煙草智能定量澆水機的研制

劉雙喜　范連祥　李現道等

摘要：為解決煙草種植過程中人工澆水成本高、勞動強度大、水資源浪費嚴重等問題，設計了一種基于ARM系統的煙草智能定量澆水機，該機可實現煙草的自動化定量澆水。煙草智能定量澆水機主要由行走系統、檢測控制系統、光箱、電磁閥等組成。該機在行走系統作用下前進時，由攝像頭檢測壟上煙草位置，將采集的數據傳遞給ARM系統，ARM系統再向電磁閥控制電路輸出一個控制信號，控制電磁閥打開，完成澆水作業。通過ARM系統中的程序控制電磁閥打開時間的長短，從而確定澆水量。試驗結果表明，煙草智能定量澆水機的檢測準確率為98%，澆水準確率為97%，效果能夠滿足煙草栽培管理的農藝要求。

關鍵詞：煙草；澆水機；檢測；控制；定量

中圖分類號：S274.4 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2015）01-0124-06

Abstract In order to solve the problems present in tobacco planting process such as high cost of artificial watering， large labor intensity and serious waste of water resource， a kind of tobacco intelligent quantitative watering machine based on the ARM system was designed. This machine could complete the automatic and quantitative tobacco watering. This machine consists of walking system， detection and control system， light box and electromagnetic valve. When the watering machine moved forward controlled by the walking system， the camera detected the position of tobacco plant on the ridge and transferred the data to the ARM system， and then the ARM system outputted a control signal to the control circuit of electromagnetic valve to open the electromagnetic valve and complete the watering operation. The programs in the ARM system could determine the watering quantity by controlling the opening time of electromagnetic valve. The test results showed that the detection accuracy of tobacco intelligent quantitative watering machine reached to 98%， and the watering accuracy reached to 97%， so it could meet the agronomic requirements of tobacco cultivation.

Key words Tobacco； Watering machine； Detection； Control； Quantification

煙草是我國主要經濟作物之一，種植煙草已成為增加農民收入和財政稅收的重要組成部分[1]。在煙草的生長期間，水分直接影響著煙草的生長發育、生理生化代謝以及產量和品質[2～5]，適時、適量的澆水是保證煙農獲得高產、優質煙葉的重要環節。

目前，以美國、日本為代表的煙草生產技術發達國家，其煙草田間管理已基本實現高度機械化[6]。如美國移栽機公司（Mechanical Transplanter）生產的吊杯式膜上移栽機，作業時能完成膜上移栽、注水、覆土鎮壓等作業，由于對育草的要求低，因此在生產中得到了廣泛應用；但由于采用四桿機構吊杯，機械結構復雜，成本高。加拿大研制的煙葉“轉植機”可實現集挖穴、栽煙、澆水、施肥、封土為一體，但需要的人力較多。日本文明農機公司生產的AP—1型煙草田間管理車與其他配件組合后，可以較好地完成田間管理作業[7]。雖然國外的煙草種植機械化程度較高，但針對澆水這一項作業還沒有專門的成品機械來完成。

我國的煙草機械還處在起步階段，特別是在澆水這一環節費時費力，大多數地方還是以人工或畜力為主，機械化程度低，無法做到按需澆水，既浪費了水資源，又無法將澆水量控制在煙草生長所需要的最佳范圍。因此，實現煙草的機械化、自動化澆水是保障煙農經濟效益的有效措施。

針對這一現象，筆者研制出一種基于ARM控制系統的煙草智能定量澆水機，該機可實現煙草的自動化定量澆水。

1 整機結構與主要技術指標

1.1 整機結構

煙草智能定量澆水機采用自走式，主要由行走系統、檢測控制系統、光箱、電磁閥等組成，總體結構如圖1所示。光箱通過光箱懸掛架固定在澆水機后方，檢測控制系統安裝在光箱上方，儲水罐固定在光箱后方中間位置，其底部與電磁閥相連。

1.2 工作原理

澆水前，首先調正煙草智能定量澆水機，使攝像頭位于煙壟中心線正上方。調節光箱懸掛架使光箱在機器行進過程中不碰觸煙草，且能隔絕外界大部分光線。endprint

煙草智能定量澆水機工作時，打開行走離合，變速箱將來自發動機的動力傳遞給行走機架，從而帶動澆水機的前進。打開ARM系統開關和潛水泵開關，安裝在ARM系統上的攝像頭在行走過程中檢測煙草位置，獲取圖像數據，然后將數據傳遞給ARM系統，ARM系統將攝像頭取得的數據與原始設定的數據范圍作比較，如果攝像頭所獲取的數據在所設定的數據范圍內，則認為檢測到煙草位置。此后ARM系統將向電磁閥控制電路輸出一個持續時間固定的低電平信號，電磁閥控制電路接收到該信號后，電路中繼電器電控開關閉合，電磁閥得電導通，開始澆水；當低電平信號結束后，繼電器電控開關斷開，電磁閥斷電關閉，結束澆水。

澆水量可以通過電磁閥打開的時間長短來控制，電磁閥打開時間通過ARM系統中設定的程序控制。

1.3 主要技術指標

依據煙草澆水農藝和澆水機功能特征要求，確定智能煙草澆水機主要技術指標如表1所示。

2 主要部件設計和參數的確定

2.1 光箱

光箱是煙草智能定量澆水機的重要部件。澆水機工作時，光箱可以最大限度地屏蔽外界光線的干擾，防止外界光照強度的變化對圖像的采集產生影響，為攝像頭采集數據提供一個穩定的視覺采集環境。該部分主要由光箱外殼、燈條安置架和攝像頭懸掛架組成。光箱外殼的形狀和煙壟形狀相似，其結構簡圖如圖2所示。

光箱的高度可通過光箱懸掛架進行調節。光箱外殼由一個矩形頂面、兩個矩形側面和兩個梯形側面共五個板組成。光箱外殼頂面開有矩形孔，用以安裝檢測控制系統；兩個梯形側面底部中心開有限位孔，該限位孔用于防止澆水機行進過程中對煙草有所損傷。

在光箱的兩個矩形側面內部共固定著8個燈條安置架，用來固定LED燈條和漫射板，為圖像的采集提供恒定光源，防止光線變化對圖像的采集產生影響。8個LED白燈條采用并聯的方式與12 V電源連接，所有負極接地。漫射板安裝在燈條前端，用來穩定、均勻光源發出的光線，為數據的采集提供一個光照穩定、光線均勻的視場。燈條安置架截面簡圖如圖3所示。

光箱頂部內側焊接有實心圓柱形鐵桿，將攝像頭懸掛架上的套筒套入上述鐵桿中，通過調節套筒的上下固定位置來調整攝像頭懸掛架的高度，從而實現攝像頭的高度調節。攝像頭懸掛架上設有懸掛板，在懸掛板上開有多對攝像頭固定孔，通過改變攝像頭的固定位置來改變攝像頭的前后位置，從而實現攝像頭前后方向的調節。

作業時保證攝像頭在煙壟中心的正上方，且與壟頂平面的垂直距離為10～15 cm，與電磁閥的水平距離為12～15 cm，從而保證獲取大小合適的視場范圍，確保澆水位置的準確性。攝像頭懸掛架如圖4所示。

2.2 檢測控制系統

檢測控制系統是煙草智能定量澆水機的核心部分，用以實現煙草位置的檢測、電磁閥開閉的控制和澆水量大小的控制。

檢測控制系統主要由攝像頭、ARM系統和電磁閥控制電路組成，ARM系統型號為Real 6410，主頻為667 M。檢測控制系統固定在光箱頂部的檢測控制系統安裝口上。ARM系統和電磁閥控制電路由兩個12 V電瓶串聯后，通過電源轉換模塊將電壓轉換成5 V供電，所有負極接地。其工作流程如圖5所示。

該澆水機選用百萬像素面陣攝像頭作為信號采集設備。工作時攝像頭固定在光箱中的攝像頭懸掛架上面，可實現攝像頭前后方向和上下方向的位置調節，攝像頭尾部通過數據線與ARM系統相連，并通過數據線將所獲取的數據傳遞給ARM系統。

不同物質的顏色在圖像中所表示的數據范圍不相同。采用進入攝像頭面陣視場的第一行圖像（圖6A）作為數據源進行分析，所得數據分布圖如圖6B所示。其中g代表某像素點G通道數值大小，b代表某像素點B通道數值大小，以g-b作為區分土壤和煙草的特征。可以看出，土壤在色彩分布中的數據范圍為5～18，煙草在色彩分布中的數據范圍為18～31。所以設定23～28作為代表煙草顏色的最終數據范圍。

ARM系統接收到攝像頭采集的圖像數據后，對數據進行處理和分析，當所獲取的數據在23～28范圍內時，則認為檢測到煙草位置，此時ARM系統通過GPIO口向電磁閥控制電路輸出一個持續時間固定的低電平信號，以控制繼電器中電控開關的閉合。通過設定的程序可以控制低電平信號持續時間的長短，從而確定繼電器中電控開關的閉合時間和電磁閥打開時間。

電磁閥控制電路用來控制電磁閥的打開和關閉，該電路原理圖如圖7所示。

當電磁閥控制電路接收到ARM系統發出的低電平信號后，通過光電耦合器使該信號完成“電—光—電”的轉變，從而控制繼電器中電控開關得電閉合，此時電磁閥得電導通，完成澆水。當低電平信號結束時，繼電器中的電控開關打開，電磁閥關閉，結束澆水。

2.3 攝像頭安裝位置和澆水量的確定

攝像頭與電磁閥的水平距離決定著澆水位置的準確性，該距離的確定與機器的行走速度和電磁閥的安裝高度有關。

煙草智能定量澆水機的行走系統傳動簡圖如圖8所示。

發動機將動力傳遞給變速箱，然后變速箱通過輸出軸2將動力傳遞給行走輪軸3，從而帶動澆水機前進。已知發動機和變速箱輸入軸的傳動比為i0，變速箱前進1檔傳動比為i1，發動機轉速為1 800 r/min，齒輪齒數Z1=Z2=26，所以軸3的轉速等于軸2的轉速，為：

以最大澆水量為1 L為例，完成一次澆水作業的最大時間為1 s<1.09 s，所以在攝像頭檢測到下一株煙草前，澆水作業已經完成。當需要更大澆水量時，選用流量更大的潛水泵即可滿足要求。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

煙草智能定量澆水機（見圖9）田間作業性能試驗在山東農業大學煙田試驗基地進行，試驗用地為1.2 hm2，地表平整，試驗條件如表2所示。endprint

3.2 試驗結果與分析

試驗過程中樣機運轉平穩，工作安全可靠，能夠有效地完成自動化定量澆水，工作過程協調通暢，澆水量的大小和澆水位置滿足農藝要求。采集1 000株樣本進行分析，試驗結果如表3所示，滿足設計要求。

在試驗過程中，偶爾出現不澆水或者澆水位置不準確現象，分析其原因有：①煙草生長異常，葉子變黃，導致檢測數據出錯。②煙草移栽時株距過小，導致檢測控制系統處理時間不足。③機器行進過程中偶爾出現抖動現象，導致攝像頭檢測異常。

4 結論

（1）針對我國水資源短缺，煙草澆水機械化程度低等問題，設計出一種適用于煙草移栽后澆水的煙草智能定量澆水機，該機可完成自動化定量澆水，澆水量可根據季節情況調節。

（2）煙草智能定量澆水機的試驗表明該機滿足設計要求，作業性能穩定，運行平穩，噪聲低，易于操作，安全和調整維護方便簡單，作業效率和質量較高，是較理想的煙草澆水機。

（3）本設計有效解決人工澆水勞動強度大，成本高，浪費嚴重等問題，澆水準確率高達97%，作業過程中無傷草現象，澆水效果能夠滿足農藝要求。

參 考 文 獻：

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