基于物聯網的新型農藥化肥自動噴灑系統設計

高天學 曹偉

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.040

摘? 要：文章針對農業種植中的農藥化肥噴灑問題設計了一種智能型農藥化肥噴灑系統，該系統通過手機APP與單片機控制技術相結合，實現了藥物自動調配及化肥自動噴灑功能，用戶在手機APP端輸入土地面積、藥物濃度和化肥類型后系統將自動計算需要的藥物、水和化肥量。系統可通過超聲避障技術躲避障礙物，噴灑完成后自動折疊噴管減小系統整體體積，還可通過APP控制電子閥門進行施肥均勻度、角度等控制，最后用戶可在APP端實時觀察工作效果。

關鍵字：物聯網技術;單片機控制;農藥化肥自動噴灑;APP控制

中圖分類號：TP391;S126? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0154-04

Design of New Pesticide and Chemical Fertilizer Automatic Spraying System?Based on Internet of Things

GAO Tianxue，CAO Wei

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou? 253034，China）

Abstract：Aiming at the problem of pesticide and chemical fertilizer spraying in agricultural planting，an intelligent pesticide and chemical fertilizer spraying system is designed. The system realizes the functions of automatic pesticide allocation and automatic chemical fertilizer spraying by combining mobile phone APP with single-chip microcomputer control technology. The system will calculate automatically the required amount for pesticide，water and chemical fertilizer after the user inputting the land area，pesticide concentration and chemical fertilizer type in mobile phone APP end. The system can avoid obstacles through ultrasonic obstacle avoidance technology，it will fold nozzle automatically after finishing spraying to reduce the overall volume of the system，and can also control electronic valve by APP for fertilization uniformity and angle and other controls. Finally，the user can observe the working effect at the APP end in real time.

Keywords：internet of things technology;single-chip microcomputer control;pesticide and chemical fertilizer automatic spraying;APP control

0? 引? 言

隨著物聯網技術的發展，智慧農業中的農藥、化肥噴灑技術也得到了革新^[1]，無論是在國內還是國外，農藥化肥噴灑系統都具有非常高的市場價值，但市面上的農藥化肥噴灑產品功能比較單一，大多數國內生產出售的噴霧器與撒化肥車只能單一的進行噴灑藥物與撒化肥，并且需要人工控制，當機器里裝上化肥或藥物時，機器也會變得非常的沉重，背在身上非常重，身體或腿腳不便的人使用這種機器時非常的不方便。另一種流行的無人機打藥也存在一些弊端，不僅需要專業人員操作而且載重多了飛不起來，對于廣大農民群眾來說很難使用，所以筆者基于我校山東省大學生創新創業訓練項目提出來一種基于物聯網的新型農藥化肥噴灑系統，旨在解決農業生產種植過程中的農藥化肥一體化作業問題，為我國農業發展貢獻一份力量。

1? 系統總體設計方案

該系統主要功能是智能式農藥化肥噴灑，通過智能控制與農具相結合，擬設計一種智能型農藥化肥噴灑車。其主要由：單片機、超聲傳感器、壓力泵及噴灑裝置、監控系統、Wi-Fi模塊、手機APP等組成，系統整體框圖如圖1所示。

首先，系統具有藥物及化肥的自動調配功能，用戶在語音提示下在屏幕上輸入土地面積及藥物、化肥類型，計算機自動計算需要的藥物量、水量和化肥量。在噴灑過程中，系統可通過超聲波傳感器等實現在復雜環境中尋路避障，判斷是否到達道路的終點并自動進行轉向，藥物噴灑完噴管自動折疊收納，減小空間便于運輸，其次，系統還可將存儲箱中自動調配好的化肥通過噴灑裝置均勻地灑在土地表面，噴灑密度可通過計算機控制電子閥門進行控制，通過安裝監控設備，全過程均可通過手機APP實時掌握。

2? 理論分析與計算

2.1? 基于超聲測距的避障技術

系統在噴灑作業過程中采用了超聲避障的方法來躲避障礙物，超聲波作為聲波的一種，頻率高于20 kHz，所以具有良好的指向性，而且人耳聽不到，可以廣泛地用于測距避障等方面^[2]。超聲波發射裝置發射出超聲波，當超聲波遇到障礙物時會從障礙物表面反射回來，由超聲波接收裝置接收。已知超聲波的速度，通過計算就可以得出障礙物的距離。其計算公式為：

式中t為超聲波從發送到接受的時間，s為超聲波發射裝置到障礙物的距離，當單片機計算出距離小于某個值時則判斷為有障礙物，則會調用運動算法程序予以躲避。

2.2? 農藥自動調配技術

在農藥的調配功能方面，考慮到用戶文化程度等實際，采用了語音提醒技術及APP控制技術來輔助用戶對藥物濃度的智能控制，用戶只需要將要噴灑藥物倒入儲藥倉，并把所需稀釋的濃度信息、原藥濃度、藥液質量輸入APP端，由系統自動計算所需藥物及清水的質量并自動抽取藥物及清水，由稱重模塊實時采集藥物及清水的抽取重量，最后經攪拌裝置進行充分攪拌來達到用戶所需濃度的藥物調配。其遵循的理論計算公式為：

2.3? 基于PWM技術的高壓霧化及化肥均勻度控制技術

在農藥的噴灑過程中，霧化狀態的農藥是最理想的效果，可充分保護農作物的枝葉不被腐蝕傷害且可進行大面積的噴灑作業來殺死害蟲，該系統在農藥霧化功能方面采用單片機來產生PWM信號控制隔膜泵功率來對水壓進行控制，可實現不同的霧化效果。

在化肥的噴灑功能上，系統設計了高效的旋轉噴灑裝置，其主要采用大功率可調速直流電機作為噴灑裝置的動力機構，在該裝置的化肥進口處設計了可調節大小功能，可實現化肥噴灑量的實施控制，同時通過單片機的PWM信號來對直流電機轉速進行調節，并且對化肥噴灑濃度進行調控。

2.4? 基于Wi-Fi的遠程數據傳輸技術

系統在噴灑作業過程中，用戶可在手機APP端觀測噴灑效果，主要是通過安裝的監控模塊實時采集環境照片并通過Wi-Fi模塊將圖像數據回傳給用戶手機端。Wi-Fi無線通信模塊也是物聯網技術的重要組成部分，負責上位機和下位機之間數據的上報和下發^[3]，本系統采用業內常用的ESP8266無線通信模塊，這是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，擁有業內極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術，專為移動設備和物聯網應用設計^[4]，可將用戶的物理設備連接到Wi-Fi無線網絡上，可以進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能，適用于長距離的無線通信，因而實現APP對本系統功能的遠程控制，如前進、轉彎、噴灑、監控視頻傳輸等功能。

3? 硬件電路與軟件設計

3.1? 硬件電路設計

系統控制模塊采用了STM32F4單片機^[5]，用其來完成農藥配比計算、智能避障、化肥農藥噴灑、支架折疊、語音提醒、效果監測等功能。根據實際需求使用12 V大功率隔膜泵來實現藥液的霧化控制，以180度高精度舵機來控制化肥噴灑裝置的噴灑角度及噴灑均勻度，加入模數轉換芯片ADS1115（15位精度）和壓力傳感器設計了高精度稱重模塊^[6-8]，無線傳輸系統采用ESP8266模塊，該模塊波特率最高可達921 600比特每秒，確保信號的實時傳輸和穩定運行^[5]，語音提醒模塊采用ISD1820語言播報模塊，來實現對用戶進行語音式指導，比如“請檢查儲藥倉是否充足”、“請將抽水管放置于充足水源中”。最后，系統使用了多塊大容量12 V可充電式鉛酸電池為系統供電，并加入了5 V、3.3 V直流穩壓模塊來對單片機、隔膜水泵及舵機等模塊供電^[9]，在搭建完成基本電路加入了充電過沖保護模塊和開機鎖等功能^[5，10]。

3.2? 系統軟件設計

系統程序開始后單片機會啟動系統電源自檢程序、Wi-Fi初始化程序、噴藥桿折疊模塊及化肥噴灑裝置復位程序、語音播報程序后實時調用Wi-Fi模塊讀寫函數并進行數據解析，當檢測出APP端發來的濃度調配及運行指令后，會根據指令包中的功能標志字符來區分用戶需求^[3]，實現農藥調配及噴灑、化肥噴灑等功能的分類執行。使用卡爾曼濾波對超聲波模塊測量的數值進行濾波處理，得到穩定值后進行運動處理^[5]，如前進、后退、左轉、右轉等，以此來提高該系統在復雜農田環境中自動作業過程中的安全可靠性，用戶控制端如圖2所示，系統軟件工作流程如圖3所示。

其中濃度計算與調配功能全部由手機端APP完成，其核心程序為：

@SuppressLint（"SetTextI18n"）

private static void onListener（View view， Dialog dialog）{

Button button = view.findViewById（R.id.button10）;

button.setOnClickListener（v -> {

ClearEditText editText1 = view.findViewById（R.id.input1）;

ClearEditText editText2 = view.findViewById（R.id.input2）;

ClearEditText editText3 = view.findViewById（R.id.input3）;

if（dialog ！= null）{

if（editText1.getText（）.toString（）.equals（""）||editText2.getText（）.toString（）.equals（""） || editText3.getText（）.toString（）.equals（""） ）{

Toast.makeText（MainActivity.getActivity（），"請不要留空"， Toast.LENGTH_SHORT）.show（）;

return;

}else{

try{

double t1 = Double.parseDouble（editText1.getText（）.toString（））;

double t2 = Double.parseDouble（editText2.getText（）.toString（））;

double t3 = Double.parseDouble（editText3.getText（）.toString（））;

MainActivity.textSetting.t1 = t1;

MainActivity.textSetting.t2 = t2;

MainActivity.textSetting.t3 = t3;

double math = t3 * t1 / t2;

MainActivity.yw1.setText（math+""）;

MainActivity.qs1.setText（（t3 - math）+""）;

MainActivity.zl1.setText（t3+""）;

MainActivity.yw2.setText（math+""）;

MainActivity.qs2.setText（（t3 - math）+""）;

MainActivity.nd2.setText（t1+""）;

}catch （Exception e）{

Toast.makeText（MainActivity.getActivity（），"請輸入正確的數值"，Toast.LENGTH_SHORT）.show（）;

return;

}

}

LoadClick.closeDialog（dialog）;

}

}）;

系統在進行農藥自動調配時，使用了壓力傳感器及模數轉換芯片來組成系統的高精度稱重模塊，由于農藥的質量較輕且壓力傳感器較為敏感，在實際測量過程中較難控制抽取原藥溶液的質量，故為其設計了基于算數平均濾波方法的質量測量算法，對壓力傳感器的返回值進行16次采樣，以其算數平均值作為有效采樣值，該方法對壓力、流量等具有周期脈沖特點的信號具有良好的濾波效果，實驗表明采樣次數越大，濾波效果越理想，但靈敏度會越低，為便于運算，本系統采樣16次取平均，其濾波核心算法為：

函數功能：算數平均濾波

入口參數：農藥質量參數m

返回值：理想質量值M

int shuzilvbo（ ）

{? ? float m ，M，Sum;

for（i=0;i<16;i++）

{ m=zhiliangjisuan（）;//計算質量函數

shuzu[i]=m;//存入緩存

Sum+=shuzu[i];//求和運算

}? M=Sum/16;//取平均

return M;//返回理想值

}

4? 實驗測試與分析

最終該系統整體結構如圖4所示，化肥噴灑裝置位于正前方且可以遙控旋轉調節噴角，噴藥桿位于后方，可由APP控制打開。其下位機主要包括單片機計算中心、運動模塊、化肥噴灑裝置、農藥霧化裝置、超聲避障等模塊，上位機由自主設計的用戶端手機APP進行遠程控制及視頻監控，在進行實際實驗測試時，因條件有限，選取5%濃度的84消毒液進行了藥物噴灑模擬實驗，本次實驗以調配15千克溶液為例，取部分實驗數據如表1所示，整體誤差在千分之五左右。

5? 結? 論

該系統對基于物聯網的農藥化肥自動噴灑技術進行了研究，給出了一種基于物聯網及單片機控制技術的農藥化肥一體化自動作業系統設計方案，實現了智能控制技術與農機具的結合，可使用戶在語音提示下輸入土地面積及藥物、化肥種類后單片機自動計算需要的藥物及化肥數量，通過自動抽取藥物及清水或化肥及準確稱重計量來完成自動配制并充分攪拌。噴灑系統行進過程中由超聲波傳來的信號判斷是否需要調整前進方向，以及是否到達道路盡頭，同時單片機可控制電子閥門開關大小改變藥物及化肥的噴灑量，系統在完成工作后，會自動控制折疊支架將藥物噴管收回車內，通過配備監控系統，噴灑作業過程可由手機APP全程監控。該系統可改變傳統的人工操作方式，實現了無須大量人力就可以大面積的自動為農作物噴灑農藥和化肥的目的，節省了人力。

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作者簡介：高天學（1991—），男，漢族，山東濟南人，講師，碩士研究生，研究方向：電子與通信技術、智能控制;曹偉（1998—），男，漢族，山東菏澤人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。

收稿日期：2021-04-03

基金項目：2020年山東省大學生創新創業訓練項目（S202013857029）;2019年度德州市市級研發計劃項目;山東華宇工學院橫向項目（HY20 21-017）