智能农药喷洒系统

王昊凡

摘 要：本智能农药喷洒系统，涉及农药喷洒设备制造技术领域，通过设置移动底盘能够方便在喷洒区域进行移动，设置检测装置能够对喷洒区域的植物和人体进行检测，设置控制装置和喷洒装置，能够自动对植物进行农药喷洒，提高农药喷洒效率和精度。

关键词：无人车；智能喷洒；红外线传感器

中图分类号：S768 文献标识码：A

近年来，我国作为一个农业大国，如何提高农业作业的效率，解放劳动力，是一个亟待解决的问题，尤其是精细农业的提出，智能的农业机械尤其重要。西方发达国家在这方面走在前列，如美国的施肥机器人，德国的大田除草机器人等等，但成本高，动辄十几甚至几十万。在农业生产过程中，农作物容易受到病虫害的侵扰，喷洒农药是一种非常有效的手段，现有的农药喷洒方法是通过人工进行喷洒，但这种方式人力消耗大，喷洒不均匀，且工作人员容易受到农药污染。

本智能农药喷洒系统（如图1所示）包括移动底盘、检测装置、控制装置和喷洒装置。检测装置、控制装置和喷洒装置设置在所述移动底盘上，控制装置分别与移动底盘、检测装置、喷洒装置连接，检测装置包括红外传感器和人体传感器，红外传感器和人体传感器与所述控制装置连接。移动底盘，用于驱动农药喷洒系统通过小车循迹按照喷洒区域预设的轨迹进行移动；检测装置，用于检测喷洒区域的植物和人体，当检测到植物或人体时，向控制装置发送检测信息；控制装置，用于控制检测装置进行检测，接收检测装置发送的检测信息，控制移动底盘移动，控制喷洒装置进行农药喷洒；喷洒装置，用于根据控制装置控制进行农药喷洒。

本系统，通过设置移动底盘能够方便在喷洒区域进行移动，设置检测装置能够对喷洒区域的植物和人体进行检测，设置控制装置和喷洒装置，能够自动对植物进行农药喷洒，提高农药喷洒效率和精度。

本系统，移动底盘可以以飞思卡尔智能车做底盘，通过小车循迹系统，实现小车在农田中按照预设的轨迹运动。其中，移动底盘设置有第一寻线电感和第二寻线电感，第一寻线电感和第二寻线电感与控制装置连接。第一寻线电感和第二寻线电感用于感应预先设置在第一寻线电感和第二寻线电感之间的导线产生的磁场变化，将磁场变化转化为电压值发送给控制装置。

智能车底盘的舵机按照说明书建议安放位置是在车子的靠中部的地方，调整舵机的位置，并选择长度合适的舵机片，这样可以达到快速转向但又不会出现转向力不足的情况。经长时间验证，此方法可以确保舵机的可靠使用。

安装红外传感器，用于采用三角测量法采集和检测喷洒区域的植物，确定红外传感器与植物的距离，生成植物检测信息，并将所述植物检测信息发送给控制装置；红外传感器对检测喷洒区域的植物进行检测产生检测电压，利用下式将所述检测电压转换为红外传感器与植物的距离；

d=（6762/（val-9））-4

其中，d为红外传感器与植物的距离，val为检测电压。

安装人体检测装置，用于利用热释电模块对检测喷洒区域的人体进行检测，生成人体检测信息，并将所述人体检测信息发送给控制装置。

红外测距传感器的功能是利用采集到的距离信息判断前方是否有树木，如果有则让小车停止并开启农药喷洒系统，可以选用夏普GP2Y0A02YK0F作为红外测距传感器。GP2Y0A02YK0F是夏普的一款距离测量传感器模块。它由PSD（position sensitive detector）IRED（infrar edemitting diode）以及信号处理电路3个部分组成。由于采用了三角测量方法，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响传感器的测量精度。传感器输出电压值对应探测的距离，通过测量电压值就可以得出所探测物体的距离，所以这款传感器可以用于距离测量、避障等场合。

当前方有物体是人而不是树木时，仅用距离传感器就会出现误喷洒，因而还需要加入一个人体检测传感器判断前方物体是否是人，如果是则仅停车而不开启喷洒装置。这里可以选用HC-SR501热释电模块作为人体检测传感器。该模块常应用在防盗报警电路中，也可用在智能探测小车上面。它是全自动感应装置，当人走到探测范围内输出高电平，人离开则延时输出低电平。

本智能农药喷洒系统包括供电装置，供电装置的电机驱动电路，采用全桥驱动电路作为电机的驱动。主要是因其控制简单，并且驱动能力较强。通过对驱动芯片输出电流、加速、制动时间、稳定性能、发热情况等性能进行比较，最终选择BTS7970作为电机驱动芯片。使用4片BTS7970搭成两个全桥电路对电机进行控制。

控制装置包括：寻线控制单元，用于获取第一寻线电感产生的电压值和第二寻线电感产生的电压值，计算第一寻线电感产生的电压值和第二寻线电感产生的电压值之差，得到偏离值，根据所述偏离值控制移动底盘调整行进方向。其中，小车采用电感进行循线，因导线中有交变的电流，电感可以感应到其产生的交变的磁场，并返回相应电压值。采用两个电感进行方向的确定。当小车行进过程中偏离中心导线时，会使一边电感靠近导线，一边电感远离导线，这就使单片机采集的数据一个增大一个减小。通过两者做差就可以得出相应的偏离量。

植物检测控制单元，用于获取红外传感器发送的植物检测信息，将植物检测信息中红外传感器与植物的距离与预先设定的距离阈值进行比较，当红外传感器与植物的距离小于预先设定的第一距离阈值时，控制移动底盘停止移动，控制喷洒装置进行农药喷洒，当红外传感器与植物的距离小于预先设定的第二距离阈值时，控制喷洒装置停止农药喷洒。其中，红外传感器所给出的电压值对应着距离信息。当小车行驶路线两旁出现了物体时（不能判断是人还是树木），红外传感器就会返回一个较高的电压值，当该电压值大于我们所设定的阈值，单片机就发出控制命令，一方面让电机停止转动，从而小车停止前进，另一方面打开水泵，从而喷头可以顺利喷洒农药。从而该部分程序关键是选择合适的阈值并能合理开中断和关中断。

中断是CPU在执行一个程序时，对系统发生的某个事件（程序自身或外界的原因）作出的一种反应。若中断发生，CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去处理相应的事件，处理完该事件后，到适当的时候返回断点，继续完成被打断的程序。

人体检测控制单元，用于获取人体检测装置发送的人体检测信息，判断检测喷洒区域是否存在人体，当存在人体时停止移动底盘，当不存在人体时控制喷洒装置进行农药喷洒。其中，人体检测传感器用来判断物体是人还是树木。如果是人该传感器就会返回高电平信号。因此在用红外测距传感器判断出小车两旁有物体时，首先要判断人体检测传感器返回电平值是否是高电平，如果是则只令小车停止5s，否则还要执行打开水泵电机的命令。

喷洒装置包括水泵、水箱、喷头和水管，水箱与水泵连接，水泵与水管连接，水管与喷头连接，水泵和水管与控制装置连接。喷洒装置根据控制装置设置进行农药喷洒。

本系统还包括车速测量装置，车速测量装置与控制装置连接。为了使小车速度可以控制，需要加入速度检测传感器模块。常用的速度检测传感器有编码器和光电码盘。因为编码器体积较大，而且价格较高，安装不便，所以选择采用光电码盘对小车速度进行检测。这种检测方式安装简单，电路轻便，使用电源为5V，非常适合在类似的模型上使用，测量精度与编码器并无太大差别，但缺点稳定性不好，将其固定死并不会有太大影响。

本智能农药喷洒系统，提出了智能喷洒农药系统的设计方案并得到实现。在硬件方面，系统的控制是基于飞思卡尔K60单片机实现的。通过额定电压为7.2V锂电池和各种稳压电路可以为小车行驶供电。通过搭建两个全桥电路可以对电机进行控制从而完成驱动。喷洒部分主要由水泵、喷头和连接的水管组成，通过控制水泵的开闭来控制是否喷水。在软件设计方面，系统主要结合两个传感器所给出的信息发出相应的控制命令。首先通过红外测距传感器返回的电压信息判断车右侧及前方是否有障碍物存在，如有，则开中断让小车停止前进。之后利用人体检测传感器返回电平值判断车和树之间是否有人，如果是低电平则该障碍物是树木，开启农药喷洒装置，否则是人，不作其他处理。本系统基本实现智能喷洒。采用无人车搭载检测及喷洒装置，实现精准喷洒，大大提高劳动生产率，降低人工成本，减少农药污染与残留。

参考文献

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