園林移動施藥實時監測系統設計與試驗*

汪東，茹煜，劉洋洋，劉彬

(1. 南京森林警察學院，南京市，210023； 2. 南京林業大學機械電子工程學院，南京市，210037)

0 引言

隨著我國城市化腳步的加快，園林發展也越來越受到重視。病蟲害是影響城市園林質量最為主要的因素之一，園林病蟲害種類高達600余種[1]。園林植物病蟲害防治技術與設備還不夠完善，其中主要表現在病蟲害防治過程中不科學地使用農藥。目前園林、果園的植保方式主要是人工噴灑農藥和小型車載式施藥，但該方式噴幅較窄、噴灑距離有限，導致施藥效率低[2]。而中國的種植地的地形多種多樣，機械化施藥技術對農藥的利用率只有30%，嚴重制約了病蟲害防治效果[3-4]。由于施藥機械的機身自重和噪音較大以及機身溫度較高，人工背負施藥機械作業的方式，作業的勞動強度大，危險性高，容易出現施藥人員中毒現象。園林作業勞動強度大，但是適用園林的機械設備少，并且作業效率低，嚴重制約園林產業發展[5-6]。人工施藥的施藥量不均勻，容易出現施藥過量或施藥不足等現象，對農藥的利用率較低，不能滿足現代園林植保的要求。移動植保技術是園林生產中的重要組成部分，采用移動噴霧防治園林病蟲害，能夠快速高效地完成病蟲草害的防治，有效減少噴霧作業勞動強度，提升噴霧作業的工作效率[7]。趙林亭等[8]研發的果園自走式電動底盤控制系統可以滿足園林植保作業載重等性能要求，但無法實現施藥情況的實時監測，而在實際作業的過程中，精準監測施藥情況尤為重要。

精準施藥是園林植保未來的發展方向之一，精準監測技術是實現精準施藥的前提[9]。為此國內學者展開了監測施藥流量的研究。陸章濤[10]設計的基于單片機的施藥監測系統，通過速度、流量、壓力傳感器獲得施藥監控點的信息，實現對施藥信息的準確采集。翟長遠等[11]設計的施藥監測系統，以單片機為基礎，將藥液噴灑流量、藥箱內部壓力等其他變量作為施藥參量，并通過單片機技術實現各施藥參量顯示。孫琦設計的基于單片機的施藥監測系統，通過利用串行接口通信、數據庫編輯處理等技術，實現簡單近距離傳輸數據。陸永超等[12]研發了果園藥液噴灑監測系統，將多元傳感器整合在單片機之上，實現噴霧壓力、流量、速度和藥液余量的監測。以上研究都可以同時監測施藥速度，施藥壓力和流量，但沒有軌跡監測功能，而要實現精準施藥，對軌跡監測尤為重要。為實現施藥全過程的監測，本文研發出的移動噴霧作業實時監測系統。該系統針對園林病蟲害防治作業，能對移動施藥進行實時監測，具有顯示施藥車的軌跡、車速、施藥流量和藥箱藥液余量等信息的功能。

1 遠程施藥監測系統設計

本文設計的園林施藥監測系統由施藥作業系統和作業監測系統組成。

1.1 施藥作業系統

施藥作業系統可分為車體、藥箱兩大部件，如圖1所示[13]。

圖1 移動噴霧施藥監測系統總裝圖Fig. 1 General layout of mobile spray monitoring system

車體的作用是承載藥箱移動施藥，車體設計主要包括底盤和動力系統，如圖2所示。本設計采用6個全地形防爆車胎，以保證施藥在草地、碎石路、泥土路以及水泥路上安全行駛。其中兩個前輪主要是負責轉向與承載車頭重量，4個后輪前后間距較小的設計可以增加施藥車的載重量，又可以減小了因道路不平整造成的藥箱中藥液的晃動。底盤架(長130 cm、寬80 cm)采用4060型號的鋁型材做成，可以滿足施藥車的車體的強度要求，可載重150 kg以上。

圖2 移動小車實物圖Fig. 2 Physical picture of moving car

動力系統采用4個蓄電池，形成輸出為24 V10 A的電瓶組。電機采用5個24 V直流電機，其中4個為驅動電機，安裝在后輪上，通過正反轉實現施藥車的前進與后退；1個為轉向電機安裝在車頭上，通過正反轉調整施藥車行駛方向。

藥箱為雙層藥箱可裝入兩種不同的農藥，每層藥箱的容積為10 L，實現對多種病蟲害分別進行精準施藥作業，避免無差別施藥的目的，如圖3所示。水泵采用的直流增壓泵隔膜泵，分別安裝在兩個箱體的底部，與藥箱的出口連接，為施藥提供水壓。藥箱支架選型采用202不銹鋼焊接。

圖3 藥箱結構Fig. 3 Platform support

1.2 作業監測系統

1.2.1 硬件設計

硬件部分是實現監測功能的底層結構，通過硬件設計保證系統的穩定性與可靠性。硬件部分包括信號采集模塊、信號處理模塊、信號傳輸顯示模塊和數據存儲模塊。信號采集模塊由GPS定位系統、液位傳感器、流量傳感器和人機交互接口組成；信號處理模塊為單片機系統；信號傳輸顯示模塊包括GSM無線通信元件和顯示屏等，如圖4所示[14]。信號采集模塊通過多元傳感器實時采集施藥行駛軌跡、行駛速度、施藥流量和藥液余量等信號[15]。

圖4 系統框架圖Fig. 4 System frame diagram

其中本文GPS導航模塊實時采集地面施藥機械的行駛軌跡。采用霍爾輪速傳感器，設置地面施藥機械的車輪上，用于實時采集地面施藥機械的行駛速度。為了重復、精確的進行監測，采用渦輪流量傳感器實時監測藥液流速，采用電容式液位傳感器采集藥箱液面高度。計算施藥情況時，采用STM32F103VCT6單片機作為微控制器，對多元信號進行融合、分析和處理。信息的傳輸與顯示采用TFT彩屏和設備云APP，能以數值和圖表結合的圖文并茂的形式，快速的把施藥情況直觀的傳遞給使用者。

信息處理與傳輸部件電路原理圖如圖5所示。GPS和傳感器通過串口通信方式與單片機進行數據交互，GSM通信模塊通過異步串行通信口的TX和RX與單片機相連。為了確保單片機的穩定性和魯棒性，把復位電路、晶振電路與單片機內部的電路相結合，從而實現監控系統的平穩運行。

(a) 單片機電路(b) 通訊模塊電路

1.2.2 軟件設計

園林病蟲害防治時間緊迫、條件復雜，因此對施藥監控系統提出了精度高、穩定性強、數據實時性傳輸以及維護保養簡便等要求[16-17]。為實現園林植保作業實時監測的需求，軟件設計需要滿足對數據的處理、傳輸、存儲與顯示等功能。本設計采用C語言通過Keil編譯器編寫軟件程序，系統軟件設計流程如圖6所示。在系統啟動時，初始化程序后，調用執行GPS子程序實現施藥車位置的定位，隨后調用施藥速度計算子程序、液位監測子程序、流量監測子程序和流量控制算法。

GPS導航設備統一采用美國國家海洋電子協會制定的NMEA 0183標準格式，NMEA-0183協議采用ASCII碼來傳遞GPS定位信息，因此在GPS監測應用中，根據NMEA-0183協議的標準規范，通常采用隊列的方式來接收數據，將位置、速度等信息通過串口存入列隊中，在循環程序中對數據進行解析，確定施藥車坐標信息，通過連接各時間點的坐標可得出施藥車運行的軌跡。然后調用施藥速度算法，即可計算單位時間內的坐標點變化，從而確定車速。車速傳感器安裝在驅動輪上，通過霍爾原理計算車速。

車輪每轉一圈行駛的距離為1 m，因此可通過式(1) 計算車速大小。

(1)

式中:v——車速，m/s；

t——車輪每轉一周的時間，s。

本文通過液位傳感器采集液面高度，采用A/D轉換器將液位傳感器得到的液面高度模擬量信息進行轉換，得到的數字量信息與藥箱橫截面數據結合，從而確定藥液量。通過流量傳感器監測所噴出的藥液，由于流量傳感器輸出的模擬信號是脈沖信號，其按一定電壓幅度，一定時間間隔連續發出，無法直接得到具體的流量數值。所以需要先把脈沖信號轉換為數字信號，得到脈沖的數字頻率。再調用流量計算函數得出施藥流量實際值，函數如式(2)所示。

(2)

式中:Q——施藥流量，mL/s；

f——脈沖頻率，Hz；

K——每轉輸出的脈沖次數；

V——每轉一周流過的藥液體積，mL。

圖6 系統軟件設計流程圖Fig. 6 System software design flow chart

微控制器每100 ms讀取一次傳感器信息，通過算法計算后存儲到數據存儲器，并刷新TFT彩屏顯示信息。與此同時也把數據打包發送到OneNET物聯網平臺，OneNet平臺可以同時關聯多個移動智能設備，通過與平臺網絡聯接的終端設備，都可以實現遠程實時監控[18]。在數據傳輸上傳的過程中，本設計采用TCP通訊協議，設備通過TCP連接接入OneNET進行數據交互，通過上傳的自定義腳本來實現設備與云端的數據傳輸。

2 材料與方法

施藥車的車速、流量、藥液余量和軌跡都是判斷施藥質量的重要因素。為了檢驗自主研發的監控系統對施藥軌跡、車速、流量和藥液余量檢測的精確性，本文進行的試驗包括施藥軌跡監測、施藥速度監測、施藥流量監測和液位監測試驗。

2.1 試驗材料

試驗在校園操場進行(經度118.82°，緯度32.08°)，試驗時間為2020年6月19日，氣溫為21 ℃～29 ℃，風速為一級風。液泵選用山東某公司生產的雨露型號的無人機液泵。扇形噴頭因結構簡單、霧滴產生方式較為經典等優勢，在地面和航空施藥作業中均廣泛使用[19]，因此本文選用了ST110-02型扇形噴頭。

2.2 試驗設計

施藥軌跡監測試驗方案：操控施藥車在按照操場跑道行駛，記錄軌跡與實際跑道比較。以跑道為基準線，通過式(3)計算偏離跑道的軌跡于占總長度的比值判斷，監測的準確性。

(3)

式中:σ——軌跡監測誤差，%；

l——偏離跑道軌跡的長度，m；

L——跑道周長，m。

車速監測試驗方案：將輪速傳感器安裝在施藥車驅動輪上，試驗時分別操作施藥以高中低三個車速在100直線跑道上勻速運動，記錄每次跑完時間，每個車速試驗三次，取平均值視為有效值。通過式(4)計算車速監測誤差。

(4)

式中:ζ——車速監測誤差，%；

t′——車速監測時間，s；

v′——監測的車速，m/s。

施藥流量監測試驗方案：試驗為2組三水平試驗，即分別對兩個藥箱的施藥流量進行三水平試驗，取平均值視為實際值。試驗前先在藥箱中裝入5 L水，用秒表記錄5 L水完全流出的時間。流量實際值為5 L水與流量監測時間的比值。通過式(5)對比流量監測值與流量實際值，計算出流量監測誤差。

(5)

式中:Q″——監測施藥流量，mL/s；

η——施藥流量誤差，%；

t″——流量監測時間，s。

液位監測試驗方案：提前將藥箱內注入一定量的藥液，并采用電子游標卡尺測量液面高度，記錄該值作為實際值。將液位傳感器安裝在藥箱低部監測液面高度。試驗為10組三水平試驗，每組試驗重復3次，取監測值的平均值為有效值。通過式(6)對比監測值與實際值，計算液位監測誤差。

(6)

式中:φ——液位監測誤差；

h′——液位監測值，mm；

h0——液位實際值，mm。

3 結果與分析

3.1 施藥軌跡監測試驗

施藥軌跡記錄如圖7所示，圖7(a)為監測系統顯示屏監測施藥軌跡，圖7(b)是施藥軌跡于實際跑道對比圖。

(a) 監測的軌跡

(b) 軌跡對比

通過小車軌跡監測的試驗所得到的圖像與真實跑道較為接近。由于人為操控施藥車而導致施藥車無法完全的按照跑到進行，使得軌跡發生偏離。從整體來看，施藥車能真實地反映了操場地跑道的輪廓。通過式(3)計算可得誤差為4.75%，誤差較小，說明系統對施藥軌跡監測的能力滿足施藥需求。

3.2 施藥速度監測試驗

施藥速度監測試驗誤差結果分析如圖8所示。

圖8 施藥速度監測試驗結果Fig. 8 Test results of spray speed monitoring

從圖8可看出在每組試驗中，無論是監測速度都高于實際速度，并且誤差均呈下降趨勢。主要因為試驗時無法操作施藥車直線運動，導致實際行駛距離大于100 m，由此造成實際速度較小。施藥速度監測試驗數據誤差分別為2.67%、1.90%和1.95%，施藥速度監測平均誤差為2.17%。誤差較小，說明系統對施藥速度的監測滿足園林施藥監測的需求。

3.3 施藥流速監測試驗

施藥流量監測試驗誤差結果分析如圖9所示。

從圖9中可發現，上層藥箱施藥流量的監測誤差在1.25%～2.5%之間，下層藥箱施藥流量的監測誤差在0.59%～1.88%之間。由于傳感器存在精度問題，因此誤差無法避免，流量監測最大誤差為2.5%，平均誤差為1.54%，誤差較小可以滿足園林施藥對流量監測的需求。

圖9 施藥流量監測試驗結果Fig. 9 Test results of spray flow monitoring

3.4 液位監測試驗

液位監測試驗結果分析如圖10所示。

圖10 藥箱液位監測試驗結果Fig. 10 Test results of liquid level monitoring

圖10可見，系統液位監測和實際液位測量誤差在0.2%～0.76%之間，平均誤差為0.44%。

由于施藥車在行進過程中，藥箱中的藥液的不?；蝿?，增加液位監測的困難程度。盡管液位監測增加了防抖程序，但是自身精度問題有限，誤差不可避免。其次，藥箱薄壁上殘留的藥液也會使顯示的液位值低于真實的液位值。藥箱中殘留的雜質，致使壓力變送器的端口堵住，從而使得傳感器所獲得的壓力迅速提升，導致轉換后的電容信號增加，使得顯示液位大大增加。在液泵從藥箱底部抽出藥液，經軟管輸送至藥液噴頭期間，仍有少量藥液殘留在軟管之中造成誤差。但是總體上誤差較小，可以滿足園林施藥對液位監測的需求。

4 結論

1) 對移動噴霧系統中各個傳感器的性能進行了測試與分析，可以發現選用的GPS、輪速傳感器、流量流速傳感器以及壓力變送器均滿足設計的總體需求。各個傳感器監測能力均達到90%以上。

2) 設計了一種園林移動施藥實時監測系統，通過所對系統軟硬件的設計，實現施藥速度、施藥軌跡、施藥流量和液位的實時監測。通過監測試驗驗證了該系統對施藥參數的監測性能較強，滿足園林施藥的監測需求。監測試驗結果表明，該系統對軌跡監測的誤差為4.75%，施藥速度監測的誤差在1.9%～2.67%之間，施藥流量監測的誤差在0.59%～2.5%之間，液位監測的誤差在0.2%～0.76%之間，誤差可以接受，均屬于合理范圍，說明系統可以實時準確地監測施藥作業參數。