变量喷洒地面监控系统设计

邢航 梁宇发 陈伟政

摘要采用LabVIEW实现植保无人机变量喷洒过程的地面PC监控系统，并通过蓝牙实现基于Android平台的手机监控系统。经调试，该系统在PC机和手机中实现了喷洒流量的在线调节以及实际流量、飞行参数和地面监测点风场数据等信息的实时检测。该系统性能良好，功能实用，能满足变量喷洒地面监控系统的基本需求。

关键词变量喷洒；地面监控；Android；LabVIEW

中图分类号S24文献标识码A文章编号0517-6611（2017）35-0219-04

AbstractWe designed a variable spraying ground monitoring system of agricultural plant protection unmanned aerial veldicle（UAV） based on LabVIEW， and realized the mobile monitoring system based on Android platform by bluetooth.After debugging， the system could realize online spraying flow regulation on PC and mobile phone， and realize the realtime detection of the actual flow data， UAV flight parameters and ground wind field data.The system had good performances and practical functions. It could meet the basic requirements of variable spraying ground monitoring system.

Key wordsVariable spraying；Ground monitoring；Android；LabVIEW

在农业生产中，喷雾技术是植保作业中一个重要环节，但目前我国整个植保机械格局仍沿用大容量、 雨淋式、全覆盖式的常规农药喷施方法，存在施药量大、雾滴粗、农药在作物上的附着率低、易造成环境污染等问题。在农业植保领域，近年来开始采用植保无人机来解决高秆作物以及丘陵地带农田病虫害防治时，地面植保机存在难以下田，且无法快速有效防治大面积暴发性病虫害的问题[1]。同时，无人机在低速飞行条件下作业有较好的雾滴覆盖，特别是旋翼产生的下旋气流，可以减少雾滴的飘散，同时由于下旋气流而产生的上升气流可使雾粒直接碰撞到植物叶片的正反面[2]。因此，无人机喷雾具有喷雾效果好、劳动强度低、及时有效等特点，与固定翼飞机和大型直升机相比，它具有作业灵活、自动控制能力强、雾滴飘移少、旋翼气流辅助药液穿透作物冠层等优点[3]。针对农田实际情况，采用植保无人机实现变量施药是实现精准农业的一个重要组成部分。

植保无人机在精准喷洒的过程中，便捷的地面监控系统对喷洒过程进行实时监测和调控有着重要作用。笔者设计了基于LabVIEW的农用植保无人机变量喷洒地面监控系统，并通过蓝牙实现了基于Android平台的手机监控系统。在喷洒过程中，该系统可以在PC机上以及手机中实现喷洒流量的在线调控以及实际流量、植保无人机飞行参数和地面监测点风场数据等信息的远程实时监测。

1系统方案设计

该系统中机载控制器以STM32F103RCT6为核心，接收地面监控系统对机载变量喷洒系统的控制信号，完成机载设备的变量喷洒，同时采用流量传感器采集实际喷洒流量、采用北斗装置采集植保无人机飞行高度、速度信息，通过无线数传电台FGR2传回PC机中的地面监控系统，地面监控系统也通过无线数传电台FGR2向机载变量喷洒系统下发变量控制信号；采用地面风场传感设备采集田间风场等信息，通过ZigBee网络传回PC中的地面监控系统；同时，为现场使用方便，通过蓝牙通信模块HC-05实现PC机和安卓手机中的变量控制和喷洒信息采集显示等功能的互通。地面监控系统方案设计如图1所示。

2基于LabVIEW的PC机地面监控系统设计

地面监控系统主要完成发送流量控制信号和接收采集数据模块两大部分，其中流量控制部分完成控制流量的频率、占空比的设定控制，数据采集部分完成流量、飞行状态（高度、速度）及风场等信息的采集、显示和保存地面监控系统功能模块如图2所示。

2.1飞行数据采集模块设计

飞行状态信息是通过机载北斗GPS模块获取有效信息，在机载控制器中解算分析出飞行高度和速度等信息，通过无线数传电台传回地面监控系统。该地面监控系统中的飞行数据采集模块需要调用LabVIEW中VISA Configure Serial Port模块完成串口参数设置，其中包括串口资源的分配、数据位、停止位、校验位、波特率等。模块初始化正常，即可使用这个串口进行飞行数据接收[4]。具体模块程序设计如图3所示。

2.2風场数据采集模块设计

风场信息通过地面风场采集传感系统解析出X轴、Y轴、Z轴的风速，通过ZigBee收发

模块将风速数据传回地面监控系统中。该部分分批读取接收缓冲区，在某些特殊情况下需要使用VISA Set I/O Buffer Size设置串口接收/发送缓冲区的大小，而使用VISA Flush I/O Buffer则可以清空接收与发送缓冲区。具体模块程序设计如图4所示。

2.3流量控制模块设计

流量控制模块主要将PWM占空比、频率等流量控制数据传输回无人机的变量喷洒控制模块中。同时，机载流量传感器采集实际流量信息并通过无线数传电台传回地面监控系统，所有解析工作在机载控制器中完成。地面监控系统中的流量模块发送数据使用VISA Write，接收数据则使用VISA Read。在接收数据前，需要使用VISA Bytes at Serial Port查询当前串口接收的数据字节数。如果VISA Read要读取的字节数大于缓冲区中的数据字节数，VISA Read操作将一直等待，直至Timeout或者缓冲区中的数据字节数达到要求的字节数。具体模块程序设计如图5所示。

2.4PC地面监控系统界面设计

PC地面监控系统主界面如图6所示。界面主要分为4个部分：①北斗GPS定位信息显示界面。打开串口后，接收定位数据后上方会显示定位时刻、纬度、经度、天线大地高、速度。②风场数据显示界面。打开串口后接收数据可显示X轴、Y轴、Z轴3个轴的风速信息。③流量数据显示界面。完成流量数据显示、调节PWM占空比、调频率等功能。④分别以图形形式显示风速和流量的数据变化，便于使用者观察变化规律并指导流量参数的调整。

3Android监控客户端设计

为了在作业现场更方便地查看和控制田间作业信息，采用HC-05蓝牙模块实现地面PC监控系统与安卓手机之间的通信，HC-05模块是ALIENTEK的一款高性能主从一体蓝牙串口模块，可以方便地与手机进行连接，使用非常灵活、方便[5]。

手机客户端负责将通过蓝牙模块接收到的数据以数字、曲线等形式在APP界面上显示出来，实时监测无人机飞行状态、风场信息及流量信息，并根据实际情况，对无人机喷洒流量（主要是PWM占空比）进行调控等工作。手机端功能模块框架如图7所示。

Android Studio是Google公司专门为Android推出的开发工具，用于开发和调试。与其他开发工具相比，Android Studio速度更快、用户界面更漂亮、更加智能和完善。基于

Android Studio所开发的手机端流量监控APP的界面[6]如图

4系统调试

笔者对植保无人机在进行变量喷洒过程中的地面监控

系统进行了设计，所设计的地面监控系统包括PC机端和手

图10地面监控系统调试

Fig.10Ground monitoring systems debugging

机端2个部分，这2个部分在实验室中进行了联调，如图10所示。

调试试验表明，采用LabVIEW实现PC中的变量喷洒地面监控系统以及通过蓝牙实现的基于Android平台的手机监控系统，在喷洒过程中可以实现喷洒流量的在线调节以及实际流量、植保无人机飞行参数和地面监测点风场数据等信息的远程采集和存储功能，该系统运行良好、功能实用、操作简单，能基本满足变量喷洒地面监控系统的需求。

参考文献

[1] 娄尚易，薛新宇，顾伟，等.农用植保无人机的研究现状及趋势[J].农机化研究，2017，39（12）：1-6.

[2] 杨帅，王国宾，杨代斌，等.无人机低空喷施苯氧威防治亚洲玉米螟初探[J].中国植保导刊，2015，35（2）：59-62.

[3] 范慶妮.小型无人直升机农药雾化系统的研究[D].南京：南京农业大学，2011.

[4] 杜娟，邱晓晖，赵阳，等.基于LabVIEW的数据采集与信号处理系统的设计[J].南京师范大学学报（工程技术版），2010，10（3）：7-10.

[5] 李光明，孙英爽，党小娟.基于安卓的远程监控系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2016，37（2）：556-560.

[6] 赵卿，葛文超.安阜系统下开发测量程序的应用研究[J].测绘地理信息，2015，40（2）：80-82.