農用噴藥車的控制系統設計

甘敏，劉國彥，曹督尊，趙金才

（300384 天津市 天津農學院 工程技術學院）

0 引言

我國是農業大國，農業對國家經濟發展具有極其重要的作用。隨著科技發展，農業生產趨于機械化。噴藥車與傳統背負式噴霧器相比，提高了作業效率，減輕了作業員的作業負擔[1]。目前我國在精準噴霧技術方面的研究有以下幾種方式：（1）采用圖像識別樹木信息，通過計算機對圖像信息進行處理分析，進而識別目標。（2）采用葉綠素光學傳感器，該傳感器采用領先的光學技術判斷樹木信息。（3）采用傳感器探測樹木信息，目前用到的主要有3 種，分別為紅外傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器[2-5]。而WiFi 技術發展至今，已被廣泛應用于日常生活。與有線傳輸方式相比，WiFi 組網方便,具有較好的移動性以及擴展性。圖像信息作為最直觀的視覺信息，對系統的路況采集具有重要的意義[6]。

1 系統結構

我國果園噴藥技術發展至今有不少成果，本次研究以山東農業大學白鵬設計的噴藥車為基礎，該噴藥車總體包括風送系統、藥泵管路系統等[7]，車輛的模型如圖1 所示。

圖1 噴藥車示意圖Fig.1 Schematic diagram of spray vehicle

噴藥車硬件以Arduino UNO 為主控板，采用超聲波傳感器獲取樹木信息。實驗小車使用4 個電機驅動小車底部的4 個輪子，掛載在車頭的攝像頭獲取路況信息，通過WiFi 模塊將信息傳輸至手機，實現手機對車輛的前后左右控制。整個系統共由幾部分組成：直流電機驅動模塊、WiFi模塊、攝像頭模塊、Android 設備、噴藥執行機構等?？傮w框圖如圖2 所示。

圖2 總體框圖Fig.2 General block diagram

2 控制模塊

系統采用Arduino UNO 為核心控制器，具有14 路數字輸入/輸出口，6 路模擬輸入輸出口，進行通信時串口指示燈會閃爍，以此來顯示是否進行通信。本系統中通過串口通信。除此之外，Arduino UNO 還可以與其它設備通信，但需要連接RX（接收）和TX（發送）引腳。

3 傳感器的選取

目前大多數研究樹木信息采用的傳感器有3種，分別為超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器。紅外傳感器容易受到光照的影響，激光傳感器的性能較高，但檢測目標過于單一，檢測范圍有限制。超聲波傳感器采用超聲波探測對樹木探測，超聲波是一種球面波，方向性好，探測范圍較廣[7]，因此，噴藥控制系統采用超聲波傳感器采集樹木信息。

4 WiFi 模塊

系統選用深圳市小R 科技機器人官方商城的WiFi 模塊，采用高通AR9331 芯片，模塊預置openwrt 固件，150 M 帶寬，執行標準為IEEE802.11b/g/h。最大連接速率可達150 Mbps。WiFi 模塊通過串口與單片機進行通訊。WiFi 模塊實物圖如圖3 所示。

圖3 WiFi 模塊實物圖Fig.3 Real WiFi module

4.1 指令傳輸模塊

對車輛進行控制時，手機采用TCP 協議的方式通過WiFi 信道發送指令給WiFi 模塊，WiFi模塊與主控板通過串口連接，因此WiFi 模塊通過串口將指令發送給主控板。主控板內置的程序對指令進行解析。解析后，根據通信協議，主控板對執行機構進行控制，實現車輛的前后左右行駛，指令傳輸框圖如圖4 所示。

圖4 指令傳輸框圖Fig.4 Command transmission block diagram

4.2 視頻傳輸模塊

系統選用深圳市小R 科技機器人官方商城的攝像頭模塊，視頻傳輸不經過單片機，51 單片機運算速度低，不能驅動視頻傳輸模塊。攝像頭通過USB 與WiFi 模塊相連，WiFi 模塊通過采集掛載在USB 接口的MJPG 格式的攝像頭數據，編碼封裝成http 協議的視頻流，通過WiFi 信道將視頻數據傳輸至手機客戶端，進行解碼并顯示。視頻獲取的程序框圖如圖5 所示。

圖5 視頻獲取程序框圖Fig.5 Block diagram of video acquisition program

5 軟件系統結構

5.1 主程序設計

軟件系統采用Arduino IDE 進行編程，超聲波傳感器檢測樹木信息，通過串口將信息傳至主控板，Arduino 對信息進行處理和判斷后，輸出高低電平進而控制電磁閥的開啟和關閉。對于樹木信息的處理，系統設置為：超聲波傳感器采集到樹木和車的距離小于3 m，開啟噴藥系統，打開電磁閥后開始噴施藥液。噴藥控制系統程序框圖如圖6 所示。

圖6 噴藥控制系統流程框圖Fig.6 Flow chart of spray control system

6 結語

采用智能小車進行實驗，實驗小車實物圖如圖7 所示。視頻可以順利傳輸至手機上，傳輸距離目前不能超過30 m，超過30 m 采集的視頻會模糊不清。手機實現了對小車的行駛控制。

圖7 實驗小車實物圖Fig.7 Physical figure of experimental trolley

對于噴藥控制部分，本文研究的是車輛總體控制思路，超聲波采集樹木信息，主控板進行處理判斷，提高了目標的準確性。如此可以減少農藥噴施時造成的浪費。對于整個系統而言，減少了作業者的作業量。