基于物聯網技術的智能農藥噴灑機器人的設計

譚 潔，劉 震，唐雪剛，秦順利，姚 浪，唐 洪

（銅仁職業技術學院，貴州 銅仁 554300）

0 引 言

目前，我國農業經營方式仍然是小規模的，沒有形成規模化，且大部分農業工作方式都是純手工作業。隨著我國經濟發展進入新常態，打造智能化的現代農業是我國農業發展的必經之路。物聯網技術作為信息科技第三次產業革命的產物，其主要通過網絡按照約定協議將傳感器等多種硬件電路檢測到的信息上傳，從而實現信息的交換和傳播，達到了良好的人機交互效果，在農業智能化建設中發揮了至關重要的作用。

在農業生產中，通過噴灑農藥進行殺蟲、殺菌，對保障和促進農作物的成長具有積極的功效和作用。目前，我國大部分地區噴灑農藥都是采用手工作業的方式，人們通過自身的經驗和感知，根據農藥說明書手工配兌農藥的比例和噴灑劑量，存在農藥配比濃度、噴灑劑量不均衡的現象，且手工作業存在覆蓋范圍小、工作效率低下、造成人力物力浪費以及農藥對噴灑作業人員的身體健康存在一定的危害等問題。

針對上述問題，本文設計一種基于物聯網技術的智能農藥噴灑機器人。用戶可以通過上位機遠程監控農藥噴灑機器人的實時作業情況，機器人也能夠實時對上位機下發的指令做出反應。機器人能夠對工作環境進行實時檢測，并將信息實時反饋給上位機；機器人還能夠攜帶一定重量的農藥，并根據事先設定好的比例進行混合，根據所規劃的路徑進行工作，能夠開展大規模農作物的農藥噴灑工作，且農藥配比準確、噴灑均勻，也能夠避免對農藥噴灑人員的健康產生危害。

1 系統總體方案設計

本文設計的基于物聯網技術的智能農藥噴灑機器人，以單片機為主控核心，通過尋跡模塊、電機驅動模塊控制機器人按照規劃路徑運動，通過按鍵模塊和液晶顯示模塊設置農藥混合比例，單片機根據按鍵模塊設置的參數控制抽水器對多種農藥、清水進行混合；溫濕度檢測模塊負責對工作環境進行監測，并通過無線模塊傳給上位機。圖1所示為系統總體原理框圖。

圖1 系統總體原理框圖

2 系統電路設計與實現

2.1 無線模塊

無線模塊負責與上位機間傳輸環境信息、遠程發送指令等，其穩定性是決定上位機與下位機能否正常通信的關鍵。本文選用JZ861-433M超小型無線數傳模塊，能夠提供四個頻道，而且有專門的設置程序，可以讓用戶隨時變更相關參數；其采取透明傳輸方式，不需要用戶進行程序的設計即可進行傳輸，且模塊體積小，方便使用。JZ861-433M無線數傳模塊是成對使用的，一塊用于接收數據，另一塊用于發送數據；單片機（終端設備）與無線數傳模塊之間采用UART方式通信，其連接方式如圖2所示。

圖2 JZ861-433M無線數傳模塊連接示意圖

2.2 溫濕度檢測模塊

在實施農藥噴灑作業時，室外環境也是影響噴灑質量的關鍵因素，所以對噴灑現場環境實施監測也是必要的。室外環境存在的不可控因素較多，在溫濕度傳感器的選型過程中需要重點考慮其可靠性、穩定性、抗干擾性等特點。本文選用具有體積小、功耗低、響應速度快、抗干擾能力強、傳輸距離遠等優點的DHT11數字溫濕度傳感器，單片機通過DHT11數字溫濕度傳感器的DATA串行數據接口進行通信，能夠實時獲取當前環境的溫度和濕度信息。

2.3 電機驅動模塊

由于單片機的輸出電壓、電流較小，無法驅動電機正常運行，且電機具有正轉、反轉、停止的功能，所以需要電機驅動模塊配合才能正常運行。本文選用可以同時控制2個電機動作的L298N電機驅動模塊，其具有工作電壓范圍大的特點以及過熱保護、反饋檢測等功能。單片機可以通過電平控制其2個使能端和4個輸入引腳，從而控制對應電機的運動方式。

2.4 尋跡模塊

本文的路徑規劃采用紅外傳感器自反射原理尋跡的方式進行，紅外尋跡具有對環境光線適應能力強、干擾小等特點。尋跡模塊通電后發出一定頻率的紅外光，當遇到障礙物時，反射回來的信號經電路比較放大處理后輸出一個數字電平信號給單片機處理。圖3所示為尋跡模塊原理。

圖3 尋跡模塊原理

3 系統軟件設計

單片機是控制農藥噴灑機器人正常運行的核心器件，其主要依靠程序接收或控制其他模塊工作，工作流程如圖4所示。按鍵模塊用于設置農藥、清水等試劑的混合比例，并在液晶顯示屏顯示其鍵值；同時，液晶顯示屏用于實時顯示溫濕度信息。將整個系統程序根據實現的功能按模塊化思想分為按鍵程序、顯示程序、溫濕度讀取及處理程序、尋跡控制程序、抽水器控制程序等。

圖4 系統工作流程

3.1 按鍵程序

在按鍵程序中，所需的鍵值0至9編碼、輸入清零、確定、機器人搭載的4種試劑選擇（采用A、B、C、D四種模式），一共需要16顆按鍵，所以選用4×4矩陣鍵盤作為按鍵模塊，采用鍵值掃描的方式讀取鍵值并顯示。將矩陣鍵盤的4根行線和4根列線分別與單片機的8個I/O口連接，如果矩陣鍵盤某一行線和某一列線對應的I/O口均檢測到低電平信號，則說明該按鍵被按下。

3.2 液晶顯示程序

本系統選用1602液晶顯示屏，液晶顯示程序所需要進行的操作主要有四種：讀數據操作、寫數據操作、寫指令操作以及讀狀態操作。這些操作的實現是通過RS寄存器選擇端、時序控制端以及讀寫信號的控制端進行時序控制。將這些時序操作寫成對應的子程序，在使用時直接調用對應的子程序進行液晶的顯示和控制。

3.3 溫濕度讀取及處理程序

單片機與DHT11溫濕度傳感器之間的通信是一個低速-高速-低速模式的轉換過程，DHT11溫濕度傳感器之間等待工作指令時處于低速模式，接收到工作指令時處于高速模式。在工作階段，需要經過三個階段，即發出響應信號、觸發采集、讀取數據。單片機接收到的數據信息為40 bit，即溫度、濕度數據整數和小數部分以及校驗和各占8 bit。

3.4 尋跡控制程序

農藥噴灑機器人根據預設的軌跡運動，需要將兩對紅外傳感器模塊分別安裝于機器人的左側和右側，當左側紅外傳感器模塊檢測輸出低電平信號給單片機時，單片機對應I/O口輸出控制信號給電機驅動模塊，控制機器人右轉；當右側紅外傳感器模塊檢測輸出低電平信號給單片機時，單片機對應I/O口輸出控制信號給電機驅動模塊，控制機器人左轉；當兩對紅外傳感器模塊均輸出高電平信號時，機器人前進。在電機控制機器人運動的過程中，機器人的速度較快，所以在單片機程序中通過輸出PWM信號控制機器人的運行速度。

3.5 抽水器控制程序

抽水器控制程序根據抽水器每秒抽取液體的速度（單位為m/s）、按鍵模塊輸入某種配比試劑所需的量（單位為m）來計算抽取時間（單位為s），然后應用單片機內部的定時器定時抽取每種農藥的量，從而達到配比效果，其計算公式為=/。

4 結 語

本文設計了一種基于物聯網技術的智能農藥噴灑機器人，用戶可以通過上位機實時監測工作環境的溫濕度信息；機器人能夠攜帶一定重量的農藥，并根據事先設定好的比例進行混合，根據所規劃的路徑進行工作。本設計實現了農藥噴灑的自動控制，不僅節省了人力物力，而且提高了農藥噴灑作業的安全性。