基于STM32單片機的大棚循跡農藥噴灑車設計

李云瀟

摘 要：傳統的大棚農藥噴灑方式污染較重，容易中毒。將紅外循跡避障系統與STM32單片機相結合，設計自動化程度較高的循跡農藥噴灑車有助于實現優化。該噴灑車在傳統紅外循跡避障車的設計基礎上增加了供藥、噴藥系統，可同時保證噴灑車運行軌跡穩定和農藥噴灑高效。農藥噴灑車搭載全球定位系統（Global Positioning System，GPS）模塊和谷歌移動服務（Google Mobile Service，GMS）模塊，實現了噴灑車的遠程定位功能，提高了農藥噴灑的可靠性和安全性。噴灑車尺寸小、靈活性高、可操作性強，能滿足大棚內自動化作業要求。

關鍵詞：STM32F103單片機;紅外循跡;全球定位系統（GPS）;農藥噴灑

Abstract： The traditional method of pesticide spraying in greenhouse is heavy in pollution and easy to be poisoned. Combining the infrared tracking obstacle avoidance system with STM32 microcontroller to design a highly automated pesticide spraying vehicle will help to realize optimization. Based on the design of the traditional infrared tracking obstacle avoidance vehicle， the spraying vehicle added the drug supply and spraying system， which can ensure the stable running track of the spraying vehicle and the high efficiency of pesticide spraying at the same time. The pesticide spraying vehicle is equipped with GPS and GMS module to realize the remote positioning function of the spraying vehicle and improve the reliability and safety of pesticide spraying. The sprayer has the advantages of small size， high flexibility and strong maneuverability， which can meet the requirements of automatic operation in the greenhouse.

Keywords： STM32F103 microcontroller; infrared tracking; GPS; pesticide spraying

我國是農業大國，當前的大棚應用越來越廣泛。傳統大棚農藥噴灑技術以手持式噴霧為主，且由于大棚室內空間有限、內部環境復雜，一般不適用飛行器或大型設備實施高效噴灑。手持式噴霧效率低下，對操作人員危害性大，難以滿足大規模作業的需求。大棚農藥滴灌、噴淋等技術雖能大規模作業，但是對大棚硬件設備要求高，且所需農藥量大、覆蓋面單一，長期使用會導致農藥的浪費，并對土地造成污染。

針對以上問題，研究設計基于STM32F103單片機的循跡農藥噴灑小車，能夠代替人力實現半自動化大棚農藥的精準噴灑，也可以承擔同類的多樣化工作。它采用紅外循跡模塊加超聲波避障系統的設計，能有效提高工作效率[1]，同時配有全球定位系統（Global Positioning System，GPS）模塊和谷歌移動服務（Google Mobile Service，GMS）模塊，可以實現小車的實時定位，并在有需要時以短信的形式發送小車當前的經緯度坐標。本設計在提高農藥噴灑設備可靠性的同時，降低了操作人員吸入農藥的風險，具有良好的應用前景[2]。

1 總體設計框圖

本研究設計基于STM32F103單片機的循跡農藥噴灑車，可實現PID算法的紅外循跡和農藥噴灑功能。所用模塊如圖1所示。

2 農藥噴灑模塊

2.1 傳動系統

為了實現單次噴灑至少覆蓋一座單棟大棚（常見面積約為667 m2），本設計參考的小車載藥質量不低于30 kg，車輛總質量不低于40 kg，故動力模塊選用480 W的997低速12 V直流電機驅動車輪前行[3]。考慮到12 V直流電機轉速較快，實際操作中需配置減速器來保障小車勻速前行。無刷直流電機保持了傳統直流電機的良好調速性能，具有效率較高、使用壽命長以及噪聲低等特點。選擇兩個N100 12 V 100 Ah蓄電池并聯給電機供電，以保證農藥噴灑工作順利進行。

控制芯片的供電電壓為3.3 V，舵機和電機驅動芯片的要求電壓是5 V，需要對電壓降壓。5 V穩壓芯片采用開關電壓調節器LM2596。該芯片內置固定頻率振蕩器和基準穩壓器，具備保護電路的功能。

2.2 車輪和底盤

考慮到大棚內地面通常高低起伏、存留積水，小車在大棚里作業受地形影響較大。本設計采用輪胎驅動輪驅動，運用較深的胎紋槽，以減少地形對小車作業的影響。為滿足隔水、絕緣等需要，兼顧成本因素，底盤選擇韌性好、質地柔和的亞克力板。

2.3 供藥裝置

供藥裝置利用一個微型潛水水泵進行工作。考慮到要與單片機電壓相匹配，設計采用USB微型潛水泵。微型潛水泵可以根據不同長度的噴灑裝置，調整供藥裝置的進藥壓力。本設計選用額定電壓為5 V、最大流量為200 L/h、額定功率為3 W的微型潛水泵。

2.4 噴灑裝置

噴灑裝置可以根據農作物的高低或者不同生長周期進行調節。例如：根據大棚空間環境，可以選擇多元模塊的噴灑裝置;根據農作物不同的生長周期和不同品種之間的差別，可以調節噴頭的位置;根據農藥噴淋部位，可單獨控制每個噴頭的開閉狀態，從而保證噴灑的可靠性、高效性以及適應性[4]。

本設計采用的可自動調節噴頭位置的噴灑裝置具有易操作性，但在霧滴沉積量和省藥率方面還有待優化。目前，已有學者對果樹農藥噴灑技術上進行了進一步研究，基于STM32F103VET6單片機控制對靶系統，在上位機手機控制端設置超聲波傳感器探測閾值，以適應不同行距果樹的對靶噴霧作業。噴頭噴出的藥液被軸流風機產生的高速氣流二次霧化形成更細的霧滴，然后在氣流的脅迫作用下吹向標靶物。果園自動對靶風送噴霧機有助于節省農藥，可有效防止農藥污染，同時提高了農藥的使用率[5]。

3 循跡避障模塊

自動尋跡控制系統利用紅外導引方式對小車進行路徑導引，利用光線反射的強弱檢測路面信息，產生電平的高低變化，并反饋傳感器接收到的信號，經模數轉換傳輸到STM32F103單片機內進行計算分析。設置兩個紅外傳感器的I/O口為浮空輸入，通過程序讀取I/O口的狀態進行判斷，最終控制小車在田間路面上沿預設軌跡行走，以實現自動尋跡的功能。

3.1 電機驅動模塊

設計采用STM32F103C8T6單片機作為控制系統，負責整個系統的信號處理和協調控制功能，與關聯設備共同實現循跡、避障和電機驅動[6]。

考慮到車身質量和藥箱質量，需要更大功率的電機驅動模塊。經研究，設計采用L298N作為電機驅動模塊，電路如圖2所示，電機工作表如表1所示。表1的L298N邏輯功能表中展示了使能（EA）、輸入引腳1（IN1）以及輸入引腳2（IN2）取值不同電平下的運行狀態。相較于傳統設計常用的L293D直流電機功率較小的弱勢，L298N擁有輸出電流大、功率強的特點，其輸出端可以與單片機直接相連，從而方便地實現單片機控制[7]。

3.2 基于PID算法的紅外循跡傳感器模塊

市面上常見的五路循跡和七路循跡都采用的是傳統的紅外循跡。這種循跡方式是將模擬量轉換成數字量，具有尋線精度差、易偏離軌跡以及尋線速度慢的缺陷。將傳統的五路紅外循跡改為PID算法的紅外循跡，將有效提高尋線的精度。PID算法的紅外循跡模塊直接通過單片機內部AD采集紅外循跡傳感器數據，并根據數據PID動態調節舵機角度。它有12位AD位，最大可到212精度，極大地提高了精準度。仿真電路如圖3所示。

3.3 避障模塊

小車在循跡工作過程中需要避開線路中遇到的障礙物，因此對檢測距離和精準度有一定的要求。市面上常用的避障模塊有紅外避障和超聲波避障。兩種避障模塊的對比情況，如表2所示。相對于紅外避障，超聲波避障具有精度高、不易受外界干擾的優勢。此外，紅外避障受循跡過程中障礙物、光照等不確定因素的影響較大。經研究，本設計采用超聲波避障[8]。

超聲波避障模塊選用HC-SR04。此模塊性能穩定，測度距離精確，模塊精度高，盲區小。采用I/O口的TRIG觸發測距，給10 μs的高電平信號后，模塊發送方波檢測是否有信號返回。當有信號返回時，查看高電平的持續時間來計算測試距離[9]。此外，超聲波作為一種物理信號，不僅具有穿透能力好的特點，而且不會對農作物造成傷害，是一種較為理想的選擇[10]。

3.4 SIM800模塊

循跡農藥噴灑車需要與用戶建立互動聯系。本設計采用SIM800模塊，是一款四頻GSM/GPRS模塊，SM封裝，性能穩定，外觀小巧，性價比高，能滿足客戶的多種需求。它配合GPS模塊向用戶發送當前的位置，調整電壓后具備穩定的通信功能。SIM800尺寸為21 mm×24 mm×3 mm，滿足循跡農藥噴灑小車緊湊型的需求。

循跡農藥噴灑小車在收到指令時，可以給用戶發送信息。它與GPS配合可以發送小車的當前位置，如圖4所示。此外，它可以在發送定位短信的基礎上，報告剩余農藥量、剩余電量等狀態信息，方便操作者更好地管理小車的運行。

3.5 GPS模塊電路

GPS模塊采用U-BLOX NEO-6M模塊，具有體積小巧、性能優異的特點，適用于循跡農藥噴灑小車。模塊增加放大電路，有利于無緣陶瓷天線快速搜星。模塊可通過串口進行各種參數設置，并可保存在EEPROM，使用方便。模塊自帶SMA（Small A Type）接口，可以連接各種有源天線，適應能力強。模塊兼容3.3 V/5 V電壓，方便連接各種單片機系統。模塊自帶可充電后備電池，可以掉電保持星歷數據。

溫室大棚內的循跡路線受地形和不確定因素的影響較大。地形起伏較大，大石、坑洼、積水以及動物昆蟲攻擊等都是不確定因素，會影響小車的運行狀態，導致車輪空轉、翻車等意外險情。若發生小車GPS坐標停滯不動、電動機轉速異常等情況，運轉系統數據經芯片算法研判斷定險情發生時，控制系統將停止噴灑農藥，并及時給用戶發送短信，報告當前小車的位置信息，以便用戶及時處理問題，如圖4所示。需要注意，接收到SIM800模塊發送的GPS坐標信息后，將坐標經緯度輸入定位界面，即可定位當前的小車位置。

4 結語

針對溫室大棚，設計了一款基于STM32F103單片機的紅外循跡農藥噴灑小車。該車尺寸小、靈活性高、可操作性強，能滿足溫室大棚農藥噴灑的作業要求。在紅外循跡避障小車的基礎上增加了農藥噴灑模塊，手動調節噴頭位置以應對不同高度的農作物，有效提高了農藥利用率，避免了人工噴灑農藥的毒副作用。此外，循跡避障模塊有效保障了小車運行的平穩性。SIM800可以精準傳送數據信息，配合GPS及時向用戶發送短信定位小車的當前位置，方便用戶及時排險或查看小車的狀況。

參考文獻：

[1]劉德華，張丹慧.新型智能小車的設計研究[J].科技視界，2016（2）：135.

[2]尤天鵬，陳玉玲，苗佳興，等.基于單片機智能循跡小車的設計與實現[J].品牌，2015（1）：199.

[3]張京開.自走式噴霧裝置設計[J].農業工程，2017（增刊1）：19-22.

[4]王亞洲，王靖岳，齊家寶，等.遙控小車噴灑農藥裝置的研究[J].農村實用技術，2019（2）：55-56.

[5]姜紅花，白鵬，劉理民，等.履帶自走式果園自動對靶風送噴霧機研究[J].農業機器學報，2016（增刊1）：189-195.

[6]李萬義，謝林汐，肖鋒，等.基于STM32的智能小車尋跡避障系統硬件設計[J].電子世界，2019（7）：198-199.

[7]陳玲玲，曹忠尉，張爍，等.基于STM32的自動尋跡智能車設計[J].電子測試，2019（17）：26-28.

[8]盧威.智能小車避障系統的設計與實現[D].南昌：南昌大學，2012：9-10.

[9]周東瑤，師文慶，黃江，等.基于STM32的WiFi智能小車控制系統設計[J].裝備制造技術，2019（8）：64-67.

[10]張思聰，孔雷蕾，唐湘如.超聲波預處理對作物種子及幼苗的影響綜述[J].安徽農業科學，2017（21）：19-20.