农用喷药车的控制系统设计

2021-04-02甘敏刘国彦曹督尊赵金才

农业装备与车辆工程 2021年3期

甘敏，刘国彦，曹督尊，赵金才

（300384 天津市天津农学院工程技术学院）

0 引言

我国是农业大国，农业对国家经济发展具有极其重要的作用。随着科技发展，农业生产趋于机械化。喷药车与传统背负式喷雾器相比，提高了作业效率，减轻了作业员的作业负担[1]。目前我国在精准喷雾技术方面的研究有以下几种方式：（1）采用图像识别树木信息，通过计算机对图像信息进行处理分析，进而识别目标。（2）采用叶绿素光学传感器，该传感器采用领先的光学技术判断树木信息。（3）采用传感器探测树木信息，目前用到的主要有3 种，分别为红外传感器、超声波传感器、激光传感器[2-5]。而WiFi 技术发展至今，已被广泛应用于日常生活。与有线传输方式相比，WiFi 组网方便,具有较好的移动性以及扩展性。图像信息作为最直观的视觉信息，对系统的路况采集具有重要的意义[6]。

1 系统结构

我国果园喷药技术发展至今有不少成果，本次研究以山东农业大学白鹏设计的喷药车为基础，该喷药车总体包括风送系统、药泵管路系统等[7]，车辆的模型如图1 所示。

图1 喷药车示意图Fig.1 Schematic diagram of spray vehicle

喷药车硬件以Arduino UNO 为主控板，采用超声波传感器获取树木信息。实验小车使用4 个电机驱动小车底部的4 个轮子，挂载在车头的摄像头获取路况信息，通过WiFi 模块将信息传输至手机，实现手机对车辆的前后左右控制。整个系统共由几部分组成：直流电机驱动模块、WiFi模块、摄像头模块、Android 设备、喷药执行机构等。总体框图如图2 所示。

图2 总体框图Fig.2 General block diagram

2 控制模块

系统采用Arduino UNO 为核心控制器，具有14 路数字输入/输出口，6 路模拟输入输出口，进行通信时串口指示灯会闪烁，以此来显示是否进行通信。本系统中通过串口通信。除此之外，Arduino UNO 还可以与其它设备通信，但需要连接RX（接收）和TX（发送）引脚。

3 传感器的选取

目前大多数研究树木信息采用的传感器有3种，分别为超声波传感器、红外传感器、激光传感器。红外传感器容易受到光照的影响，激光传感器的性能较高，但检测目标过于单一，检测范围有限制。超声波传感器采用超声波探测对树木探测，超声波是一种球面波，方向性好，探测范围较广[7]，因此，喷药控制系统采用超声波传感器采集树木信息。

4 WiFi 模块

系统选用深圳市小R 科技机器人官方商城的WiFi 模块，采用高通AR9331 芯片，模块预置openwrt 固件，150 M 带宽，执行标准为IEEE802.11b/g/h。最大连接速率可达150 Mbps。WiFi 模块通过串口与单片机进行通讯。WiFi 模块实物图如图3 所示。

图3 WiFi 模块实物图Fig.3 Real WiFi module

4.1 指令传输模块

对车辆进行控制时，手机采用TCP 协议的方式通过WiFi 信道发送指令给WiFi 模块，WiFi模块与主控板通过串口连接，因此WiFi 模块通过串口将指令发送给主控板。主控板内置的程序对指令进行解析。解析后，根据通信协议，主控板对执行机构进行控制，实现车辆的前后左右行驶，指令传输框图如图4 所示。

图4 指令传输框图Fig.4 Command transmission block diagram

4.2 视频传输模块

系统选用深圳市小R 科技机器人官方商城的摄像头模块，视频传输不经过单片机，51 单片机运算速度低，不能驱动视频传输模块。摄像头通过USB 与WiFi 模块相连，WiFi 模块通过采集挂载在USB 接口的MJPG 格式的摄像头数据，编码封装成http 协议的视频流，通过WiFi 信道将视频数据传输至手机客户端，进行解码并显示。视频获取的程序框图如图5 所示。

图5 视频获取程序框图Fig.5 Block diagram of video acquisition program

5 软件系统结构

5.1 主程序设计

软件系统采用Arduino IDE 进行编程，超声波传感器检测树木信息，通过串口将信息传至主控板，Arduino 对信息进行处理和判断后，输出高低电平进而控制电磁阀的开启和关闭。对于树木信息的处理，系统设置为：超声波传感器采集到树木和车的距离小于3 m，开启喷药系统，打开电磁阀后开始喷施药液。喷药控制系统程序框图如图6 所示。