)一步研究，基于STM32F103VET6單片機(jī)控制對(duì)靶系統(tǒng)，在上位機(jī)手機(jī)控制端設(shè)置超聲波傳感器探測(cè)閾值，以適應(yīng)不同行距果樹的對(duì)靶噴霧作業(yè)。噴頭噴出的藥液被軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流二次霧化形成更細(xì)的霧滴，然后在氣流的脅迫作用下吹向標(biāo)靶物。果園自動(dòng)對(duì)靶風(fēng)送噴霧機(jī)有助于節(jié)省農(nóng)藥，可有效防止農(nóng)藥污染，同時(shí)提高了農(nóng)藥的使用率[5]。

3 循跡避障模塊

自動(dòng)尋跡控制系統(tǒng)利用紅外導(dǎo)引方式對(duì)小車進(jìn)行路徑導(dǎo)引，利用光線反射的強(qiáng)弱檢測(cè)路面信息，產(chǎn)生電平的高低變化，并反饋傳感器接收到的信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絊TM32F103單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算分析。設(shè)置兩個(gè)紅外傳感器的I/O口為浮空輸入，通過程序讀取I/O口的狀態(tài)進(jìn)行判斷，最終控制小車在田間路面上沿預(yù)設(shè)軌跡行走，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡的功能。

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理和協(xié)調(diào)控制功能，與關(guān)聯(lián)設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)循跡、避障和電機(jī)驅(qū)動(dòng)[6]。

考慮到車身質(zhì)量和藥箱質(zhì)量，需要更大功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。經(jīng)研究，設(shè)計(jì)采用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電路如圖2所示，電機(jī)工作表如表1所示。表1的L298N邏輯功能表中展示了使能（EA）、輸入引腳1（IN1）以及輸入引腳2（IN2）取值不同電平下的運(yùn)行狀態(tài)。相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)常用的L293D直流電機(jī)功率較小的弱勢(shì)，L298N擁有輸出電流大、功率強(qiáng)的特點(diǎn)，其輸出端可以與單片機(jī)直接相連，從而方便地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制[7]。

3.2 基于PID算法的紅外循跡傳感器模塊

市面上常見的五路循跡和七路循跡都采用的是傳統(tǒng)的紅外循跡。這種循跡方式是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，具有尋線精度差、易偏離軌跡以及尋線速度慢的缺陷。將傳統(tǒng)的五路紅外循跡改為PID算法的紅外循跡，將有效提高尋線的精度。PID算法的紅外循跡模塊直接通過單片機(jī)內(nèi)部AD采集紅外循跡傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)PID動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)舵機(jī)角度。它有12位AD位，最大可到212精度，極大地提高了精準(zhǔn)度。仿真電路如圖3所示。

3.3 避障模塊

小車在循跡工作過程中需要避開線路中遇到的障礙物，因此對(duì)檢測(cè)距離和精準(zhǔn)度有一定的要求。市面上常用的避障模塊有紅外避障和超聲波避障。兩種避障模塊的對(duì)比情況，如表2所示。相對(duì)于紅外避障，超聲波避障具有精度高、不易受外界干擾的優(yōu)勢(shì)。此外，紅外避障受循跡過程中障礙物、光照等不確定因素的影響較大。經(jīng)研究，本設(shè)計(jì)采用超聲波避障[8]。

超聲波避障模塊選用HC-SR04。此模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，模塊精度高，盲區(qū)小。采用I/O口的TRIG觸發(fā)測(cè)距，給10 μs的高電平信號(hào)后，模塊發(fā)送方波檢測(cè)是否有信號(hào)返回。當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，查看高電平的持續(xù)時(shí)間來計(jì)算測(cè)試距離[9]。此外，超聲波作為一種物理信號(hào)，不僅具有穿透能力好的特點(diǎn)，而且不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成傷害，是一種較為理想的選擇[10]。

3.4 SIM800模塊

循跡農(nóng)藥噴灑車需要與用戶建立互動(dòng)聯(lián)系。本設(shè)計(jì)采用SIM800模塊，是一款四頻GSM/GPRS模塊，SM封裝，性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價(jià)比高，能滿足客戶的多種需求。它配合GPS模塊向用戶發(fā)送當(dāng)前的位置，調(diào)整電壓后具備穩(wěn)定的通信功能。SIM800尺寸為21 mm×24 mm×3 mm，滿足循跡農(nóng)藥噴灑小車緊湊型的需求。

循跡農(nóng)藥噴灑小車在收到指令時(shí)，可以給用戶發(fā)送信息。它與GPS配合可以發(fā)送小車的當(dāng)前位置，如圖4所示。此外，它可以在發(fā)送定位短信的基礎(chǔ)上，報(bào)告剩余農(nóng)藥量、剩余電量等狀態(tài)信息，方便操作者更好地管理小車的運(yùn)行。

3.5 GPS模塊電路

GPS模塊采用U-BLOX NEO-6M模塊，具有體積小巧、性能優(yōu)異的特點(diǎn)，適用于循跡農(nóng)藥噴灑小車。模塊增加放大電路，有利于無緣陶瓷天線快速搜星。模塊可通過串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存在EEPROM，使用方便。模塊自帶SMA（Small A Type）接口，可以連接各種有源天線，適應(yīng)能力強(qiáng)。模塊兼容3.3 V/5 V電壓，方便連接各種單片機(jī)系統(tǒng)。模塊自帶可充電后備電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)。

溫室大棚內(nèi)的循跡路線受地形和不確定因素的影響較大。地形起伏較大，大石、坑洼、積水以及動(dòng)物昆蟲攻擊等都是不確定因素，會(huì)影響小車的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)、翻車等意外險(xiǎn)情。若發(fā)生小車GPS坐標(biāo)停滯不動(dòng)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速異常等情況，運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)芯片算法研判斷定險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)將停止噴灑農(nóng)藥，并及時(shí)給用戶發(fā)送短信，報(bào)告當(dāng)前小車的位置信息，以便用戶及時(shí)處理問題，如圖4所示。需要注意，接收到SIM800模塊發(fā)送的GPS坐標(biāo)信息后，將坐標(biāo)經(jīng)緯度輸入定位界面，即可定位當(dāng)前的小車位置。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)溫室大棚，設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103單片機(jī)的紅外循跡農(nóng)藥噴灑小車。該車尺寸小、靈活性高、可操作性強(qiáng)，能滿足溫室大棚農(nóng)藥噴灑的作業(yè)要求。在紅外循跡避障小車的基礎(chǔ)上增加了農(nóng)藥噴灑模塊，手動(dòng)調(diào)節(jié)噴頭位置以應(yīng)對(duì)不同高度的農(nóng)作物，有效提高了農(nóng)藥利用率，避免了人工噴灑農(nóng)藥的毒副作用。此外，循跡避障模塊有效保障了小車運(yùn)行的平穩(wěn)性。SIM800可以精準(zhǔn)傳送數(shù)據(jù)信息，配合GPS及時(shí)向用戶發(fā)送短信定位小車的當(dāng)前位置，方便用戶及時(shí)排險(xiǎn)或查看小車的狀況。

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