基于STM32F103的遙控自走式噴藥系統設計及應用

劉建龍，余 剛，孟力力，柳 軍

(江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所，江蘇南京 210014)

近年來我國設施農業發展迅速，設施農業面積與產品產量均穩居世界首位。與傳統農業相比，設施農業的農藥使用次數多、使用量大，農產品的農藥殘留嚴重。因此采用先進的控制技術研制和開發新型設施內專用施藥裝備，對于提高農藥使用效率、最大程度減少農藥殘留和環境污染、提高現代農業發展的經濟效益、社會效益和環境效益具有重大意義[1-4]。

目前發達國家應用于農業設施的植保機械基本實現了產品的市場化和品種的系列化，但這些系統造價普遍偏高，在我國還難以普及推廣。背負式手動噴霧機是我國溫室內的主要施藥機具，存在噴霧質量差、噴霧不均勻、操作者與農藥直接接觸等問題[5-7]。

農業設施大棚空間密閉、高溫高濕，人工植保噴藥時會對人體造成很大傷害[8-9]，為解決這一問題，本研究將機械設計、氣壓技術、電氣控制與自走噴藥技術集成應用到農業植保機械上，設計一種用于設施大棚栽培的遙控自走式噴藥系統，該系統通過遠程無線遙控控制噴藥系統的運行，從而實現系統的精準施藥。

1 系統總體方案設計

遙控自走式噴藥系統主要由軌道系統、遙控行走器、噴藥系統等3部分組成。在設施大棚內架設鋼絲纜繩及支撐結構，將行走機構懸掛在鋼絲軌道上并通過行走電機驅動行走，噴藥組件位于行走機構下部。系統選用單片機作為核心控制器，實現各個功能模塊的互聯協作。噴藥系統采用噴藥泵為動力，噴桿采用伸縮式單點吊掛平衡機構，加裝多個噴頭，噴藥寬度可以根據植株寬度的不同而隨意調節，每個噴頭單獨設置開關，從而實現噴灑過程中的藥量控制。系統開始工作后，無線遙控器將預處理信息(主要包括裝置的啟停、前進、后退、加速、減速)發送給單片機，單片機對信息進行處理并控制執行機構進行相應動作，同時將接收到的指令進行語音播報以確保指令準確有效，當操作者進行大棚作業時只需通過遙控器操作即可實現藥劑的自走式噴灑，在不侵占大棚種植面積的前提下實現農藥的噴灑。該裝置噴灑均勻、效果顯著，噴頭防滴漏節約用水，折疊式結構設計便于安裝，全自動往復運行，在很大程度上提高了生產效率，同時減少藥物對人體的傷害、降低勞動強度。系統結構示意如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

遙控自走式噴藥系統的控制器是系統控制的核心，整個硬件電路包括音頻播報模塊、無線遙控模塊、電機驅動模塊、電源模塊等。系統選用STM32F103增強型單片機作為自動噴藥系統的微控制器。

STM32F103處理器的最小系統電路原理如圖2所示。

2.1 無線遙控系統

系統選用的是超再生無線接收模塊，它通過天線接收到無線電信號后，首先對信號進行濾波，濾除噪聲信號，再對信號進行放大，從而得到所需要的無線信號。其中解碼芯片選用的是SC2272-M4瞬態型、4位數據輸出無線接收芯片，是與SC2260-R4/SC2262配對使用的一款無線遙控解碼集成電路。遙控器發出的指令信號由傳輸芯片傳給單片機，單片機進一步控制電機轉動，從而達到噴藥裝置自動運行的效果。

SC2272-M4的A0～A7端是芯片的地址碼設置端口，只有當接收端的地址碼和發射端的地址碼設置完全相同時，輸出端才有輸出信號；SC2272-M4可對從Din接收的串行信號進行解碼。單片機電路采用STM32來實現對輸入信號的處理和開關電路的控制。STM32的PC6～PC9端作為數據輸入端口，分別和解碼芯片SC2272-M4的數據輸出D3～D0端連接；PC10、PC11、PC12與電機驅動電路連接，傳送從單片機輸出的脈沖寬度調制(pulse width modulation，簡稱PWM)波或控制指令到電機驅動系統，進一步實現對直流電機的啟動、停止、加速、減速控制。SC2272-M4與STM32的電路連接原理如圖3所示。

2.2 語音播報系統

為更好地實現人機交互，充分利用單片機的資源，在按下遙控器按鍵后，裝置在執行相應的動作前進行語音播報，以提醒操作者確認當前動作是否正確；同時在調整運行速度過程中進行語音播報，提示當前裝置的運行速度。本系統選用的是MP3-FLASH-16P語音模塊(帶串口)，很好地集成了MP3等音頻格式文件(WAV)的硬解碼，同時支持工業級的串口通信協議，以串行外圍接口設備(SPI)存儲器作為存儲介質，該模塊可降低成本，同時增加產品的穩定性。另外該模塊集成了3 W的功放，直接外接喇叭即可實現音頻播報，模塊支持10段語音的指定觸發播放。語音播報模塊與單片機電路連接示意如圖4所示。

首先使用科大訊飛語音軟件把要表達的信息由文字變為音頻文件；其次對得到的音頻文件進行修飾，比如音量的大小、語速的快慢等；然后將音頻文件壓縮下載到MP3-FLASH-16P語音模塊中。語音模塊等待由STM32接收無線遙控器發出的觸發信號，根據讀取的信息判斷要播放的是哪段音頻文件；然后從存儲單元中找到相應的存儲地址，開始讀取數據并在通過揚聲器時把數字文件還原為語音。

2.3 PWM調速系統

系統利用STM32的定時器PWM模式產生所需要的PWM波。電機的轉速與電機兩端的電壓成正比，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比。

使用單片機控制電機轉動的接線方法如圖5所示，電機驅動板接電源+3.3 V，單片機的電源與驅動板控制信號電源應共地。驅動模塊的ENA與單片機的PWM波輸出端口相連，對電機進行調速；模塊引腳IN1和IN2與單片機的2個IO口相連控制電機正反轉及剎車。

2.4 電源設計

系統采用聚合物鋰電池作為電源儲能元件，它以鈷酸鋰材料為正極，碳材料為負極，電解質采用固態或凝膠態有機導電膜組成，并采用鋁塑膜做外包裝。聚合物鋰電池具有高能量密度、小型化、薄型化、輕量化、高安全性及低成本的特點；同時無有毒元素，不會對環境造成污染。

由圖6可知，過充電控制管FET2和過放電控制管FET1串聯于電路中，由保護集成電路(integrated circuit，簡稱IC)監視電池電壓并進行控制，當電池電壓上升至4.20 V時，過充電保護管FET1截止，停止充電。當電池處于放電狀態下，電池電壓降至2.55 V時，過放電控制管FET1截止，停止向負載供電。

3 系統執行機構設計

3.1 軌道系統

行走軌道主要由鋼絲繩、鎖緊器、支撐架組成，根據設施大棚的鋼架結構架設鋼絲軌道，鋼絲軌道穿透大棚側墻，并通過錨索植入地面，以增加抗拉強度，同時每隔4～5 m安裝1個支撐架，對鋼絲軌道進一步加固以減小裝置的“爬坡”阻力，同時增加裝置在軌道上的支撐力，使鋼絲軌道在受拉的情況下還能保持水平，從而使行走機構可以在鋼絲繩上平穩行走工作。

3.2 行走機構

帶有驅動電機的同步輪安裝在裝置上半部分，并與行走輪固定安裝，整個行走機構懸掛在鋼絲軌道上運行；電氣控制盒和藥桶安裝在機架中央部位，藥桶通過高壓軟管與噴藥裝置相連，遙控器設置多個操作按鍵，用戶可根據需求發送相應指令，控制系統接收遙控器指令信號并控制執行機構動作，可實現裝置的開啟、關閉、正向、反向、加速、減速等，且行走速度設置多個等級供操作者選擇。行走機構自支撐桿設有調節旋鈕，可以上下調節底部噴藥系統的高度，以適應不同生長時期植株高度的需要。

3.3 噴藥系統

噴藥系統主要由噴藥泵、噴桿、噴頭、噴藥管等組成。在機架下方安裝有可自動伸展折疊的噴藥裝置，噴藥系統選用噴藥泵為動力設備，噴桿采用伸縮折疊式單點吊掛平衡機構，噴桿加裝多個噴頭，噴藥寬度可以根據植株寬度的不同而隨意調節，每個噴頭單獨設置開關，以實現噴灑過程中的藥量控制。

4 系統軟件設計

根據噴藥系統的作業要求，控制系統須實現以下功能：單片機檢測到遙控器發來的指令信號時，能夠及時響應并控制直流電機的運行，同時伴隨語音播報進行確認。系統程序包括初始化主程序與中斷子程序以及計時器程序。本研究采用Keil軟件集成開發平臺完成控制系統軟件設計。主程序流程如圖7所示。

單片機STM32F103收到的信息指令分別是工作/停止指令、正轉/反轉指令、加速/減速指令。收到遙控信息后，先根據第1個指令判斷裝置電機是否運行，再根據電機正反轉指令控制電機驅動模塊引腳的置位或復位，通過改變PWM波的占空比進行調速，過載時進行停機保護控制并發出報警信號，并將報警信號回傳給語音播報模塊進行提醒確認。

5 系統調試及試驗

將裝配好的自動噴藥裝置掛在鋼絲繩軌道上，系統在大棚內的安裝調試如圖8所示。大棚的基本參數為長度50 m，跨度8 m，脊高2.8 m，肩高1.2 m；噴頭數量為6個；噴藥系統離地高度為0.5 m。測試環境參數如表1所示，主要的試驗內容包括系統性能測試(表2)和行走穩定性測試(表3)。對控制系統的測試采用極限條件下的使用試驗來實現，對行走速度的測試采用計時秒表和測量米尺來進行。

表1 測試環境

6 結論

采用遙控自走式噴藥系統進行精準施藥可以有效地解決病害問題，并在降低農藥環境壓力、節約農藥用量的同時減輕農民的負擔，減少農藥對人體的傷害，可將農藥科學、經濟、安全、高效地噴灑到作物上，提高農藥的有效利用率，減少設施大棚內的空氣和環境污染[10-12]。同時還可以在設施大棚生產中把農藥的藥效發揮到最大，取得較好的經濟效益和社會效益。另外該裝置還可以用來進行噴水灌溉，適合在設施農業中進行大面積推廣。

表2 系統性能測試

表3 行走穩定性測試

[1]羅錫文，廖 娟，胡 煉，等.提高農業機械化水平促進農業可持續發展[J].農業工程學報，2016，32(1)：1-11.

[2]劉豐樂，張曉輝，馬偉偉，等.國外大型植保機械及施藥技術發展現狀[J].農機化研究，2010，32(3)：246-248，252.

[3]徐希春，初 江，高曉惠.設施農業的發展分析[J].農機化研究，2008，35(8)：237-240.

[4]鄧 敏，邢子輝，李 衛.我國施藥技術和施藥機械的現狀及問題[J].農機化研究，2014(5)：235-238.

[5]陳來榮，冀榮華，趙亞青，等.溫室無人自動噴霧系統設計[J].湖北農業科學，2011，50(3)：587-589.

[6]梅銀成，祁力鈞，冀榮華，等.溫室自走式彌霧機遠程控制系統的設計與實驗[J].中國農業大學學報，2015，20(1)：170-175.

[7]馮德育，孫華琴，洪 桂.淺析江蘇植保機械化發展技術方向[J].農業科技與信息，2016(14)：31，33.

[8]鄭文靜，么鴻雁，劉劍君.溫室環境對作業人員健康危害的研究進展[J].中國預防醫學雜志，2011，12(3)：295-297.

[9]吳 曼，李 響，馬康貧，等.江蘇現代農業發展的現狀分析與對策思考[J].天津農業科學，2016，22(7)：52-57.

[10]李玉同.淺談高效植保機械化裝備與技術[J].農業裝備技術，2013，39(6)：8-9.

[11]彭 彬，羅東威，王 樨.遙控飛行植保機械化技術的對比驗證分析[J].現代農業裝備，2016(2)：55-58，62.

[12]劉雪美，李 揚，李 明，等.噴桿噴霧機精確對靶施藥系統設計與試驗[J].農業機械學報，2016，47(3)：37-44.