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

高天學(xué) 曹偉

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.040

摘? 要：文章針對農(nóng)業(yè)種植中的農(nóng)藥化肥噴灑問題設(shè)計了一種智能型農(nóng)藥化肥噴灑系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過手機(jī)APP與單片機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了藥物自動調(diào)配及化肥自動噴灑功能，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)將自動計算需要的藥物、水和化肥量。系統(tǒng)可通過超聲避障技術(shù)躲避障礙物，噴灑完成后自動折疊噴管減小系統(tǒng)整體體積，還可通過APP控制電子閥門進(jìn)行施肥均勻度、角度等控制，最后用戶可在APP端實時觀察工作效果。

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

中圖分類號：TP391;S126? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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]，無論是在國內(nèi)還是國外，農(nóng)藥化肥噴灑系統(tǒng)都具有非常高的市場價值，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，機(jī)器也會變得非常的沉重，背在身上非常重，身體或腿腳不便的人使用這種機(jī)器時非常的不方便。另一種流行的無人機(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，對于廣大農(nóng)民群眾來說很難使用，所以筆者基于我校山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目提出來一種基于物聯(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)種植過程中的農(nóng)藥化肥一體化作業(yè)問題，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)主要功能是智能式農(nóng)藥化肥噴灑，通過智能控制與農(nóng)具相結(jié)合，擬設(shè)計一種智能型農(nóng)藥化肥噴灑車。其主要由：單片機(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調(diào)配功能，用戶在語音提示下在屏幕上輸入土地面積及藥物、化肥類型，計算機(jī)自動計算需要的藥物量、水量和化肥量。在噴灑過程中，系統(tǒng)可通過超聲波傳感器等實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中尋路避障，判斷是否到達(dá)道路的終點并自動進(jìn)行轉(zhuǎn)向，藥物噴灑完噴管自動折疊收納，減小空間便于運(yùn)輸，其次，系統(tǒng)還可將存儲箱中自動調(diào)配好的化肥通過噴灑裝置均勻地灑在土地表面，噴灑密度可通過計算機(jī)控制電子閥門進(jìn)行控制，通過安裝監(jiān)控設(shè)備，全過程均可通過手機(jī)APP實時掌握。

2? 理論分析與計算

2.1? 基于超聲測距的避障技術(shù)

系統(tǒng)在噴灑作業(yè)過程中采用了超聲避障的方法來躲避障礙物，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，而且人耳聽不到，可以廣泛地用于測距避障等方面^[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會從障礙物表面反射回來，由超聲波接收裝置接收。已知超聲波的速度，通過計算就可以得出障礙物的距離。其計算公式為：

式中t為超聲波從發(fā)送到接受的時間，s為超聲波發(fā)射裝置到障礙物的距離，當(dāng)單片機(jī)計算出距離小于某個值時則判斷為有障礙物，則會調(diào)用運(yùn)動算法程序予以躲避。

2.2? 農(nóng)藥自動調(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際，采用了語音提醒技術(shù)及APP控制技術(shù)來輔助用戶對藥物濃度的智能控制，用戶只需要將要噴灑藥物倒入儲藥倉，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)自動計算所需藥物及清水的質(zhì)量并自動抽取藥物及清水，由稱重模塊實時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)嚢鑱磉_(dá)到用戶所需濃度的藥物調(diào)配。其遵循的理論計算公式為：

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)來殺死害蟲，該系統(tǒng)在農(nóng)藥霧化功能方面采用單片機(jī)來產(chǎn)生PWM信號控制隔膜泵功率來對水壓進(jìn)行控制，可實現(xiàn)不同的霧化效果。

在化肥的噴灑功能上，系統(tǒng)設(shè)計了高效的旋轉(zhuǎn)噴灑裝置，其主要采用大功率可調(diào)速直流電機(jī)作為噴灑裝置的動力機(jī)構(gòu)，在該裝置的化肥進(jìn)口處設(shè)計了可調(diào)節(jié)大小功能，可實現(xiàn)化肥噴灑量的實施控制，同時通過單片機(jī)的PWM信號來對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且對化肥噴灑濃度進(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)過程中，用戶可在手機(jī)APP端觀測噴灑效果，主要是通過安裝的監(jiān)控模塊實時采集環(huán)境照片并通過Wi-Fi模塊將圖像數(shù)據(jù)回傳給用戶手機(jī)端。Wi-Fi無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)的上報和下發(fā)^[3]，本系統(tǒng)采用業(yè)內(nèi)常用的ESP8266無線通信模塊，這是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，擁有業(yè)內(nèi)極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計^[4]，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)上，可以進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，適用于長距離的無線通信，因而實現(xiàn)APP對本系統(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

3.1? 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)控制模塊采用了STM32F4單片機(jī)^[5]，用其來完成農(nóng)藥配比計算、智能避障、化肥農(nóng)藥噴灑、支架折疊、語音提醒、效果監(jiān)測等功能。根據(jù)實際需求使用12 V大功率隔膜泵來實現(xiàn)藥液的霧化控制，以180度高精度舵機(jī)來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)計了高精度稱重模塊^[6-8]，無線傳輸系統(tǒng)采用ESP8266模塊，該模塊波特率最高可達(dá)921 600比特每秒，確保信號的實時傳輸和穩(wěn)定運(yùn)行^[5]，語音提醒模塊采用ISD1820語言播報模塊，來實現(xiàn)對用戶進(jìn)行語音式指導(dǎo)，比如“請檢查儲藥倉是否充足”、“請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)壓模塊來對單片機(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沖保護(hù)模塊和開機(jī)鎖等功能^[5，10]。

3.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序開始后單片機(jī)會啟動系統(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、語音播報程序后實時調(diào)用Wi-Fi模塊讀寫函數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，當(dāng)檢測出APP端發(fā)來的濃度調(diào)配及運(yùn)行指令后，會根據(jù)指令包中的功能標(biāo)志字符來區(qū)分用戶需求^[3]，實現(xiàn)農(nóng)藥調(diào)配及噴灑、化肥噴灑等功能的分類執(zhí)行。使用卡爾曼濾波對超聲波模塊測量的數(shù)值進(jìn)行濾波處理，得到穩(wěn)定值后進(jìn)行運(yùn)動處理^[5]，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，以此來提高該系統(tǒng)在復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境中自動作業(yè)過程中的安全可靠性，用戶控制端如圖2所示，系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

其中濃度計算與調(diào)配功能全部由手機(jī)端APP完成，其核心程序為：

@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)藥自動調(diào)配時，使用了壓力傳感器及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來組成系統(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，在實際測量過程中較難控制抽取原藥溶液的質(zhì)量，故為其設(shè)計了基于算數(shù)平均濾波方法的質(zhì)量測量算法，對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，該方法對壓力、流量等具有周期脈沖特點的信號具有良好的濾波效果，實驗表明采樣次數(shù)越大，濾波效果越理想，但靈敏度會越低，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? 實驗測試與分析

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。其下位機(jī)主要包括單片機(jī)計算中心、運(yùn)動模塊、化肥噴灑裝置、農(nóng)藥霧化裝置、超聲避障等模塊，上位機(jī)由自主設(shè)計的用戶端手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及視頻監(jiān)控，在進(jìn)行實際實驗測試時，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驗，本次實驗以調(diào)配15千克溶液為例，取部分實驗數(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)對基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)藥化肥自動噴灑技術(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)藥化肥一體化自動作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了智能控制技術(shù)與農(nóng)機(jī)具的結(jié)合，可使用戶在語音提示下輸入土地面積及藥物、化肥種類后單片機(jī)自動計算需要的藥物及化肥數(shù)量，通過自動抽取藥物及清水或化肥及準(zhǔn)確稱重計量來完成自動配制并充分?jǐn)嚢?。噴灑系統(tǒng)行進(jìn)過程中由超聲波傳來的信號判斷是否需要調(diào)整前進(jìn)方向，以及是否到達(dá)道路盡頭，同時單片機(jī)可控制電子閥門開關(guān)大小改變藥物及化肥的噴灑量，系統(tǒng)在完成工作后，會自動控制折疊支架將藥物噴管收回車內(nèi)，通過配備監(jiān)控系統(tǒng)，噴灑作業(yè)過程可由手機(jī)APP全程監(jiān)控。該系統(tǒng)可改變傳統(tǒng)的人工操作方式，實現(xiàn)了無須大量人力就可以大面積的自動為農(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

基金項目：2020年山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（S202013857029）;2019年度德州市市級研發(fā)計劃項目;山東華宇工學(xué)院橫向項目（HY20 21-017）