溫室無人自動噴霧系統(tǒng)設計

摘要：為減少農(nóng)藥使用量，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量并保障工作人員健康，設計了適用于溫室的無人自動噴霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制器、噴霧執(zhí)行機構以及軌道三部分組成。為適用于不同的溫室環(huán)境，該系統(tǒng)通過控制步進電機的工作方式和轉速來控制噴霧執(zhí)行機構的工作方向和行走速度，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室的無人自動噴霧。

關鍵詞：溫室；無人自動噴霧系統(tǒng)；控制器；步進電機

中圖分類號：Ｓ１２６；Ｓ２７５．９文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）03－0５８７-0２

Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Uｎｍａｎｎｅｄ Aｕｔｏｍａｔｉｃ Sｐｒａｙ Sｙｓｔｅｍ ｏｆ Gｒｅｅｎｈｏｕｓｅ

ＣＨＥＮ Ｌａｉ－ｒｏｎｇ１，ＪＩ Ｒｏｎｇ－ｈｕａ２，ＺＨＡＯ Ｙａ－ｑｉｎｇ２，ＭＡＮＧ Ｌｕ２

（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ；

２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ）

Abstract: An unmanned automatic greenhouse spray system was designed in order to reduce pesticide use，to improve the quality of agricultural products and protect operator health. The system consists of three parts: controller， sprayer unit and track. The control of the manner and speed of stepper motor of the system achieved by controlling the walking direction and speed of sprayer. So it could realize unmanned automatic spray in greenhouse and could be applied to different greenhouse.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ； ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｐｒａｙ ｓｙｓｔｅｍ； ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ； ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ

近年來我國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，設施農(nóng)業(yè)面積與產(chǎn)品產(chǎn)量均穩(wěn)居世界首位。相對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，設施農(nóng)業(yè)農(nóng)藥使用次數(shù)多，使用量大，農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留量嚴重。因此，采用先進的控制技術，研制和開發(fā)新型溫室內(nèi)專用施藥裝備，對于提高農(nóng)藥使用效率，最大程度減少農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益具有重大意義［１－４］。

目前發(fā)達國家應用于溫室的植保機械基本實現(xiàn)了產(chǎn)品的市場化和品種的系列化，能適應不同規(guī)模及用途的設施內(nèi)使用農(nóng)藥的要求。美國Ｒｏｗｅ等［５］設計的溫室自動噴藥系統(tǒng)由藥箱、空氣壓縮機、噴藥裝置、控制藥箱壓力和操作定時器組成，該系統(tǒng)可以在晚上工作。Ｄｒａｍｍ Ａｕｔｏｆｏｇ噴霧系統(tǒng)采用一個自動的煙霧生成器和一個循環(huán)風扇進行自動噴施［６］。意大利的Ｂｅｌｆｏｒｔｅ等［７］研發(fā)了用于溫室的機器人系統(tǒng)。日本常溫煙霧機采用靜電噴霧技術對藥劑的微粒給予高壓靜電，使其與作物之間產(chǎn)生靜電引力而吸附于作物。但這些系統(tǒng)造價普遍偏高，在我國還難以普及推廣。國內(nèi)相關科研院所也進行了相關的研究與開發(fā)。南京農(nóng)機化研究所研制的３ＹＣ－５０型溫室專用常溫煙霧機實現(xiàn)了噴射與操控空間的完全分離，主要用于溫室內(nèi)蔬菜和花卉的病蟲害防治［８］。陳志青［９］研究了智能對靶噴霧室內(nèi)機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用配套的動力噴霧機完成噴霧作業(yè)。陳艷巧［１０］對溫室型電動彌霧機進行了改進，保證霧滴在一定噴幅內(nèi)被均勻地彌散在作物上。

針對溫室內(nèi)空間密閉、溫度高和濕度大的特點，本課題組設計了一種超低量、小霧滴，能夠用于溫室的自動噴霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過步進電機控制噴頭的位置，電磁閥控制噴頭的流量，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的精準噴藥。

１溫室無人自動噴霧系統(tǒng)設計

溫室無人自動噴霧系統(tǒng)主要由噴霧機構、控制器和軌道組成。系統(tǒng)組成結構如圖１所示。

為實現(xiàn)噴霧機構在溫室內(nèi)自動行走并執(zhí)行噴灑作業(yè)，設計了一個導軌，該導軌沿溫室長軸方向搭建，導軌上安裝一個可以滑動的小車，小車由步進電機控制沿導軌滑行。在導軌上自由運動的小車帶動噴桿沿預訂軌道做往復運動。為實現(xiàn)噴頭流量的自動調(diào)節(jié)，在藥液輸出端安裝一個電磁閥，該電磁閥由控制器控制其開關，從而實現(xiàn)無人噴霧。

系統(tǒng)控制器主要控制系統(tǒng)的行走速度和噴頭流量，是整個噴霧系統(tǒng)的關鍵組成部分，施藥系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)和工作質(zhì)量很大程度上都依賴于控制器的設計。根據(jù)控制器的功能要求，選擇AT８９Ｃ５２單片機作為控制器。控制系統(tǒng)結構如圖２所示。

２溫室無人自動噴霧系統(tǒng)控制設計

控制系統(tǒng)主要功能是根據(jù)輸入信號對噴頭位置與流量進行實時控制。控制系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化模塊、步進電機控制模塊和電磁閥控制模塊三部分組成。其中步進電機控制模塊主要實現(xiàn)對噴桿行走的控制；電磁閥控制模塊主要實現(xiàn)對電磁閥的自動控制。

２．１步進電機控制設計

通過步進電機工作方式和轉速控制小車的運行方向和速度。根據(jù)步進電機的控制原理，系統(tǒng)采用四項混合式步進電機完成環(huán)形分配器設計。基于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減小角度方面考慮，步進電機驅(qū)動采用四相八拍工作方式，通電順序為Ａ→ＡＢ→Ｂ→ＢＣ→Ｃ→ＣＤ→Ｄ→ＤＡ→Ａ。步進電機的控制方案如表１所示。

按照表１制成一張狀態(tài)表并存放到內(nèi)存中。控制器按照步進電機正、反轉的控制要求，將狀態(tài)表的內(nèi)容取出來并送至Ｐ１口，從而實現(xiàn)對步進電機工作方式的控制。

步進電機轉速控制是通過控制各通電狀態(tài)持續(xù)時間的長短，即系統(tǒng)發(fā)出ＣＰ脈沖的頻率或者換相的周期。ＡＴ８９C５２單片機系統(tǒng)可以通過兩種辦法確定ＣＰ脈沖的周期：軟件延時和定時器延時法。本系統(tǒng)采用軟件延時的方法實現(xiàn)。

２．２電磁閥的控制

在系統(tǒng)中，電磁閥響應速度是關鍵性的控制參數(shù)，電磁閥響應速度太慢會導致噴桿末端的噴頭流量無法實現(xiàn)預期的控制效果。故選用德國Bｕｒｋｅｒｔ公司生產(chǎn)的６２２３型電磁閥，該電磁閥的響應時間以微秒級為單位。

控制器通過編程控制Ｉ／Ｏ口（Ｐ０）輸出控制信號，Ｐ０口通過光電隔離電路后與三極管的基極相接。經(jīng)過三極管放大電路使電流達到可以驅(qū)動電磁閥正常工作的３３０ ｍＡ。當Ｐ０口輸出的控制信號為高電平時，發(fā)光二極管導通，加在三極管基極的電勢等于Ｖｃｃ，促使三極管導通，電磁閥繼電器控制端被接通，電磁閥打開開始噴霧；當Ｐ０口輸出的控制信號為低電平時，發(fā)光二極管中斷，加在三極管基極的電勢等于零，三極管截止，電磁閥繼電器控制端被斷開，電磁閥關閉停止噴霧。

３小結

目前，背負式手動噴霧機是我國溫室內(nèi)主要的施藥機具，存在著噴霧質(zhì)量差、噴霧不均勻、操作者與農(nóng)藥直接接觸等問題。針對這一問題，設計了溫室自動噴霧系統(tǒng)。溫室自動噴霧系統(tǒng)主要由噴霧機構、控制器和軌道三部分組成，其中控制器通過控制步進電機的行走方向和速度，來實現(xiàn)控制噴桿在軌道上的行走；通過控制電磁閥的開關實現(xiàn)自動噴霧。操作者通過控制器來實現(xiàn)對噴霧執(zhí)行機構的自動控制。該系統(tǒng)能夠有效減少環(huán)境污染，保護操作人員的安全，對改進我國溫室施藥技術具有重要意義。

參考文獻：

［１］ 張霞． 溫室蔬菜病蟲為害的特點及綜合防治技術［Ｊ］． 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，２００６（７）：２７－２８，３１．

［２］ 李曉仁，李虹，魏文生． 日光溫室病蟲害發(fā)生原因淺析與綜合防治對策［Ｊ］． 北方園藝，２０００（４）：４５－４６．

［３］ 初江，徐麗波，姜麗娟，等． 設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展分析［Ｊ］． 農(nóng)業(yè)機械學報，２００４，３５（３）：１９１－１９２．

［４］ 趙創(chuàng)建， 張茂團，千瓊麗． 溫室蔬菜病蟲害發(fā)生特點及防治對策［Ｊ］． 西北園藝，２００６（１）：２９－３０．

［５］ ＲＯＷＥ Ｄ Ｅ，ＭＡＬＯＮＥ Ｓ，ＹＡＴＥＳ Ｑ Ｌ． Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｓｐｒａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］． Ｃｒｏｐ ｓｃｉ， ２０００，４０（４）：１１７６－１１７９．

［６］ ＳＩＤＡＨＭＥＤ Ｍ Ｍ， ＢＲＯＷＮ Ｒ Ｂ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｒａｙ ｄｉｓｐｅｒｓａｌ ａｎｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ａ ｆｏｒｅｓｔｒｙ ａｉｒｂｌａｓｔ ｓｐｒａｙｅｒ——Ｐａｒｔ １： Ａｉｒ ｊｅｔ ｍｏｄｅｌ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＡＥ，２００１，４４（１）：５－１０．

［７］ ＢＥＬＦＯＲＴＥ Ｇ，ＤＥＢＯＬＩ Ｒ，ＧＡＹ Ｐ，ｅｔ ａｌ． Ｒｏｂｏｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｆｏｒ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００６，９５（３）：３０９－３２１．

［８］ 錢錄慶． 大棚溫室病蟲害防治新機具［Ｊ］． 山西農(nóng)機，２００６（３）： １３．

［９］ 陳志青． 噴霧機器人控制系統(tǒng)研制［Ｄ］． 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，２００２．

［１０］ 陳艷巧． 溫室型電動彌霧機的改進設計與試驗分析［Ｄ］．淄博：山東理工大學，２００７．