WiFi遙控精確對靶噴霧控制系統設計

徐 波，李秋潔，束義平，周宏平，孫 靚

(1.南京林業大學 機械電子工程學院，南京 210037；2.華東理工大學 信息科學與工程學院，上海 200237)

0 引言

目前，我國的農藥生產技術雖已處于世界先進水平，但施藥設備和技術卻嚴重滯后，病蟲害防治過程中不僅農藥利用率低、施藥效果差，而且還造成了農產品中農藥殘留超標、環境污染、作物藥害和操作者中毒等一系列問題[1-3]。據統計，2015年我國農藥利用率為36.6%，農藥流失量達60%～70%[4]。對靶施藥技術是降低農藥殘留的有效手段，現有對靶噴霧控制系統多采用超聲波、紅外、攝像頭等來獲取靶標信息[5-6]。劉雪美等利用安放于噴桿上超聲波測距傳感器來采集噴桿到作物冠層的距離和噴桿到地面的距離[7]。翟長遠等人采用紅外光電傳感器探測幼樹樹干，同時結合速度傳感器來計算靶標的位置[8]。陳勇等采用基于機器視覺和模糊控制的方法來實現精確噴霧[9]。上述對靶噴霧控制系統有著各自的不足：①靶標檢測傳感器精度不高。超聲波傳感器測量精度較低，紅外光電開關探測效果易受樹株外形、光照強度、探測器行走速度和樹株間距等因素影響[10-11]，圖像探測器件的鏡面容易沾上灰塵、水珠和藥滴等，不利于樹木靶標識別；②人機交互效果一般，無遙控方式。而隨著無線通信技術的快速發展，無線通信在農機上已有較為廣泛的應用,據新華社報道，早在2004年，美國就已經實現通過無線互聯網遙控拖拉機的操縱桿[12]，使拖拉機自動工作。屈川等設計的農機工作狀態實時無線監測系統通過無線網絡對農機的工作狀態進行實時監測[13]。薛金林等設計的基于無線網絡的大田農業機械遙控操作控制平臺通過無線網絡與農業機械進行通信[14]。因此，在農業上引入無線網絡通信已經逐漸成為一種趨勢。

為此，本文設計了WiFi遙控精確對靶噴霧控制系統。因激光傳感器具有測量精度高、分辨率高、測量距離遠及掃描范圍大[15]的優點，采用二維激光傳感器采集靶標信息。遙控裝置為基于Android平臺的平板電腦，能在WiFi環境下實現對噴霧機的遠程控制，實現噴霧啟停控制、參數設置及噴頭狀態顯示等功能。

1 系統結構

現在市場上有各種類型的噴霧機，本研究以南京林業大學許林云等設計的環形多噴頭噴霧機[16]為控制對象，如圖1所示。噴頭組件包括8個環形放置可獨立控制的噴頭，二維激光傳感器將安裝在噴頭組件前方中軸線上。

1.1 硬件系統結構

WiFi遙控精確對靶噴霧控制系統硬件原理圖如圖2所示。系統通過二維激光傳感器測量靶標距離，噴霧控制器對采集信號進行處理和判斷，發送電磁閥啟閉信號給下位機，下位機驅動電磁閥進行噴霧作業。二維激光傳感器與噴霧控制器通過USB接口連接，噴霧控制器與下位機通過串口連接；通過Android遙控器界面可控制系統啟/停，設置噴霧系統的工作模式及車速、靶標距離閾值等參數，并能夠顯示噴頭工作狀態。

圖1 噴霧機示意圖Fig.1 Schematic diagram of sprayer

圖2 WiFi遙控精確對靶噴霧控制系統硬件原理圖Fig.2 Hardware schematic diagram of WiFi remote control target spray control system

1.2 軟件系統結構

WiFi遙控精確對靶噴霧控制系統軟件架構如圖3所示。遙控器為基于Android平臺的平板電腦，采用Android Studio 2.2.3開發，采用Java語言編程；噴霧系統控制器采用Visual Studio 2015開發，采用C編程；下位機采用C51編程。首先，通過遙控器設置噴霧模式、噴霧參數，按下噴霧啟停按鈕后，通過WiFi將噴霧模式、噴霧參數、啟停發送給噴霧系統控制器；控制器根據發來的參數進行數據處理，生成噴霧策略，一方面將噴頭啟閉狀態通過WiFi發送給遙控器，在界面顯示出來，另一方面將噴頭狀態通過串口發送給下位機，控制電磁閥，以此控制噴頭的開閉。

圖3 WiFi遙控精確對靶噴霧控制系統軟件架構Fig.3 Software architecture of WiFi remote control target spray control system

2 Android遙控器設計

2.1 遙控器整體結構

Android遙控器整體結構如圖4所示。其采用了3個線程：界面主線程主要負責界面的加載、刷新；發送線程sendThread主要負責建立socket連接、向噴霧控制器發送數據；接收線程recvThread接收來自噴霧控制器的數據。

圖4 Android遙控器整體結構Fig.4 Overall structure of Android remote controller

2.2 界面設計

Android遙控器界面設計如圖5所示。

(a) 界面控件

(b) 界面外觀圖5 Android遙控器界面設計Fig.5 Interface design of Android remote controller

采用相對布局(Relative Layout)方式，添加控件實現噴頭狀態指示、車速及靶標距離閾值設置、自動/手動噴霧選擇、左側/右側噴霧選擇、IP地址端口號的輸入、連接噴霧啟停及系統退出，如圖5所示。控件類型及對應變量如表1所示。

表1 遙控器界面主要控件及對應變量Table 1 Main controls and corresponding variables of remote controller

2.3 按鈕監聽事件

連接按鈕按下，獲取EditText控件中的IP地址和端口號，向sendThread發出連接標識，連接成功后啟動recvThread線程，界面主線程顯示“連接成功”字樣，并設置噴霧啟停按鈕使能。噴霧啟停按鈕每次按下，噴霧狀態在啟動(RUN=TRUE)與停止(RUN=FALSE)間切換，為噴霧啟停按鈕加載不同資源圖標，同時向recvThread線程發送標識，使其進入消息循環。噴霧按鈕按下，使噴霧參數設置失效，加載停止圖標，獲取當前速度、距離輸入值，向sendThread發送噴霧標識；停止按鈕按下，使噴霧參數設置使能，加載噴霧圖標，向sendThread發出停止標識；退出按鈕按下，向sendThread發出退出標識，調用onDestroy()進行釋放空間。

2.4 Handler通信

本設計中的界面線程與非界面線程間的通信利用消息處理機制來實現[17]。Android部分共有3個線程，每個線程都有一個Looper對象和一個Handler，連接、噴霧、停止等標識利用Handler.sendEmptyMessage(msg.what)發送一個整型數即可。噴頭狀態用了一個,8位數組NOZZLE[8]存放，利用Bundle作為中間載體來傳遞噴頭狀態。

3 噴霧控制器設計

3.1 噴霧控制器整體結構

遙控式噴霧控制器部分用C語言開發，開發軟件為Visual Studio 2015。該部分由3個線程構成主函數部分、數據接收線程及數據處理發送線程，控制器整體工作流程如圖6所示。

圖6 噴霧控制器工作流程圖Fig.6 Work flow chart of spray controller

第1步，主函數初始化socket后創建數據接收、發送線程。第2步，作為socket服務器端，接收來自客戶端發來的噴霧參數，將接收的噴霧參數分離并輸出到控制臺上，若未進行初始化操作，則執行第3步操作，否則跳過第3步執行第4步操作。第3步，進行初始化工作，即分配空間、打開激光傳感器、打開串口。第4步，初始化之后，使發送線程數據處理標識DEAL置true，進入數據處理循環，即進行激光數據采集、靶標檢測；若為停止噴霧，生成關閉全部噴頭指令；若為退出，則調用自定義函數ExitInstance，進行釋放空間等操作。第5步，將噴頭開閉指令發送給下位機。第6步，通過socket發送給平板遙控器，進行界面刷新。

3.2 基于二維激光傳感器的靶標檢測算法設計

3.2.1 二維激光傳感器數據采集

二維激光傳感器選用日本Hokuyo公司生產的二維激光掃描儀UTM-30LX，掃描范圍270°，角度分辨率0.25°，掃描周期25ms，最大測量距離為30m。激光傳感器實物圖如圖7(a)所示。激光范圍掃描圖如圖7(b)所示，掃描方向由綠色指示燈所在的一側掃向紅色指示燈所在的一側。

安裝Hokuyo公司提供的Windows操作系統驅動，將其轉化為虛擬串口操作。首先打開設備，設置波特率為115 200 bit/s，然后啟動采集過程，設置掃描次數及掃描間隔，采集結束后關閉設備。每次采集獲取1 081個掃描方向的距離值，用4字節表示，單位為mm，幀率25ms。

(a) 激光傳感器 (b) 激光掃描范圍圖圖7 激光傳感器示意圖Fig.7 Schematic diagram of Laser sensor

3.2.2 靶標檢測

靶標檢測算法針對環形多噴頭噴霧機而設計，共有8個噴頭，各噴頭分區示意圖如圖8所示。噴霧范圍為[-12.5°，192.5°]，每個噴頭噴灑區域范圍為25°。

圖8 環形噴頭分區示意圖Fig.8 Schematic diagram of annular nozzles’ areas

若二維激光雷達掃描點的測量距離不大于設定的距離閾值，判斷為靶標點。對當前采集數據幀，計算各噴頭扇形噴霧區域內靶標點個數與掃描點總數的比率，若不小于設定閾值T，認為存在靶標，開啟噴頭進行噴霧。

建立FIFO(First In First Out，先進先出)緩沖區，保存n幀數據的靶標檢測結果(即噴頭啟閉指令)，最新幀寫入緩沖區末尾。

3.2.3 噴霧延時

為保證靶標檢測與噴霧的一致性，計算噴霧軟件延時，則

(1)

式中tinherent_delay—系統固有延時，即激光探測靶標至噴頭噴出農藥的時間；

L—激光雷達提前于噴頭的安裝距離；

v—噴霧車輛行駛速度。

4 WiFi通信

Android遙控器與噴霧控制器間的WiFi通信采用基于TCP協議的通信方式[18-20]，通過套接字Socket網絡來進行通信[21-22]，Android遙控器作為客戶端，噴霧控制器作為服務器端，具體通信示意圖如圖9所示。

圖9 WiFi通信示意圖Fig.9 Schematic diagram of WiFi communication

第1步，服務器端調用函數listen將socket設為監聽模式；第2步，客戶端向服務器端發送連接請求；第3步，服務器端不斷調用函數accept接收連接請求，并創建線程接收來自客戶端傳來的數據，同時創建數據發送線程準備進行數據處理；第4步，客戶端向socket網絡發送噴霧參數，并新建線程用來接收服務器端傳來的噴頭狀態；第5步，服務器端調用函數recv不斷從socket網絡接收來自客戶端發來的數據，接受完后數據發送線程，線程根據客戶端傳來的噴霧參數進行激光數據采集、靶標檢測，并將噴頭開閉指令通過串口通信發送給下位機；第6步，調用函數send將噴頭狀態發送給客戶端遙控器；第7步，客戶端從socket網絡接收服務器端發送的噴頭開閉狀態，并發送給遙控器界面進行刷新顯示。在退出按鈕按下后，兩端都關閉socket，并清理緩存。

由于噴霧控制器處于不同的局域網下IP地址會發生變化，如果IP地址在程序中寫死會不利于用戶更改，所以將此系統設計為用戶在控制臺輸入IP地址，按Enter鍵后才能建立socket，調用函數bind為socket綁定一開始用戶輸入的IP地址和指定的端口號。其中，IP地址的查看方法：控制面板—>查看網絡狀態和任務—>WLAN—>詳細信息—>IPv4地址，IPv4地址即我們所需要的IP地址。

由于在調用函數recv接收遙控器端傳來的噴霧參數是字符串，所以需要將噴霧模式、速度、距離閾值等參數分離開來才能進行后續的數據處理操作。客戶端發送數據時，為接收后方便分離各參數，每個參數后面會連同一個“,”一起發送，最后一個字符會以“ ”結尾。這里定義了一個二維數組q[6][50]，以“,”為分隔符將第j個參數依次放入q[j-1]個數組中。同時調用函數strtof將速度、距離值轉化為float型。

5 試驗及結果分析

5.1 靶標探測精度

為了更直觀地看到所開發的噴霧系統的對靶噴霧效果，利用庫函數離線采集樹木靶標，將采集點云數據保存為data.dat文件，用MatLab讀取data.dat的數據并進行處理，獲得處理后靶標的圖像并與實際樹木進行對比比較。

試驗采用日本Hokuyo公司生產的二維激光掃描儀UTM-30LX，載運車輛速度為0.5m/s。試驗測量的實際場景如圖10(a)所示，包含了兩棵低矮葉片密集的桂花樹，符合精確對靶果園噴霧機的適用要求。其中，試驗裝置二維激光傳感器距離樹干中心3m，采集時采用單側采集，角度的范圍為[92.5°，192.5°]，對應為右側4個噴嘴區域，設置距離閾值為6m，則距離閾值內車載二維激光掃描儀獲取的點云數據投影到xz平面顯示樹木檢測結果如圖10(b)所示。試驗中，樹木樹冠及樹干均被檢測出來，在x方向上樹冠在0到4m范圍內，樹冠高度即z方向上在0～2.7m范圍內。

(a) 測試用樹

(b) 樹木激光點云圖10 樹木靶標點云采集Fig.10 Acquisition of tree targets’ point clouds

對應噴頭區域的噴霧靶標的有無如圖11所示。其中，黑色線表示對應的噴頭噴霧區域內存在靶標，白色部分表示不存在靶標。

(a) T為1%

(b) T為10%

(c) T為30%

(d) T為50%圖11 不同靶標檢測閾值下對應噴頭區域噴霧結果Fig.11 Spray results of corresponding nozzles’ areas under different target threshold values

算法中每個噴霧區域內檢測點數為100，T為設定的靶標檢測閾值。對比圖11中(a)、(b)、(c)、(d)可以看出：設置的T不同，對應的噴頭區域靶標檢測結果也不同；圖11(a)為噴霧區域內存在1%的點在距離閾值范圍內即為有靶標，可以看出靶標檢測過于密集，無法篩選出有效靶標，使得在噴霧時導致農藥浪費；圖11(b)為噴霧區域內存在10%的點在距離閾值范圍內即為有靶標，檢測較密集，結合圖10(b)可以看出噴頭5和噴頭7對應噴霧區域在x=4m處時檢測到非靶標點進行噴霧；圖11(d)為噴霧區域內存在50%的點在距離閾值范圍內即為有靶標，檢測靶標過于粗糙，對比圖10(b)可知，噴頭5和噴頭7對應噴霧區域噴霧減少過多，無法進行有效噴霧；圖11(c)為噴霧區域內存在30%的點在距離閾值范圍內即為有靶標，相對于1%、10%、50%更加合理。綜上可得出下面結論：

1)試驗采用單側采集靶標，即圖11(c)中噴頭1、2、3、4對應區域不存在靶標，而圖10(b)中激光樹木點云對應噴頭5、6、7、8的噴霧區域。

2)圖11(c)中在噴頭對應的5、6、7、8的噴霧區域中，噴頭8對應區域不存在靶標即在角度范圍[167.5°，192.5°]內不存在靶標。

3)噴頭7對應區域對應于圖10(b)中樹木高度大約0.5m左右的部分，其中第一段黑色區域為x軸0.7～1m范圍內桂花樹的樹冠垂落的部分。由于靶標樹木樹干的支干較多，因此噴頭7中后面兩段黑色區域為樹干部分的檢測。

4)噴頭6和噴頭7噴霧區域對應圖10(b)中樹冠中部和上部，樹冠密集，因此圖11(c)中噴霧6、7部分黑色近乎連續，而7部分的黑色出現斷點表示樹冠上部的枝葉不平整和不夠密集所導致的。

5.2 遙控器調試

Android 平板遙控器自動模式下調試結果如圖12所示。圖12(a)是自動噴霧模式下Android遙控器界面，圖12(b)是對應的下位機的LED的亮滅情況。

(a) 自動模式下界面

(b) 下位機圖12 Android 遙控器調試結果Fig.12 Debugging results of Android remote controller

6 結論

1)設計了基于Android平臺的遙控器，能夠在WiFi條件下遠程控制噴霧機并在遙控器界面實時顯示噴頭啟閉狀態。

2)設計了噴霧控制器，能夠根據遙控器界面發來的指令以及二維激光傳感器掃描數據生成噴霧指令。一方面將噴頭啟閉狀態通過WiFi發送給遙控器，在界面顯示出來，另一方面將噴頭狀態通過串口發送給下位機，控制電磁閥，以此控制噴頭的開閉。

3)設計基于二維激光雷達的靶標探測算法，引入軟件延時，保證靶標檢測與噴霧的一致性。