基于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)病蟲害智能監(jiān)控的自動噴藥機研究

房亞群，谷利芬，張 莉

(1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學院 信息工程系，江蘇 淮安 223003；2.焦作師范高等專科學校 計算機與信息工程學院，河南 焦作 454000；3.武漢晴川學院，武漢 430064)

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基于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)病蟲害智能監(jiān)控的自動噴藥機研究

房亞群1，谷利芬2，張 莉3

(1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學院 信息工程系，江蘇 淮安 223003；2.焦作師范高等專科學校 計算機與信息工程學院，河南 焦作 454000；3.武漢晴川學院，武漢 430064)

為了實現(xiàn)果園大面積自動化噴藥，提高噴藥裝置智能化選擇重點病蟲害果樹目標的能力，基于物聯(lián)網(wǎng)和智能監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計了一種新的果園自動對靶噴藥裝置。利用新式的自動噴藥裝置，可以結(jié)合病蟲害實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，對果樹有選擇性地進行自動噴藥，利用紅外線掃描技術(shù)可以精確地噴藥對靶，采用AT89S52單片機實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的自動化控制。模擬實際果樹噴藥環(huán)境，在實驗室對噴藥裝置的自動對靶功能進行了實驗研究，實驗過程中分別采用了3種不同顏色的標的物。實驗結(jié)果表明：在實驗10m的范圍內(nèi)，智能噴藥裝置可以準確地識別3種顏色的盆栽目標，標準差最大僅為0.12，識別精度和效率較高，為果園自動噴藥裝置的研發(fā)提供了技術(shù)支持。

噴藥裝置；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；自動對靶；實時監(jiān)控

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)具備物聯(lián)網(wǎng)推廣應用規(guī)模化、集約化生產(chǎn)經(jīng)營這一基礎(chǔ)條件，因此是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點應用領(lǐng)域。近年來，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)實施控制和自動化生產(chǎn)作用中應用的范圍越來越廣泛，如病蟲害的檢測和診斷、數(shù)據(jù)的分布式采集及環(huán)境的實時檢測等。其可以對土壤溫度、濕度、和光照需求等因子進行智能分析，采用遠程監(jiān)控和信息發(fā)布等方式，提高農(nóng)業(yè)裝備的智能化和自動化水平，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細化發(fā)展。目前，國內(nèi)自動化噴藥裝置的研究還不多，采用物聯(lián)網(wǎng)和實時監(jiān)控病蟲害研究噴藥裝置的更為罕見，而將該技術(shù)引入到果園噴藥裝置的設(shè)計和研究中，可以帶來巨大的技術(shù)變革，對于噴藥自動化和精準化實施、提高噴藥過程中人員的安全性、降低環(huán)境的污染程度、提高噴藥效率等具有重要的意義。

1 噴藥設(shè)施設(shè)計

為了實現(xiàn)果蔬噴藥的規(guī)模化作業(yè)，必須借助于自動噴藥裝置。背負式的噴藥機已經(jīng)不能完成大田的作業(yè)，其對人員傷害較大，農(nóng)藥的使用效率較低，而采用懸掛式噴藥機可以有效地改變這種狀況。懸掛式噴藥機作業(yè)過程如圖1所示。

圖1 懸掛式噴藥機作業(yè)過程

該裝置使用拖拉機進行了改裝，從而使噴藥面積有所增大，有效地提高了噴藥效果；但是該裝置只適應于大地塊作業(yè)，適應能力弱，自動化程度低，不適用于果樹噴藥作業(yè)。

圖2為華盛中天研制出的一款多懸翼無人噴藥機。該噴藥機的作業(yè)適用范圍較廣，可對各種作物進行大面積噴藥，并配備了GPS系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)飛行的穩(wěn)定性。這種噴藥機操控性好，自動化程度較高，對農(nóng)藥的利用率也較高，減少了勞動力，且對作物的穿透性較好。基于這種裝置的理念，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和實時監(jiān)控的自動噴藥裝置，總體框架如圖3所示。

物聯(lián)網(wǎng)在自動噴藥裝置設(shè)計中的作用主要是對果園環(huán)境進行檢測，實現(xiàn)實時監(jiān)控。其中，環(huán)境參數(shù)主要包括光照、溫度和濕度等，而視頻監(jiān)控主要是對果樹的病蟲害狀況進行實時監(jiān)測。當視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)某個區(qū)域果樹的病蟲害情況嚴重、需要對該區(qū)域進行噴藥時，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信將位置發(fā)送給單片機，單片機確認位置后通過紅外線掃描對果樹進行準確定位，其流程如圖4所示。

圖2 多旋翼無人噴藥機

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的自動噴藥裝置

圖4 自動噴藥機工作流程

工作時，首先通過物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)控測得病蟲害區(qū)域，利用單片機對數(shù)據(jù)進行處理，得到病蟲害較為嚴重的果樹目標區(qū)域；如果識別出目標，則噴藥機進行移動，到達指定地點后，由電磁閥控制對目標區(qū)域進行噴藥，噴藥量的大小可以通過電磁閥進行控制，從而實現(xiàn)了噴藥過程的全自動化控制。

2 智能控制網(wǎng)絡(luò)和硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)噴藥系統(tǒng)的自動化和智能化控制，需要設(shè)計噴藥裝置的核心控制器，其主要功能是通過與物聯(lián)網(wǎng)進行連接，得到病蟲害較為密集的區(qū)域，然后采用紅外線技術(shù)對目標區(qū)域進行定位。本設(shè)計采用自走式噴藥設(shè)備，主要噴藥對象為果樹。信號在核心控制器AT89S52中進行處理之后，將控制信號發(fā)送到噴藥器的執(zhí)行末端，控制電磁閥的開合和流量，對病蟲害集中區(qū)域進行重點施藥。其通信網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計如圖5所示。

圖5 智能噴藥系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)無線通信框架

圖5中，底層采用傳感器設(shè)備對果樹的病蟲害狀況進行采集，然后將數(shù)據(jù)通過節(jié)點路由設(shè)備、利用RS-485通信協(xié)議傳送到遠程上位機，上位機與路由設(shè)備的通信使用GPRS。系統(tǒng)的硬件部分8個模塊，主要包括通信系統(tǒng)模塊、紅外線掃描模塊、時鐘電路、供電模塊、設(shè)備復位模塊、接口測試模塊、步進電機控制模塊、電磁閥模塊和供電電源模塊，總體框架如圖6所示。

紅外線掃描設(shè)備主要對距離進行掃描，通過可變距離開關(guān)，可以將額定測試距離從0cm調(diào)整到1 000cm，為智能自動化噴藥機提供了果樹目標識別的參數(shù)。

圖7為利用紅外線掃描裝置。對重點病蟲害果樹進行掃描識別目標的原理：當自動噴藥裝置接收到網(wǎng)絡(luò)通信病蟲害嚴重的果樹時，利用紅外線裝置對果樹進行自動定位和識別。紅外線掃描設(shè)備使用紅外線發(fā)射和接收裝置來測定果樹的距離，信號利用調(diào)制解調(diào)進行放大，利用單片機實現(xiàn)自動控制功能。其中，自動控制過程的時鐘電路如圖8所示。單片機在進行自動化控制時需要時鐘信號，因為在執(zhí)行自動化控制時，控制系統(tǒng)需要嚴格地按照時序順序執(zhí)行。本研究采用的單片機使用內(nèi)部產(chǎn)生時鐘的方式，并利用XTAL1和XTAL2跨接晶振，C1和C2利用30PF電容進行微調(diào)，單片機和時鐘電路的位置最近，從而避免了在數(shù)據(jù)采集和處理過程中外部環(huán)境的干擾，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 智能噴藥系統(tǒng)硬件模塊

圖7 紅外線掃描果樹識別原理

圖8 控制系統(tǒng)單片機時鐘電路圖

自動化噴藥裝置完成噴藥目標作業(yè)后，需要恢復到工作的初始狀態(tài)，并從這個初始狀態(tài)開始工作。單片機在進行一次作業(yè)后，需要對按鍵、監(jiān)控程序及自動控制系統(tǒng)進行復位，通過電容、電阻和復位按鈕實現(xiàn)復位功能。控制系統(tǒng)的復位電路圖如圖9所示。系統(tǒng)開始工作后，電路中開始有電，VCC電壓從0變成特定數(shù)值，并且在RESET端具有24個震蕩周期的高電平；將該點接地，RESET端的電平由高變低，從1變?yōu)?，從而實現(xiàn)了噴藥裝置單片機的復位。

圖9 控制系統(tǒng)單片機復位電路

3 智能識別的自動噴藥裝置實驗

本文的智能自動化噴藥裝置在果樹上設(shè)置傳感器，并且安裝攝像頭，以實現(xiàn)病蟲害數(shù)據(jù)的實時收集，通過系統(tǒng)通信將病蟲害數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)庫，由專家對病蟲害做出診斷，通過診斷得到病蟲害比較密集的果樹，其框架結(jié)構(gòu)如圖10所示。利用物聯(lián)網(wǎng)通信可以實現(xiàn)病蟲害的實時監(jiān)控，本實驗選用紅外線傳感器來監(jiān)測待噴藥目標果樹。根據(jù)果樹噴藥作業(yè)的實際環(huán)境，選擇漫反射紅外線開關(guān)，在監(jiān)測到待噴藥目標果樹時，紅外線發(fā)射器可以發(fā)射出足夠的光線，光電開關(guān)產(chǎn)生信號。實驗方案如圖11所示。

圖10 基于物聯(lián)網(wǎng)的病蟲害識別

圖11 實驗方案示意圖

進行實驗時，將紅外線固定在一個位置，然后將裝置的電位器旋鈕進行旋轉(zhuǎn)，從而得到最大的額定監(jiān)測距離。使用3種不同顏色的物體作為監(jiān)測對象，得到了如表1所示的實驗結(jié)果。

表1 智能噴藥裝置目標識別實驗結(jié)果

Table 1 The experimental results of intelligent spraying device for target recognition m

測試編號白色盆栽距離紅色盆栽距離綠色盆栽距離110．1110．0510．01210．2210．1310．0339．9110．069．98410．039．969．99510．259．989．97標準差0．120．050．06

結(jié)果表明：實驗10m的范圍內(nèi)，智能噴藥裝置可以準確的識別3種顏色的盆栽目標，標準差最大僅為0.12。當噴藥裝置以1m/s的速度行進時，只要系統(tǒng)的延時小于或者等于目標寬度時，便可以準確地識別目標，其識別的精度和延時有關(guān)。因此，在設(shè)計智能噴藥裝置時，需要充分考慮系統(tǒng)的控制精度，以提高目標識別的準確性。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種新式的智能化自主噴藥裝置。該裝置利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將自動化噴藥裝置和實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來，建立了裝置的無線通信網(wǎng)絡(luò)，并采用AT89S52 單片機完成了整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計，利用紅外線掃描裝置實現(xiàn)了待噴藥果樹目標的智能識別。對裝置進行了目標識別的實驗，結(jié)果表明：在通信系統(tǒng)給出目標位置后，自動噴藥裝置可以有效地識別3種顏色的盆栽物，識別效率和識別準確率都較高。采用智能化自動噴藥裝置，改變了長期以來傳統(tǒng)的人工噴藥方式，有效地提高了噴藥過程中人員的安全性，對于提高噴藥效率和實現(xiàn)精準化噴藥都具有重要的意義。

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Abstract： g, selectivity of fruit trees for automatic spray, the infrared scanning technique can achieve precise spraying on target, using AT89S52 SCM to realize the automatic control of the whole system. Simulate the actual spraying fruit trees environment and in Laboratory of pesticide spraying device automatic and the experimental study is carried out on the target function, the respectively by the three kinds of different colors of the subject matter, it can be seen from the experimental results, within the range of experimental 10m, intelligent spraying device can be accurate knowledge in three different colors of potted target, the standard difference maximum is only 0.12, recognition accuracy and higher efficiency, for the development of orchard automatic spray device, which provides technical support.

ID:1003-188X(2017)08-0224-EA

Research on Automatic Spraying Machine for Intelligent Monitoring of Agricultural Pests and Diseases Based on Internet of Things

Fang Yaqun1, Gu Lifen2, Zhang Li3

(1.Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College,Huai’an 223003,China; 2.School of Computer and Information Engineering,Jiaozuo Teachers College,Jiaozuo 454000, China;3.Wuhan Qingchuan College,Wuhan 430064, China)

spraying device; networking technology; automatic target detection; real-time monitoring

2016-07-06

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新項目(CX(16)60732)

房亞群(1981-)，女，江蘇宿遷人，講師，碩士。

張 莉(1978-)，女，武漢人，碩士，講師，(E-mail)xiongfangzi1981@sina.com。

S491；TP277

A

1003-188X(2017)08-0224-04