變量噴灑地面監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢航 梁宇發(fā) 陳偉政

摘要采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)變量噴灑過程的地面PC監(jiān)控系統(tǒng)，并通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)基于Android平臺(tái)的手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)調(diào)試，該系統(tǒng)在PC機(jī)和手機(jī)中實(shí)現(xiàn)了噴灑流量的在線調(diào)節(jié)以及實(shí)際流量、飛行參數(shù)和地面監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)場數(shù)據(jù)等信息的實(shí)時(shí)檢測。該系統(tǒng)性能良好，功能實(shí)用，能滿足變量噴灑地面監(jiān)控系統(tǒng)的基本需求。

關(guān)鍵詞變量噴灑；地面監(jiān)控；Android；LabVIEW

中圖分類號(hào)S24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）35-0219-04

AbstractWe designed a variable spraying ground monitoring system of agricultural plant protection unmanned aerial veldicle（UAV） based on LabVIEW， and realized the mobile monitoring system based on Android platform by bluetooth.After debugging， the system could realize online spraying flow regulation on PC and mobile phone， and realize the realtime detection of the actual flow data， UAV flight parameters and ground wind field data.The system had good performances and practical functions. It could meet the basic requirements of variable spraying ground monitoring system.

Key wordsVariable spraying；Ground monitoring；Android；LabVIEW

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，噴霧技術(shù)是植保作業(yè)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但目前我國整個(gè)植保機(jī)械格局仍沿用大容量、 雨淋式、全覆蓋式的常規(guī)農(nóng)藥噴施方法，存在施藥量大、霧滴粗、農(nóng)藥在作物上的附著率低、易造成環(huán)境污染等問題。在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域，近年來開始采用植保無人機(jī)來解決高稈作物以及丘陵地帶農(nóng)田病蟲害防治時(shí)，地面植保機(jī)存在難以下田，且無法快速有效防治大面積暴發(fā)性病蟲害的問題[1]。同時(shí)，無人機(jī)在低速飛行條件下作業(yè)有較好的霧滴覆蓋，特別是旋翼產(chǎn)生的下旋氣流，可以減少霧滴的飄散，同時(shí)由于下旋氣流而產(chǎn)生的上升氣流可使霧粒直接碰撞到植物葉片的正反面[2]。因此，無人機(jī)噴霧具有噴霧效果好、勞動(dòng)強(qiáng)度低、及時(shí)有效等特點(diǎn)，與固定翼飛機(jī)和大型直升機(jī)相比，它具有作業(yè)靈活、自動(dòng)控制能力強(qiáng)、霧滴飄移少、旋翼氣流輔助藥液穿透作物冠層等優(yōu)點(diǎn)[3]。針對(duì)農(nóng)田實(shí)際情況，采用植保無人機(jī)實(shí)現(xiàn)變量施藥是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。

植保無人機(jī)在精準(zhǔn)噴灑的過程中，便捷的地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)噴灑過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)控有著重要作用。筆者設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的農(nóng)用植保無人機(jī)變量噴灑地面監(jiān)控系統(tǒng)，并通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)了基于Android平臺(tái)的手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。在噴灑過程中，該系統(tǒng)可以在PC機(jī)上以及手機(jī)中實(shí)現(xiàn)噴灑流量的在線調(diào)控以及實(shí)際流量、植保無人機(jī)飛行參數(shù)和地面監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)場數(shù)據(jù)等信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中機(jī)載控制器以STM32F103RCT6為核心，接收地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)載變量噴灑系統(tǒng)的控制信號(hào)，完成機(jī)載設(shè)備的變量噴灑，同時(shí)采用流量傳感器采集實(shí)際噴灑流量、采用北斗裝置采集植保無人機(jī)飛行高度、速度信息，通過無線數(shù)傳電臺(tái)FGR2傳回PC機(jī)中的地面監(jiān)控系統(tǒng)，地面監(jiān)控系統(tǒng)也通過無線數(shù)傳電臺(tái)FGR2向機(jī)載變量噴灑系統(tǒng)下發(fā)變量控制信號(hào)；采用地面風(fēng)場傳感設(shè)備采集田間風(fēng)場等信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳回PC中的地面監(jiān)控系統(tǒng)；同時(shí)，為現(xiàn)場使用方便，通過藍(lán)牙通信模塊HC-05實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和安卓手機(jī)中的變量控制和噴灑信息采集顯示等功能的互通。地面監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2基于LabVIEW的PC機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要完成發(fā)送流量控制信號(hào)和接收采集數(shù)據(jù)模塊兩大部分，其中流量控制部分完成控制流量的頻率、占空比的設(shè)定控制，數(shù)據(jù)采集部分完成流量、飛行狀態(tài)（高度、速度）及風(fēng)場等信息的采集、顯示和保存地面監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

2.1飛行數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

飛行狀態(tài)信息是通過機(jī)載北斗GPS模塊獲取有效信息，在機(jī)載控制器中解算分析出飛行高度和速度等信息，通過無線數(shù)傳電臺(tái)傳回地面監(jiān)控系統(tǒng)。該地面監(jiān)控系統(tǒng)中的飛行數(shù)據(jù)采集模塊需要調(diào)用LabVIEW中VISA Configure Serial Port模塊完成串口參數(shù)設(shè)置，其中包括串口資源的分配、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位、波特率等。模塊初始化正常，即可使用這個(gè)串口進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)接收[4]。具體模塊程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2風(fēng)場數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

風(fēng)場信息通過地面風(fēng)場采集傳感系統(tǒng)解析出X軸、Y軸、Z軸的風(fēng)速，通過ZigBee收發(fā)

模塊將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳回地面監(jiān)控系統(tǒng)中。該部分分批讀取接收緩沖區(qū)，在某些特殊情況下需要使用VISA Set I/O Buffer Size設(shè)置串口接收/發(fā)送緩沖區(qū)的大小，而使用VISA Flush I/O Buffer則可以清空接收與發(fā)送緩沖區(qū)。具體模塊程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.3流量控制模塊設(shè)計(jì)

流量控制模塊主要將PWM占空比、頻率等流量控制數(shù)據(jù)傳輸回?zé)o人機(jī)的變量噴灑控制模塊中。同時(shí)，機(jī)載流量傳感器采集實(shí)際流量信息并通過無線數(shù)傳電臺(tái)傳回地面監(jiān)控系統(tǒng)，所有解析工作在機(jī)載控制器中完成。地面監(jiān)控系統(tǒng)中的流量模塊發(fā)送數(shù)據(jù)使用VISA Write，接收數(shù)據(jù)則使用VISA Read。在接收數(shù)據(jù)前，需要使用VISA Bytes at Serial Port查詢當(dāng)前串口接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。如果VISA Read要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，VISA Read操作將一直等待，直至Timeout或者緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)。具體模塊程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.4PC地面監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

PC地面監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖6所示。界面主要分為4個(gè)部分：①北斗GPS定位信息顯示界面。打開串口后，接收定位數(shù)據(jù)后上方會(huì)顯示定位時(shí)刻、緯度、經(jīng)度、天線大地高、速度。②風(fēng)場數(shù)據(jù)顯示界面。打開串口后接收數(shù)據(jù)可顯示X軸、Y軸、Z軸3個(gè)軸的風(fēng)速信息。③流量數(shù)據(jù)顯示界面。完成流量數(shù)據(jù)顯示、調(diào)節(jié)PWM占空比、調(diào)頻率等功能。④分別以圖形形式顯示風(fēng)速和流量的數(shù)據(jù)變化，便于使用者觀察變化規(guī)律并指導(dǎo)流量參數(shù)的調(diào)整。

3Android監(jiān)控客戶端設(shè)計(jì)

為了在作業(yè)現(xiàn)場更方便地查看和控制田間作業(yè)信息，采用HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)地面PC監(jiān)控系統(tǒng)與安卓手機(jī)之間的通信，HC-05模塊是ALIENTEK的一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以方便地與手機(jī)進(jìn)行連接，使用非常靈活、方便[5]。

手機(jī)客戶端負(fù)責(zé)將通過藍(lán)牙模塊接收到的數(shù)據(jù)以數(shù)字、曲線等形式在APP界面上顯示出來，實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)飛行狀態(tài)、風(fēng)場信息及流量信息，并根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)無人機(jī)噴灑流量（主要是PWM占空比）進(jìn)行調(diào)控等工作。手機(jī)端功能模塊框架如圖7所示。

Android Studio是Google公司專門為Android推出的開發(fā)工具，用于開發(fā)和調(diào)試。與其他開發(fā)工具相比，Android Studio速度更快、用戶界面更漂亮、更加智能和完善。基于

Android Studio所開發(fā)的手機(jī)端流量監(jiān)控APP的界面[6]如圖

4系統(tǒng)調(diào)試

筆者對(duì)植保無人機(jī)在進(jìn)行變量噴灑過程中的地面監(jiān)控

系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括PC機(jī)端和手

圖10地面監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試

Fig.10Ground monitoring systems debugging

機(jī)端2個(gè)部分，這2個(gè)部分在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，如圖10所示。

調(diào)試試驗(yàn)表明，采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)PC中的變量噴灑地面監(jiān)控系統(tǒng)以及通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)的基于Android平臺(tái)的手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在噴灑過程中可以實(shí)現(xiàn)噴灑流量的在線調(diào)節(jié)以及實(shí)際流量、植保無人機(jī)飛行參數(shù)和地面監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)場數(shù)據(jù)等信息的遠(yuǎn)程采集和存儲(chǔ)功能，該系統(tǒng)運(yùn)行良好、功能實(shí)用、操作簡單，能基本滿足變量噴灑地面監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 婁尚易，薛新宇，顧偉，等.農(nóng)用植保無人機(jī)的研究現(xiàn)狀及趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（12）：1-6.

[2] 楊帥，王國賓，楊代斌，等.無人機(jī)低空噴施苯氧威防治亞洲玉米螟初探[J].中國植保導(dǎo)刊，2015，35（2）：59-62.

[3] 范慶妮.小型無人直升機(jī)農(nóng)藥霧化系統(tǒng)的研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[4] 杜娟，邱曉暉，趙陽，等.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2010，10（3）：7-10.

[5] 李光明，孫英爽，黨小娟.基于安卓的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2016，37（2）：556-560.

[6] 趙卿，葛文超.安阜系統(tǒng)下開發(fā)測量程序的應(yīng)用研究[J].測繪地理信息，2015，40（2）：80-82.