設施農業自走式水肥噴灑小車的設計*

崔 勇，伍銅言，劉 堯，史文龍，王豪杰

（江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州 225300）

作物的生長需要陽光、空氣、溫度、濕度和養分五大要素，設施農業則是采用人為干預的方式，改變作物生產需要的各要素條件值，以滿足作物全天候生長的條件。目前，設施農業的調控技術主要有光照調控、溫度調控、氣體環境調控以及水分、養分調控等，其中合理的水肥平衡供應能挖掘作物最大的生產潛力。因此，實現水肥同步供應和控制的水肥一體化技術是當前精準農業的主要技術方向之一[1]。

1 水肥一體化技術

水肥一體化技術是在作物水肥供給的過程中，實現水肥有機的同步供給，充分發揮水和肥料的相互作用，在提供作物水分的同時最大化地發揮肥料的作用。

要實現水肥一體化澆灌，其前提條件是將肥料溶于水中，然后通過水肥結合的方式施用，根據灌溉方式不同，可以分為滴灌水肥一體化技術、噴灌水肥一體化技術、微噴灌水肥一體化技術、膜下滴灌水肥一體化技術等。項目組開發的農業自走式噴灑小車則屬于噴灌水肥一體化技術的一種應用形式，小車通過傳感器信號，判斷處理后執行行走動作，噴灑裝置則將混合溶解好的水肥通過加壓噴灑于作物表面或者地面，實現自動灌溉施肥的功能。自走式噴灑小車的適用范圍主要為大棚內作物或設施園林作物。

2 自走式噴灑小車的布置

自走式噴灑小車由行走部分、控制裝置、傳感器、電源模塊、噴灑裝置、水肥儲存罐等組成。行走部分執行小車的行走和轉向動作?？刂蒲b置主要由STC12C5A60S2型單片機構成。傳感器模塊選用紅外傳感器感知障礙物和作物，并將信號處理后發送給單片機。噴灑裝置由水泵、噴頭和水管組成，實現水肥的霧化和噴灑功能[2]。水肥儲存罐存儲預先配置好的溶水肥料。

2.1 行走部分設計和布置

行走部分包括驅動輪、萬向輪、電機、車架板。車架板為整個小車所有部件的安裝面板。兩個驅動輪布置在小車后部和車架板的下方，并各連接一個驅動電機，實現行走和轉向功能。驅動電機芯片選用L298N，通過單片機的I/O輸入對其控制電平進行設定，為電機進行正轉反轉和停止的驅動。萬向輪布置在小車前端的中間位置，起支撐作用。

2.2 控制裝置和傳感器的選用和設計

控制裝置核心模塊為STC12C5A60S2型單片機，內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換，工作電壓為3.5 V~5.5 V[3]。STC12C5A60S2型單片機通過PWM信號調節左右驅動輪電機轉速以實現小車驅動輪的轉動，通過控制驅動輪的正反轉實現小車的避障和轉向。通過控制繼電器的通斷來實現水泵電源的通斷。如圖1所示。

圖1 STC12C5A60S2型單片機

傳感器采用TCRT5000型紅外線光感傳感器，布置在車架盤上方，分別檢測左右障礙物、前方障礙物、左右作物植株。如圖2所示。

圖2 TCRT5000接線圖

2.3 電源模塊的選用

電源模塊選用12 V鋰電池，匹配5 V電源轉換器。驅動電機模塊和水泵電機由電池直接提供12 V電源，單片機由電源轉換器提供5 V電源。

2.4 噴灑裝置的設計和布置

根據設施園林大棚的布置特點，小車行駛的道路會有單側種植作物和左右兩側均種植作物兩種情況，因此，噴灑裝置布置左右兩套噴灑系統。當左側傳感器檢測到植株時，控制器接收傳感器信號，發出噴灑指令，控制左側水泵噴灑指令；當右側傳感器檢測到植株時，執行右側水泵噴灑指令；當左右兩側均檢測到植株時，則左右兩側同時噴灑水肥。

噴灑裝置的水管采用耐腐蝕的PVC管，噴頭選用扇形噴頭。水泵和噴頭通過支架固定在車架板的上方。水管連接后端的水肥儲存罐。

考慮到水肥混合液中存在少量的懸浮物，為避免噴灑裝置的堵塞，水肥儲存罐的加液口以及水泵的進液口、出液口，均布置濾網進行過濾[4]。

2.5 程序設計

設施農業自走式噴灑小車需實現小車自行行走、水肥自動噴灑和轉向避障等動作，因此，程序的設計需包含以下三個方面。

1）小車行走避障程序：傳感器檢測左右障礙物與小車的距離，自動修正小車的方向，確保小車直線行駛。

2）自動檢測噴灑程序：傳感器檢測小車左右方向是否有作物植株，當檢測存在植株的信號傳遞給單片機時，控制左右水泵運轉，噴頭執行噴灑動作。

3）小車轉向避障程序：傳感器檢測前方是否有障礙物，如有障礙物，控制小車左轉，實現轉向避障功能。

程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

3 小車的運行測試

如圖4所示，布置設施大棚環境，設置兩排綠植。小車開始運行后，直行進入田壟，小車檢測左右障礙物，自動進行方向修正，維持直線行走。當檢測到第一排作物植株后，噴灑水肥。小車繼續前進，如車前的傳感器檢測到障礙物，左轉90°，然后直線行駛。再次檢測到障礙物后，左轉90°，然后繼續前行。當檢測到第二排作物植株時，執行水肥噴灑動作。最后，駛出田壟，完成兩排作物植株的自動水肥噴灑任務。

圖4 農業自走式噴灑小車運行測試