智能農藥噴灑小車設計

何世杰 李豪 覃慧峰 馮志瑞 林楓

（新疆農業大學 新疆維吾爾自治區烏魯木齊市 830052）

1 引言

農藥噴灑在農作物生長過程中扮演著重要的角色，目前，農村多數使用背負式手（自）動噴灑器，這需要大量的勞動力，且工作效率和農藥利用率偏低，對水資源和農藥造成了較大的浪費。農民在噴灑過程中如未做好防護措施或超負荷工作很有可能發生農藥中毒、中暑事件，對農民的身體造成巨大的傷害，現今網絡上報導出來的農民噴灑農藥操作不當造成的中毒事件層出不窮。

部分地區也采用了無人機噴灑的方式，但讓農民熟練的把無人機操控起來相對較難，無人機還受天氣的影響，大霧天和大風天都無法起飛，而且無人機飛行需要很大的空間，在地形復雜區域和大棚內無人機的操作很不穩定，農藥的噴灑效果就會很差，往往還會伴隨著墜機的風險，破壞農作物和大棚。

針對以上情況，開發了一款智能農藥噴灑小車，該設計基于物聯網并結合BTN7971、STM32 處理器，其具備智能噴灑、遠程監控、信息集成、智能尋線、遠程遙控等功能。根本上解決了農民噴灑農藥中毒、農藥浪費、土壤污染等情況，符合農業現代化的需求。小車功能完整，安全性高，適應能力強，而且還能通過小車的前部攝像頭觀察農作物的生長狀態、病蟲害等情況，以便及時調整農藥噴灑的劑量，實現了高效率、高精度、高質量的噴灑。

1.1 系統原理設計

根據不同的環境地形，研制了適應不同大小面積、各種地形多變的智能噴灑小車模型。它采用人為遙控控制小車移動與農藥噴灑。使用STM32 芯片作為總控制模塊，BTM7971 作為驅動模塊，BT04 芯片作為藍牙遙控模塊，航模鋰電池供電，外加一個噴灑裝置。

通過對小車的控制測試，小車用BTN7971 驅動模塊，雙電機驅動，具有良好的動力，能夠攜帶大量的農藥溶液進行噴灑，用3500mAh 航模鋰電池進行供電，可以循環充電使用，更加環保經濟。小車轉向使用雙電機驅動左右正反轉來實現，所需轉向空間較小，更能適應狹小的環境，并且使用了履帶設計，能夠在復雜的地形移動，并且具有減震功能，操縱簡單且移動穩定。其系統原理設計流程框圖如圖1 所示。

1.2 控制芯片

在智能農藥噴灑小車的設計中，使用的模塊主要有STM32 模塊、BTN7971 驅動模塊、雙電機、水泵、電源模塊、藍牙BT04 模塊。

1.3 主要結構設計

1.3.1 底盤與履帶輪

經過查詢資料與實際分析，框架選擇輕薄又結實的鋁合金。考慮要在不同的地形工作，選擇履帶推進，同時采用雙電機驅動與轉向，外加了減震裝置，提高小車的平穩性。

1.3.2 中央控制

通過各項分析采用了STM32F103RCT6 型號的芯片，此芯片是48 腳，LQFP 封裝的STM32 的增強型芯片。芯片工作速度快，性能更高，成本低，功耗低，它不僅有功能強化型外設接口，還提供與其它STM32 微控制器相同的標準接口，提升了應用靈活性。

圖1：流程框圖

圖2：驅動模塊結構示意圖

圖3：流程圖

1.3.3 BTN7971 驅動模塊

此驅動模塊增加了隔離芯片74LS244，提升了信號驅動能力，同時隔離BTN 芯片與STM32 單片機，起到了保護作用，并且帶有LM2596_5.0 電源芯片，為74LS244 提供電源，也可以為外部提供5V 的輸出，驅動模塊轉向采用兩個電機的占空比實現正反轉，BTN7971 驅動模塊見圖2。

1.3.4 BT04 藍牙模塊

在遙控方面選擇BT04 藍牙模塊，模塊不僅支持UART 接口，而且支持SPP 藍牙協議，且成本低、功耗低、體積小節省空間、收發非常靈敏。

2 整體概況

2.1 智能農藥噴灑小車結構裝置

智能農藥噴灑小車主要是由遙控小車與噴灑裝置相結合，其工作原理主要是把遙控小車作為載體，帶動噴灑裝置在棚內進行噴灑作業，使人和農藥具有有效的隔離，保證農民的人身安全。

它能夠適應多種環境、能控制農藥的定點噴灑、減少了勞動力的投入、能夠實時監測環境以保證可以實時調整對噴灑裝置的控制，達成智能噴灑，智能農藥噴灑小車工作流程如圖3 所示。

2.2 智能農藥噴灑小車優勢

2.2.1 履帶的接地比壓低，保護土壤

用履帶作業在旱地避免形成犁底層，保墑防旱；水田防止破壞硬底層，保證水田正常耕作;輪式接地比壓是履帶的3 倍，試驗表明，耕地被輪胎壓實后出苗率僅為30%-40%，而履帶壓實后出苗率仍能達到80%-90%;水田的輪式輪轍更是影響插秧和收割，甚至造成泥腳不斷加深而無法耕種。

2.2.2 牽引力大，深翻負重作業優勢明顯

相同重量的履帶的牽引力是輪式的1.4-1.8 倍，牽引效率方面，輪式最大牽引效率是55-65%，履帶可達70-80%。

2.2.3 通過性和爬坡能力超強

履帶具有良好的抵抗翻傾和下滑的坡地穩定性性，同時還具有轉彎半徑小的機動性、爬坡能力強的越野性等特點，對于山區和丘陵地帶的農田、梯田作業比輪子有更好的適應性，尤其是配裝橡膠履帶后，屬于全地形的作業機械。

2.2.4 小車每個負重輪都配有一個彈簧減震器

保證小車運行的更加穩定，彈簧減震器造價低，適用范圍廣，結構緊湊，體積小，安裝更換方便，使用安全可靠，使用壽命長。

2.2.5 74 LS244 驅動模塊

現在使用的一般是MOS 管，但綜合來說BTN7971 雖然只是半橋，但是驅動比較方便，MOS 管驅動麻煩，而且BTN7971 的外圍芯片較MOS 管使用較少，BTN7971 的輸出電流較高，芯片耐壓也較高。BTN7971 廣泛運用各種機械馬達驅動，各種航模車模，高校智能機器人比賽，控制信號兼容3.3-5.5V，通常采用單片機控制，其內置隔離芯片，有助于保護單片機I/O 口，采用雙面覆銅，有助于散熱。

2.2.6 BT04 藍牙模塊

BT04 遵循V3.0 藍牙規范，它支持UART 接口，并支持SPP藍牙串口協議，只需配備少許外圍元件就能實現其功能。它可以與PC 機的藍牙設備相連，還可以2 個模塊之間數據互通。

2.2.7 CCD 巡線功能

設計的小車可以自主巡線進行農藥的噴灑，也可以根據使用者的控制較為靈活的前進、后退、轉向等操作。在農藥噴灑過程中盡可能的避免了人與農藥的直接接觸，降低施藥人員的危險。

3 實驗驗證

3.1 遠程精準操控驗證

用20 種大小不一的綠植替換農作物，將綠植設計成一條道路，該路有8 個角度不一的拐角和3 個不同程度的狹隘道路，操控人員在10 米外背向實驗場地進行遠程精準操控驗證（操控者是現場隨機抽取的無操控經驗人員，經10 分鐘的簡單培訓后進行實驗驗證）。詳細步驟如下：

（1）將20 種大小不一的綠植按照實驗要求在6m×6m 的場地上進行擺放；

（2）開啟小車電源，操控者用APP 連接小車并在20 米外背向實驗場地做好準備工作；

（3）將小車放在始發點，操控員控制小車穿過實驗道路，記錄員記錄下小車過彎和狹隘路的成功率；

（4）改變道路的形狀、彎度大小和狹隘路的位置，并重復（3）的實驗步驟，對該驗證做15 次實驗，減少小概率偶然事件對實驗的影響，提高實驗驗證的可靠性與科學性。

3.2 CCD巡線成功率驗證

驗證該功能使用是在實驗場地畫引導線運行CCD 巡線。首先在6m×6m 的空曠場地畫不規則的路線，將智能小車放于引導線始端，然后開啟BTN7971 驅動模塊和CCD 巡線模式，觀察其運動軌跡和偏離引導線的情況。此操作需重復進行15 次，才具備說服力。在驗證過程中可以觀察到當智能小車向左側偏離引導線時，智能小車左側履帶會加速運行，自動向右調整，保持智能小車CCD 巡線的精準進行。當總的偏離率小于5%時則認為智能小車CCD 巡線功能正常。

3.3 藥物用量控制驗證

用20 種大小不一的綠植進行蘊物用量控制驗證，小車工作過程中用前部攝像頭觀察農作物的生長周期、生長狀態、病蟲害等情況，手動調整農藥噴灑量，或通過小車前進的速度控制農藥噴灑量。這樣一來就實現了體積大的綠植所噴灑得到農藥多，而體積小的綠植噴灑得到農藥少，這足以證明使用此方法控制藥物用量有效。

4 結語

該智能小車結合實際，從農民和設計者的角度出發，符合《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》，對新發展階段優先發展農業農村、全面推進鄉村振興戰略的總體部署具有促進作用。智車小車主要有兩大特點：一是操作方面簡單，BTN7971 模塊和CCD 巡線模式使農民操作起來更加方便，能提高工作質量和效率；二是能精準控制藥物的用量，減少藥物的浪費，避免土壤和空氣的污染。小車實現了智能化和系統化，對農業現代化的發展提供了重要的參考價值。