一種基于超聲波的葡萄園智能噴霧控制系統(tǒng)的研究

黃吉武

摘 要：本文介紹一種基于超聲波的葡萄園智能噴霧控制系統(tǒng)，能自動完成距離測控，智能噴霧，實時監(jiān)測等，可實現(xiàn)噴霧過程的自動化。本系統(tǒng)分別從硬件和軟件兩大部分進行設計構建，硬件上基于單片機為核心的電路和車載平臺，軟件上基于增量式PID控制算法的控制算法，適用葡萄園不同特征變量的植株的高效節(jié)約的噴霧。

關鍵詞：智能噴霧；單片機；增量式PID控制算法；高效節(jié)約的噴霧

農(nóng)作物的灌溉和噴霧技術在當代中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。與一些發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)的自控噴霧效率還是相當?shù)偷?，資源浪費相當嚴重。大部分地區(qū)還是采用傳統(tǒng)的人工噴霧或效率不高的機械噴霧，不能很好的實現(xiàn)農(nóng)藥的有效利用。目前我國噴藥利用率只有40%左右，而發(fā)達國家的噴藥利用率可達到80%-90%，如果采用先進的灌溉技術，將我國的噴藥利用率提高到60%一70%，這樣可以很大程度上節(jié)省了很多的農(nóng)藥和水資源。以農(nóng)藥和水源的可持續(xù)利用促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

一、葡萄園智能噴霧車載平臺結構

本系統(tǒng)運行的車載平臺部分設計如圖1。整個噴霧平臺是安建于一個小型農(nóng)用四驅車上。核心部分為該系統(tǒng)的心臟-噴霧控制器，噴桿上每隔50cm裝一個超聲波檢測器及相應的安裝一個霧化噴頭，采用了四路采集葡萄植株的特征變量（高度，行距），三路采集反饋信號（噴霧流量，噴速，水壓），四路霧化噴水對目標葡萄植株進行高效節(jié)約穩(wěn)定的噴霧。另外包括了噴霧底座、水泵水箱一體機及其他支撐平臺的合理設計，讓整個系統(tǒng)和結構都能穩(wěn)定高效的運行和工作。

二、葡萄園智能噴霧控制系統(tǒng)的原理

本系統(tǒng)的控制原理如圖2示。四路超聲波傳感器采集到目標植株的特征變量并將數(shù)據(jù)傳送到從機MCU即信號采集單元，從機MCU再將數(shù)據(jù)進行濾波降噪等處理后經(jīng)過RS485通訊傳送到主機MCU即邏輯與算法執(zhí)行單元。主機MCU通過邏輯判斷和算法分析之后，調整車載平臺的姿態(tài)和四路電磁水閥的開通狀態(tài)，對目標植株的有效部位進行智能噴霧，同時三路反饋傳感器采集噴霧的流量，水速和壓力等狀態(tài)，并將反饋信號反饋回從機MCU，從而智能地控制水閥的工作狀態(tài)，合理地調節(jié)噴霧的水量和水速，達到節(jié)約資源的效果。

三、算法和邏輯的程序實現(xiàn)

1.數(shù)據(jù)采集和處理

本系統(tǒng)所采用的超聲波傳感器和三路反饋傳感器的數(shù)據(jù)存在很大的雜波和溫飄問題，只有經(jīng)過濾波降噪處理才能準確的測量和利用。本系統(tǒng)針對傳感器數(shù)據(jù)的處理采用了滑動平均濾波法?；瑒悠骄鶠V波法又稱遞推平均濾波法，程序實現(xiàn)如下：連續(xù)取 N 個采樣值看成一個循環(huán)隊列，隊列的長度固定為 N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)（先進先出原則），濾波器每次輸出的數(shù)據(jù)總是當前隊列中的 N 個數(shù)據(jù)的算術平均值。該辦法適用于高頻振蕩的系統(tǒng)，對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。

2.系統(tǒng)的邏輯判斷

噴桿上每隔50cm安裝一個超聲波檢測器，對目標植株不同高度部位進行檢測，識別出噴霧有效部位，例如當頂層的超聲波檢測器采集到距離前方植株的距離為50cm，即默認為植株高為2cm，則應該開啟最頂層的電磁水閥對該植株進行噴霧。

3.系統(tǒng)控制算法

本系統(tǒng)采用的智能控制算法為增量式的PID反饋控制算法。增量式PID控制，數(shù)字PID控制算法的一種基本形式，是通過對控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）進行PID控制的一種控制算法。增量式PID控制根據(jù)位置式PID控制公式，寫出n-1時刻的控制量：

具體而言，設置水閥的一個初始閾值M0，水閥的當前實時值為M1，歷史值為M2，則n-1刻的誤差增量為e[n-1]=（M1-M0），歷史n-2時刻誤差e[n-2]=（M2-M0）；分別對比例，微分，積分的參數(shù)進行整定，使出水閥的控制狀態(tài)穩(wěn)定在初始閾值M0.注意這里的實時值和歷史值均由反饋傳感器采集而得。

四、系統(tǒng)最終達到的理想效果

A.超聲波能快速精準識別目標植株的特征（高度，位置）；

B.車載平臺可以行使到剛好距離目標植株50cm的正中央處；

C.4路電磁閥可以根據(jù)對應超聲波識別的結果靈活的開閉；

D.觸摸屏可以實時顯示當前系統(tǒng)運行的各種狀態(tài)，包括噴水狀態(tài)，車載平臺的姿態(tài)，以及各路傳感器的數(shù)據(jù)等。

通過流量，速度，壓力三者反饋的信號，主機MCU可以快速穩(wěn)定的控制電磁閥的狀態(tài)，控制出水量和噴水速度。

E.噴霧時間可以自定義，但不宜過長和過短。超過噴霧時間可以馬上關閉電磁閥。

F.實現(xiàn)觸摸屏與MCU的雙向通信。用戶可以直接通過觸摸屏直接在平臺上調試和操作。也可以在觸摸屏看到基本的數(shù)據(jù)和信息。

五、結語

該葡萄園噴霧智能控制系統(tǒng)屬于農(nóng)業(yè)噴灌自控領域的一種智能系統(tǒng)。通過車載平臺的運行支持，嚴謹?shù)倪壿嬇袛?，可靠的核心算法，以及穩(wěn)定的電源電路組成的整個基于超聲波的葡萄園智能噴霧控制系統(tǒng)，彌補了我國噴灌技術的不足，有效的提高了噴霧的效率和速度，并且節(jié)約了寶貴的資源，是具有強大潛力和美好前景的一種系統(tǒng)。

參考文獻：

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[2] 胡壽松.自動控制原理（第六版）：科學出版社，2013.

[3] 王勁松等.智能噴藥系統(tǒng)的設計.中國科技論文在線，2009.

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