设施农业自走式水肥喷洒小车的设计*
2021-08-20伍铜言史文龙王豪杰
崔 勇，伍铜言，刘 尧，史文龙，王豪杰
（江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州 225300）
作物的生长需要阳光、空气、温度、湿度和养分五大要素，设施农业则是采用人为干预的方式，改变作物生产需要的各要素条件值，以满足作物全天候生长的条件。目前，设施农业的调控技术主要有光照调控、温度调控、气体环境调控以及水分、养分调控等，其中合理的水肥平衡供应能挖掘作物最大的生产潜力。因此，实现水肥同步供应和控制的水肥一体化技术是当前精准农业的主要技术方向之一[1]。
1 水肥一体化技术
水肥一体化技术是在作物水肥供给的过程中，实现水肥有机的同步供给，充分发挥水和肥料的相互作用，在提供作物水分的同时最大化地发挥肥料的作用。
要实现水肥一体化浇灌，其前提条件是将肥料溶于水中，然后通过水肥结合的方式施用，根据灌溉方式不同，可以分为滴灌水肥一体化技术、喷灌水肥一体化技术、微喷灌水肥一体化技术、膜下滴灌水肥一体化技术等。项目组开发的农业自走式喷洒小车则属于喷灌水肥一体化技术的一种应用形式，小车通过传感器信号，判断处理后执行行走动作，喷洒装置则将混合溶解好的水肥通过加压喷洒于作物表面或者地面，实现自动灌溉施肥的功能。自走式喷洒小车的适用范围主要为大棚内作物或设施园林作物。
2 自走式喷洒小车的布置
自走式喷洒小车由行走部分、控制装置、传感器、电源模块、喷洒装置、水肥储存罐等组成。行走部分执行小车的行走和转向动作。控制装置主要由STC12C5A60S2型单片机构成。传感器模块选用红外传感器感知障碍物和作物，并将信号处理后发送给单片机。喷洒装置由水泵、喷头和水管组成，实现水肥的雾化和喷洒功能[2]。水肥储存罐存储预先配置好的溶水肥料。
2.1 行走部分设计和布置
行走部分包括驱动轮、万向轮、电机、车架板。车架板为整个小车所有部件的安装面板。两个驱动轮布置在小车后部和车架板的下方，并各连接一个驱动电机，实现行走和转向功能。驱动电机芯片选用L298N，通过单片机的I/O输入对其控制电平进行设定，为电机进行正转反转和停止的驱动。万向轮布置在小车前端的中间位置，起支撑作用。
2.2 控制装置和传感器的选用和设计
控制装置核心模块为STC12C5A60S2型单片机，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，工作电压为3.5 V~5.5 V[3]。STC12C5A60S2型单片机通过PWM信号调节左右驱动轮电机转速以实现小车驱动轮的转动，通过控制驱动轮的正反转实现小车的避障和转向。通过控制继电器的通断来实现水泵电源的通断。如图1所示。
图1 STC12C5A60S2型单片机
传感器采用TCRT5000型红外线光感传感器，布置在车架盘上方，分别检测左右障碍物、前方障碍物、左右作物植株。如图2所示。
图2 TCRT5000接线图
2.3 电源模块的选用
电源模块选用12 V锂电池，匹配5 V电源转换器。驱动电机模块和水泵电机由电池直接提供12 V电源，单片机由电源转换器提供5 V电源。
2.4 喷洒装置的设计和布置
根据设施园林大棚的布置特点，小车行驶的道路会有单侧种植作物和左右两侧均种植作物两种情况，因此，喷洒装置布置左右两套喷洒系统。当左侧传感器检测到植株时，控制器接收传感器信号，发出喷洒指令，控制左侧水泵喷洒指令；当右侧传感器检测到植株时，执行右侧水泵喷洒指令；当左右两侧均检测到植株时，则左右两侧同时喷洒水肥。
喷洒装置的水管采用耐腐蚀的PVC管，喷头选用扇形喷头。水泵和喷头通过支架固定在车架板的上方。水管连接后端的水肥储存罐。
考虑到水肥混合液中存在少量的悬浮物，为避免喷洒装置的堵塞，水肥储存罐的加液口以及水泵的进液口、出液口，均布置滤网进行过滤[4]。
2.5 程序设计
设施农业自走式喷洒小车需实现小车自行行走、水肥自动喷洒和转向避障等动作，因此，程序的设计需包含以下三个方面。
1）小车行走避障程序：传感器检测左右障碍物与小车的距离，自动修正小车的方向，确保小车直线行驶。
2）自动检测喷洒程序：传感器检测小车左右方向是否有作物植株，当检测存在植株的信号传递给单片机时，控制左右水泵运转，喷头执行喷洒动作。
3）小车转向避障程序：传感器检测前方是否有障碍物，如有障碍物，控制小车左转，实现转向避障功能。
程序流程图如图3所示。
图3 程序流程图
3 小车的运行测试
如图4所示，布置设施大棚环境，设置两排绿植。小车开始运行后，直行进入田垄，小车检测左右障碍物，自动进行方向修正，维持直线行走。当检测到第一排作物植株后，喷洒水肥。小车继续前进，如车前的传感器检测到障碍物，左转90°，然后直线行驶。再次检测到障碍物后，左转90°，然后继续前行。当检测到第二排作物植株时，执行水肥喷洒动作。最后，驶出田垄，完成两排作物植株的自动水肥喷洒任务。
图4 农业自走式喷洒小车运行测试
