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摘要：針對(duì)目前手工作業(yè)噴灑農(nóng)藥存在農(nóng)藥配比濃度和噴灑劑量不均衡、工作效率低，且噴灑作業(yè)人員長(zhǎng)期暴露在農(nóng)藥下對(duì)其身體健康有害等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)藥噴灑機(jī)器人，能夠通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作環(huán)境信息是否滿足噴灑作業(yè)要求；并通過(guò)按鍵設(shè)置農(nóng)藥配兌比例，根據(jù)所規(guī)劃的路徑自動(dòng)進(jìn)行噴灑作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥噴灑的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；農(nóng)藥噴灑；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能農(nóng)業(yè)；自動(dòng)控制；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0引言

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)方式仍然是小規(guī)模的，沒(méi)有形成規(guī)?；掖蟛糠洲r(nóng)業(yè)工作方式都是純手工作業(yè)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，打造智能化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為信息科技第三次產(chǎn)業(yè)革命的產(chǎn)物，其主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)按照約定協(xié)議將傳感器等多種硬件電路檢測(cè)到的信息上傳，從而實(shí)現(xiàn)信息的交換和傳播，達(dá)到了良好的人機(jī)交互效果，在農(nóng)業(yè)智能化建設(shè)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)噴灑農(nóng)藥進(jìn)行殺蟲(chóng)、殺菌，對(duì)保障和促進(jìn)農(nóng)作物的成長(zhǎng)具有積極的功效和作用。目前，我國(guó)大部分地區(qū)噴灑農(nóng)藥都是采用手工作業(yè)的方式，人們通過(guò)自身的經(jīng)驗(yàn)和感知，根據(jù)農(nóng)藥說(shuō)明書(shū)手工配兌農(nóng)藥的比例和噴灑劑量，存在農(nóng)藥配比濃度、噴灑劑量不均衡的現(xiàn)象，且手工作業(yè)存在覆蓋范圍小、工作效率低下、造成人力物力浪費(fèi)以及農(nóng)藥對(duì)噴灑作業(yè)人員的身體健康存在一定的危害等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)藥噴灑機(jī)器人。用戶可以通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)藥噴灑機(jī)器人的實(shí)時(shí)作業(yè)情況，機(jī)器人也能夠?qū)崟r(shí)對(duì)上位機(jī)下發(fā)的指令做出反應(yīng)。機(jī)器人能夠?qū)ぷ鳝h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將信息實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)；機(jī)器人還能夠攜帶一定重量的農(nóng)藥，并根據(jù)事先設(shè)定好的比例進(jìn)行混合，根據(jù)所規(guī)劃的路徑進(jìn)行工作，能夠開(kāi)展大規(guī)模農(nóng)作物的農(nóng)藥噴灑工作，且農(nóng)藥配比準(zhǔn)確、噴灑均勻，也能夠避免對(duì)農(nóng)藥噴灑人員的健康產(chǎn)生危害。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)藥噴灑機(jī)器人，以單片機(jī)為主控核心，通過(guò)尋跡模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制機(jī)器人按照規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)，通過(guò)按鍵模塊和液晶顯示模塊設(shè)置農(nóng)藥混合比例，單片機(jī)根據(jù)按鍵模塊設(shè)置的參數(shù)控制抽水器對(duì)多種農(nóng)藥、清水進(jìn)行混合；溫濕度檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線模塊傳給上位機(jī)。

2系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1無(wú)線模塊

無(wú)線模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)間傳輸環(huán)境信息、遠(yuǎn)程發(fā)送指令等，其穩(wěn)定性是決定上位機(jī)與下位機(jī)能否正常通信的關(guān)鍵。本文選用JZ861-433M超小型無(wú)線數(shù)傳模塊，能夠提供四個(gè)頻道，而且有專門的設(shè)置程序，可以讓用戶隨時(shí)變更相關(guān)參數(shù)[1-2]；其采取透明傳輸方式，不需要用戶進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)即可進(jìn)行傳輸，且模塊體積小，方便使用。JZ861-433M無(wú)線數(shù)傳模塊是成對(duì)使用的，一塊用于接收數(shù)據(jù)，另一塊用于發(fā)送數(shù)據(jù)；單片機(jī)（終端設(shè)備）與無(wú)線數(shù)傳模塊之間采用UART方式通信，其連接方式如圖2所示。

2.2溫濕度檢測(cè)模塊

在實(shí)施農(nóng)藥噴灑作業(yè)時(shí)，室外環(huán)境也是影響噴灑質(zhì)量的關(guān)鍵因素，所以對(duì)噴灑現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)施監(jiān)測(cè)也是必要的。室外環(huán)境存在的不可控因素較多，在溫濕度傳感器的選型過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮其可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾性等特點(diǎn)。本文選用具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器[3]，單片機(jī)通過(guò)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的DATA串行數(shù)據(jù)接口進(jìn)行通信[4-5]，能夠?qū)崟r(shí)獲取當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度信息。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

由于單片機(jī)的輸出電壓、電流較小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)行，且電機(jī)具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的功能，所以需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊配合才能正常運(yùn)行。本文選用可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)動(dòng)作的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其具有工作電壓范圍大的特點(diǎn)以及過(guò)熱保護(hù)、反饋檢測(cè)等功能。單片機(jī)可以通過(guò)電平控制其2個(gè)使能端和4個(gè)輸入引腳，從而控制對(duì)應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式。

2.4尋跡模塊

本文的路徑規(guī)劃采用紅外傳感器自反射原理尋跡的方式進(jìn)行，紅外尋跡具有對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)、干擾小等特點(diǎn)。尋跡模塊通電后發(fā)出一定頻率的紅外光，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，反射回來(lái)的信號(hào)經(jīng)電路比較放大處理后輸出一個(gè)數(shù)字電平信號(hào)給單片機(jī)處理[6]。圖3所示為尋跡模塊原理。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)是控制農(nóng)藥噴灑機(jī)器人正常運(yùn)行的核心器件，其主要依靠程序接收或控制其他模塊工作，工作流程如圖4所示。按鍵模塊用于設(shè)置農(nóng)藥、清水等試劑的混合比例，并在液晶顯示屏顯示其鍵值；同時(shí)，液晶顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示溫濕度信息。將整個(gè)系統(tǒng)程序根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能按模塊化思想分為按鍵程序、顯示程序、溫濕度讀取及處理程序、尋跡控制程序、抽水器控制程序等。

3.1按鍵程序

在按鍵程序中，所需的鍵值0至9編碼、輸入清零、確定、機(jī)器人搭載的4種試劑選擇（采用A、B、C、D四種模式），一共需要16顆按鍵，所以選用4×4矩陣鍵盤作為按鍵模塊，采用鍵值掃描的方式讀取鍵值并顯示。將矩陣鍵盤的4根行線和4根列線分別與單片機(jī)的8個(gè)I/O口連接，如果矩陣鍵盤某一行線和某一列線對(duì)應(yīng)的I/O口均檢測(cè)到低電平信號(hào)，則說(shuō)明該按鍵被按下[7]。

3.2液晶顯示程序

本系統(tǒng)選用1602液晶顯示屏，液晶顯示程序所需要進(jìn)行的操作主要有四種[8]：讀數(shù)據(jù)操作、寫(xiě)數(shù)據(jù)操作、寫(xiě)指令操作以及讀狀態(tài)操作。這些操作的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)RS寄存器選擇端、時(shí)序控制端以及讀寫(xiě)信號(hào)的控制端進(jìn)行時(shí)序控制。將這些時(shí)序操作寫(xiě)成對(duì)應(yīng)的子程序，在使用時(shí)直接調(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序進(jìn)行液晶的顯示和控制。

3.3溫濕度讀取及處理程序

單片機(jī)與DHT11溫濕度傳感器之間的通信是一個(gè)低速-高速-低速模式的轉(zhuǎn)換過(guò)程，DHT11溫濕度傳感器之間等待工作指令時(shí)處于低速模式，接收到工作指令時(shí)處于高速模式[9]。在工作階段，需要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段，即發(fā)出響應(yīng)信號(hào)、觸發(fā)采集、讀取數(shù)據(jù)。單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)信息為40bit，即溫度、濕度數(shù)據(jù)整數(shù)和小數(shù)部分以及校驗(yàn)和各占8bit[10]。

3.4尋跡控制程序

農(nóng)藥噴灑機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)，需要將兩對(duì)紅外傳感器模塊分別安裝于機(jī)器人的左側(cè)和右側(cè)，當(dāng)左側(cè)紅外傳感器模塊檢測(cè)輸出低電平信號(hào)給單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)I/O口輸出控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制機(jī)器人右轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)紅外傳感器模塊檢測(cè)輸出低電平信號(hào)給單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)I/O口輸出控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制機(jī)器人左轉(zhuǎn)；當(dāng)兩對(duì)紅外傳感器模塊均輸出高電平信號(hào)時(shí)，機(jī)器人前進(jìn)。在電機(jī)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，機(jī)器人的速度較快，所以在單片機(jī)程序中通過(guò)輸出PWM信號(hào)控制機(jī)器人的運(yùn)行速度。

3.5抽水器控制程序

抽水器控制程序根據(jù)抽水器每秒抽取液體的速度v（單位為m3?s）、按鍵模塊輸入某種配比試劑所需的量Q（單位為m3）來(lái)計(jì)算抽取時(shí)間t（單位為s），然后應(yīng)用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器定時(shí)抽取每種農(nóng)藥的量，從而達(dá)到配比效果，其計(jì)算公式為t=Q/v。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)藥噴灑機(jī)器人，用戶可以通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作環(huán)境的溫濕度信息；機(jī)器人能夠攜帶一定重量的農(nóng)藥，并根據(jù)事先設(shè)定好的比例進(jìn)行混合，根據(jù)所規(guī)劃的路徑進(jìn)行工作。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥噴灑的自動(dòng)控制，不僅節(jié)省了人力物力，而且提高了農(nóng)藥噴灑作業(yè)的安全性。

作者:譚潔 劉震 唐雪剛 秦順利 姚浪  唐洪 單位:銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院