基于物聯(lián)網(wǎng)的新型農(nóng)藥化肥自動(dòng)噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高天學(xué) 曹偉

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.040

摘? 要：文章針對(duì)農(nóng)業(yè)種植中的農(nóng)藥化肥噴灑問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種智能型農(nóng)藥化肥噴灑系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)APP與單片機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了藥物自動(dòng)調(diào)配及化肥自動(dòng)噴灑功能，用戶在手機(jī)APP端輸入土地面積、藥物濃度和化肥類型后系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算需要的藥物、水和化肥量。系統(tǒng)可通過(guò)超聲避障技術(shù)躲避障礙物，噴灑完成后自動(dòng)折疊噴管減小系統(tǒng)整體體積，還可通過(guò)APP控制電子閥門(mén)進(jìn)行施肥均勻度、角度等控制，最后用戶可在APP端實(shí)時(shí)觀察工作效果。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);單片機(jī)控制;農(nóng)藥化肥自動(dòng)噴灑;APP控制

中圖分類號(hào)：TP391;S126? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)中的農(nóng)藥、化肥噴灑技術(shù)也得到了革新^[1]，無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，農(nóng)藥化肥噴灑系統(tǒng)都具有非常高的市場(chǎng)價(jià)值，但市面上的農(nóng)藥化肥噴灑產(chǎn)品功能比較單一，大多數(shù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)出售的噴霧器與撒化肥車只能單一的進(jìn)行噴灑藥物與撒化肥，并且需要人工控制，當(dāng)機(jī)器里裝上化肥或藥物時(shí)，機(jī)器也會(huì)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(jī)器時(shí)非常的不方便。另一種流行的無(wú)人機(jī)打藥也存在一些弊端，不僅需要專業(yè)人員操作而且載重多了飛不起來(lái)，對(duì)于廣大農(nóng)民群眾來(lái)說(shuō)很難使用，所以筆者基于我校山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目提出來(lái)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的新型農(nóng)藥化肥噴灑系統(tǒng)，旨在解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植過(guò)程中的農(nóng)藥化肥一體化作業(yè)問(wèn)題，為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)主要功能是智能式農(nóng)藥化肥噴灑，通過(guò)智能控制與農(nóng)具相結(jié)合，擬設(shè)計(jì)一種智能型農(nóng)藥化肥噴灑車。其主要由：?jiǎn)纹瑱C(jī)、超聲傳感器、壓力泵及噴灑裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、Wi-Fi模塊、手機(jī)APP等組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

首先，系統(tǒng)具有藥物及化肥的自動(dòng)調(diào)配功能，用戶在語(yǔ)音提示下在屏幕上輸入土地面積及藥物、化肥類型，計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算需要的藥物量、水量和化肥量。在噴灑過(guò)程中，系統(tǒng)可通過(guò)超聲波傳感器等實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中尋路避障，判斷是否到達(dá)道路的終點(diǎn)并自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，藥物噴灑完噴管自動(dòng)折疊收納，減小空間便于運(yùn)輸，其次，系統(tǒng)還可將存儲(chǔ)箱中自動(dòng)調(diào)配好的化肥通過(guò)噴灑裝置均勻地灑在土地表面，噴灑密度可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電子閥門(mén)進(jìn)行控制，通過(guò)安裝監(jiān)控設(shè)備，全過(guò)程均可通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)掌握。

2? 理論分析與計(jì)算

2.1? 基于超聲測(cè)距的避障技術(shù)

系統(tǒng)在噴灑作業(yè)過(guò)程中采用了超聲避障的方法來(lái)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(tīng)不到，可以廣泛地用于測(cè)距避障等方面^[2]。超聲波發(fā)射裝置發(fā)射出超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)從障礙物表面反射回來(lái)，由超聲波接收裝置接收。已知超聲波的速度，通過(guò)計(jì)算就可以得出障礙物的距離。其計(jì)算公式為：

式中t為超聲波從發(fā)送到接受的時(shí)間，s為超聲波發(fā)射裝置到障礙物的距離，當(dāng)單片機(jī)計(jì)算出距離小于某個(gè)值時(shí)則判斷為有障礙物，則會(huì)調(diào)用運(yùn)動(dòng)算法程序予以躲避。

2.2? 農(nóng)藥自動(dòng)調(diào)配技術(shù)

在農(nóng)藥的調(diào)配功能方面，考慮到用戶文化程度等實(shí)際，采用了語(yǔ)音提醒技術(shù)及APP控制技術(shù)來(lái)輔助用戶對(duì)藥物濃度的智能控制，用戶只需要將要噴灑藥物倒入儲(chǔ)藥倉(cāng)，并把所需稀釋的濃度信息、原藥濃度、藥液質(zhì)量輸入APP端，由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算所需藥物及清水的質(zhì)量并自動(dòng)抽取藥物及清水，由稱重模塊實(shí)時(shí)采集藥物及清水的抽取重量，最后經(jīng)攪拌裝置進(jìn)行充分?jǐn)嚢鑱?lái)達(dá)到用戶所需濃度的藥物調(diào)配。其遵循的理論計(jì)算公式為：

2.3? 基于PWM技術(shù)的高壓霧化及化肥均勻度控制技術(shù)

在農(nóng)藥的噴灑過(guò)程中，霧化狀態(tài)的農(nóng)藥是最理想的效果，可充分保護(hù)農(nóng)作物的枝葉不被腐蝕傷害且可進(jìn)行大面積的噴灑作業(yè)來(lái)殺死害蟲(chóng)，該系統(tǒng)在農(nóng)藥?kù)F化功能方面采用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)控制隔膜泵功率來(lái)對(duì)水壓進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)不同的霧化效果。

在化肥的噴灑功能上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高效的旋轉(zhuǎn)噴灑裝置，其主要采用大功率可調(diào)速直流電機(jī)作為噴灑裝置的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，在該裝置的化肥進(jìn)口處設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)大小功能，可實(shí)現(xiàn)化肥噴灑量的實(shí)施控制，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的PWM信號(hào)來(lái)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且對(duì)化肥噴灑濃度進(jìn)行調(diào)控。

2.4? 基于Wi-Fi的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

系統(tǒng)在噴灑作業(yè)過(guò)程中，用戶可在手機(jī)APP端觀測(cè)噴灑效果，主要是通過(guò)安裝的監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)采集環(huán)境照片并通過(guò)Wi-Fi模塊將圖像數(shù)據(jù)回傳給用戶手機(jī)端。Wi-Fi無(wú)線通信模塊也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，負(fù)責(zé)上位機(jī)和下位機(jī)之間數(shù)據(jù)的上報(bào)和下發(fā)^[3]，本系統(tǒng)采用業(yè)內(nèi)常用的ESP8266無(wú)線通信模塊，這是一款超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，擁有業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)^[4]，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，可以進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，適用于長(zhǎng)距離的無(wú)線通信，因而實(shí)現(xiàn)APP對(duì)本系統(tǒng)功能的遠(yuǎn)程控制，如前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、噴灑、監(jiān)控視頻傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3? 硬件電路與軟件設(shè)計(jì)

3.1? 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制模塊采用了STM32F4單片機(jī)^[5]，用其來(lái)完成農(nóng)藥配比計(jì)算、智能避障、化肥農(nóng)藥噴灑、支架折疊、語(yǔ)音提醒、效果監(jiān)測(cè)等功能。根據(jù)實(shí)際需求使用12 V大功率隔膜泵來(lái)實(shí)現(xiàn)藥液的霧化控制，以180度高精度舵機(jī)來(lái)控制化肥噴灑裝置的噴灑角度及噴灑均勻度，加入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1115（15位精度）和壓力傳感器設(shè)計(jì)了高精度稱重模塊^[6-8]，無(wú)線傳輸系統(tǒng)采用ESP8266模塊，該模塊波特率最高可達(dá)921 600比特每秒，確保信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸和穩(wěn)定運(yùn)行^[5]，語(yǔ)音提醒模塊采用ISD1820語(yǔ)言播報(bào)模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶進(jìn)行語(yǔ)音式指導(dǎo)，比如“請(qǐng)檢查儲(chǔ)藥倉(cāng)是否充足”、“請(qǐng)將抽水管放置于充足水源中”。最后，系統(tǒng)使用了多塊大容量12 V可充電式鉛酸電池為系統(tǒng)供電，并加入了5 V、3.3 V直流穩(wěn)壓模塊來(lái)對(duì)單片機(jī)、隔膜水泵及舵機(jī)等模塊供電^[9]，在搭建完成基本電路加入了充電過(guò)沖保護(hù)模塊和開(kāi)機(jī)鎖等功能^[5，10]。

3.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序開(kāi)始后單片機(jī)會(huì)啟動(dòng)系統(tǒng)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(fù)位程序、語(yǔ)音播報(bào)程序后實(shí)時(shí)調(diào)用Wi-Fi模塊讀寫(xiě)函數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，當(dāng)檢測(cè)出APP端發(fā)來(lái)的濃度調(diào)配及運(yùn)行指令后，會(huì)根據(jù)指令包中的功能標(biāo)志字符來(lái)區(qū)分用戶需求^[3]，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥調(diào)配及噴灑、化肥噴灑等功能的分類執(zhí)行。使用卡爾曼濾波對(duì)超聲波模塊測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行濾波處理，得到穩(wěn)定值后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)處理^[5]，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，以此來(lái)提高該系統(tǒng)在復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境中自動(dòng)作業(yè)過(guò)程中的安全可靠性，用戶控制端如圖2所示，系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

其中濃度計(jì)算與調(diào)配功能全部由手機(jī)端APP完成，其核心程序?yàn)椋?/p>

@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(qǐng)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(qǐng)輸入正確的數(shù)值"，Toast.LENGTH_SHORT）.show（）;

return;

}

}

LoadClick.closeDialog（dialog）;

}

}）;

系統(tǒng)在進(jìn)行農(nóng)藥自動(dòng)調(diào)配時(shí)，使用了壓力傳感器及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來(lái)組成系統(tǒng)的高精度稱重模塊，由于農(nóng)藥的質(zhì)量較輕且壓力傳感器較為敏感，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中較難控制抽取原藥溶液的質(zhì)量，故為其設(shè)計(jì)了基于算數(shù)平均濾波方法的質(zhì)量測(cè)量算法，對(duì)壓力傳感器的返回值進(jìn)行16次采樣，以其算數(shù)平均值作為有效采樣值，該方法對(duì)壓力、流量等具有周期脈沖特點(diǎn)的信號(hào)具有良好的濾波效果，實(shí)驗(yàn)表明采樣次數(shù)越大，濾波效果越理想，但靈敏度會(huì)越低，為便于運(yùn)算，本系統(tǒng)采樣16次取平均，其濾波核心算法為：

函數(shù)功能：算數(shù)平均濾波

入口參數(shù)：農(nóng)藥質(zhì)量參數(shù)m

返回值：理想質(zhì)量值M

int shuzilvbo（ ）

{? ? float m ，M，Sum;

for（i=0;i<16;i++）

{ m=zhiliangjisuan（）;//計(jì)算質(zhì)量函數(shù)

shuzu[i]=m;//存入緩存

Sum+=shuzu[i];//求和運(yùn)算

}? M=Sum/16;//取平均

return M;//返回理想值

}

4? 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

最終該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，化肥噴灑裝置位于正前方且可以遙控旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)噴角，噴藥桿位于后方，可由APP控制打開(kāi)。其下位機(jī)主要包括單片機(jī)計(jì)算中心、運(yùn)動(dòng)模塊、化肥噴灑裝置、農(nóng)藥?kù)F化裝置、超聲避障等模塊，上位機(jī)由自主設(shè)計(jì)的用戶端手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及視頻監(jiān)控，在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，因條件有限，選取5%濃度的84消毒液進(jìn)行了藥物噴灑模擬實(shí)驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)以調(diào)配15千克溶液為例，取部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，整體誤差在千分之五左右。

5? 結(jié)? 論

該系統(tǒng)對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)藥化肥自動(dòng)噴灑技術(shù)進(jìn)行了研究，給出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)及單片機(jī)控制技術(shù)的農(nóng)藥化肥一體化自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了智能控制技術(shù)與農(nóng)機(jī)具的結(jié)合，可使用戶在語(yǔ)音提示下輸入土地面積及藥物、化肥種類后單片機(jī)自動(dòng)計(jì)算需要的藥物及化肥數(shù)量，通過(guò)自動(dòng)抽取藥物及清水或化肥及準(zhǔn)確稱重計(jì)量來(lái)完成自動(dòng)配制并充分?jǐn)嚢琛姙⑾到y(tǒng)行進(jìn)過(guò)程中由超聲波傳來(lái)的信號(hào)判斷是否需要調(diào)整前進(jìn)方向，以及是否到達(dá)道路盡頭，同時(shí)單片機(jī)可控制電子閥門(mén)開(kāi)關(guān)大小改變藥物及化肥的噴灑量，系統(tǒng)在完成工作后，會(huì)自動(dòng)控制折疊支架將藥物噴管收回車內(nèi)，通過(guò)配備監(jiān)控系統(tǒng)，噴灑作業(yè)過(guò)程可由手機(jī)APP全程監(jiān)控。該系統(tǒng)可改變傳統(tǒng)的人工操作方式，實(shí)現(xiàn)了無(wú)須大量人力就可以大面積的自動(dòng)為農(nóng)作物噴灑農(nóng)藥和化肥的目的，節(jié)省了人力。

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作者簡(jiǎn)介：高天學(xué)（1991—），男，漢族，山東濟(jì)南人，講師，碩士研究生，研究方向：電子與通信技術(shù)、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(xiàng)目：2020年山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（S202013857029）;2019年度德州市市級(jí)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目;山東華宇工學(xué)院橫向項(xiàng)目（HY20 21-017）