基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的果樹農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)

引 言

隨著科技的進(jìn)步、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式已遠(yuǎn)不 能適應(yīng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。目前，我國大多數(shù)地區(qū)使用 的噴霧機(jī)（器）以小型為主，農(nóng)村使用最多的是背負(fù)式手動(dòng) 噴霧器和背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴霧器，無論結(jié)構(gòu)形式還是技術(shù)性能都很落后。在施藥過程中，“冒泡滴漏”導(dǎo)致中毒現(xiàn)象嚴(yán)重 ；零件易損壞，機(jī)具使用壽命短，噴灑部件單一，且噴頭質(zhì)量 差，壓力不均勻，霧化不好，藥效低，對(duì)土地的污染嚴(yán)重， 功率低下 ；農(nóng)藥的利用率低，手動(dòng)噴霧器農(nóng)藥的利用率僅為20%～30%，不但浪費(fèi)嚴(yán)重，也容易導(dǎo)致施藥人員中毒 [1-4]。

為提供更加高效安全的方法，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)中 [5]。本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的果樹農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境、物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操控、無線遙控等技術(shù)控制系統(tǒng)的移動(dòng)與噴灑，且可通過攝像頭或手機(jī)終端設(shè)備采集作物圖像確定果樹生長(zhǎng)的大小、病蟲害情況， 實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥定量噴灑，使噴灑作業(yè)更加自動(dòng)化，并增添更多人性化功能，具備兼容性好、安全度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 整體方案

本文系統(tǒng)對(duì)溫度、濕度及風(fēng)速等影響農(nóng)藥噴灑適宜度的環(huán)境因子 [6-8] 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后判斷是否符合噴灑條件，并將環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示到用戶手機(jī)界面。同時(shí)， 利用 Android APP 實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)地環(huán)境建模，利用鏈路狀態(tài)節(jié)點(diǎn)算法生成節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D，進(jìn)行路線合理規(guī)劃。并在系統(tǒng)前端、兩側(cè)接入超聲波測(cè)距模塊，通過大數(shù)據(jù)處理，識(shí)別判斷前方是否有果樹或其他障礙物，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡及時(shí)做出調(diào)整。通過仿真驗(yàn)證系統(tǒng)避障成功率，并進(jìn)行分析與優(yōu)化。另外，系統(tǒng)前端配置兩個(gè)攝像頭，進(jìn)行視頻定位及果樹大小分析，從而得出果樹噴灑量的算法。

在工作過程中，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)藥剩余量， 當(dāng)液面低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)回到起點(diǎn)等待人工裝料，電池電量低于預(yù)定值時(shí)也會(huì)通過手機(jī)端提醒用戶更換電池或及時(shí)充電。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 全面監(jiān)測(cè)果園環(huán)境數(shù)據(jù)

本文系統(tǒng)對(duì)果園環(huán)境的智能化監(jiān)測(cè)主要考慮了基于農(nóng)藥 噴灑適宜度的環(huán)境因子，采用多種監(jiān)測(cè)傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò) 對(duì)果園內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的溫度、濕度及風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集，并轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào)，利用 STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷是否符合噴灑條件。若不在預(yù)置范圍（即環(huán)境不適合噴灑作業(yè)），則系統(tǒng)不進(jìn)行工作，將分析結(jié)果通過WiFi模塊傳送至手機(jī)端 ； 若在預(yù)置范圍內(nèi)，則提醒用戶可進(jìn)行噴灑作業(yè)。系統(tǒng)運(yùn)行過 程中，溫濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)顯示在用戶的手機(jī)界面， 為農(nóng)業(yè)工作者帶來極大的便利。

2.2 系統(tǒng)噴灑路線規(guī)劃及智能避障

本文系統(tǒng)配套 Android APP 搭載用戶實(shí)地環(huán)境建模的功能。用戶首先根據(jù)果園內(nèi)果樹排列方式在手機(jī)界面以網(wǎng)絡(luò)格點(diǎn)的形式建立所有果樹位置的數(shù)學(xué)模型，然后選擇人工遙控功能在果園實(shí)地測(cè)量多個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)并輸入到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置上，最后在 APP 內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并利用鏈路狀態(tài)節(jié)點(diǎn)算法生成節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D，進(jìn)而得到整個(gè)果園中各點(diǎn)的坐標(biāo)圖紙， 如圖 1 所示。利用 Android 的 APP 界面將其顯示成網(wǎng)格狀， 用戶可任意繪制行走路線，通過 WiFi 模塊將運(yùn)行路線的坐標(biāo)數(shù)組發(fā)送到 STM32 單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)按用戶設(shè)定路線的自動(dòng)移動(dòng)，操作方便快捷。對(duì)于個(gè)別部分無法建立實(shí)地模型的不規(guī)則地形，用戶也可通過手機(jī)端近距離人工遙控系統(tǒng)移動(dòng)完成農(nóng)藥噴灑。此外，為了避免系統(tǒng)在運(yùn)行中碰撞到果樹或其他障礙物，在系統(tǒng)前端、兩側(cè)接入超聲波測(cè)距模塊，通過大數(shù)據(jù)處理對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡及時(shí)做出調(diào)整。

圍電路包括控制器最小系統(tǒng)、電源電路、外圍驅(qū)動(dòng)電路、串口通信電路、WiFi 通信電路等， 實(shí)現(xiàn) WiFi 通信與數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)與 WiFi 模塊通過串口連接。單片機(jī)接收指令控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以完成小車行走，通過 WiFi 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與Android 監(jiān)控平臺(tái)之間的通信。智能果樹農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

2.3 系統(tǒng)智能噴灑及藥量控制

考慮到圖像處理效率，系統(tǒng)采用野火 OV7725 攝像頭進(jìn)行圖像采集，根據(jù)采集到的圖像中黑白比例表示果樹大小， 利用模糊算法求得農(nóng)藥噴灑量。根據(jù)求解結(jié)果，利用 STM32 單片機(jī)輸出電信號(hào)，從而控制噴灑裝置對(duì)果樹進(jìn)行適量農(nóng)藥的噴灑。此外，采用薄膜壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)藥剩余量， 農(nóng)藥存儲(chǔ)器中內(nèi)置壓力傳感器，當(dāng)液面低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)指令，控制系統(tǒng)回到起點(diǎn)等待人工裝料，電池電量低于預(yù)定值時(shí)也會(huì)有電信號(hào)發(fā)送給用戶，提醒更換電池或及時(shí)充電。

3 整體設(shè)計(jì)

在整體方案的思想指導(dǎo)下，從工作原理方面，將物聯(lián)網(wǎng)果樹農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三大組成部分。

感知層 ：一方面，對(duì)周圍環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)信息（電量、藥量）進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 ；另一方面，在系統(tǒng)前端進(jìn)行圖像采集，對(duì)果樹的大小參數(shù)以及小車的行駛路徑參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

傳輸層 ：實(shí)現(xiàn) WiFi 通信與數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)用層 ：一方面，設(shè)計(jì) Android客戶端調(diào)控平臺(tái)， 以實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè) ；另一方面，進(jìn)行終端數(shù)據(jù)采集， 采用 STM32單片機(jī)作為核心控制器驅(qū)動(dòng)模塊，使小車按規(guī)定路線移動(dòng)，外圍兩側(cè)采用可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的霧化噴頭執(zhí)行農(nóng)藥噴灑。

物聯(lián)網(wǎng)果樹農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)控制示意如圖 2 所示。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由 STM32 主控模塊、傳感器監(jiān)測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、噴灑模塊、圖像采集模塊、WiFi 通信模塊六部分組成。采用 32 位的微處理器作為硬件設(shè)計(jì)核心，外圍電路包括控制器最小系統(tǒng)、電源電路、外圍驅(qū)動(dòng)電路、串口通信電路、WiFi 通信電路等，實(shí)現(xiàn) WiFi 通信與數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)與 WiFi 模塊通過串口連接。單片機(jī)接收指令控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以完成小車行走，通過 WiFi 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與Android 監(jiān)控平臺(tái)之間的通信。智能果樹農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用 Eclipse+ADT 的方案進(jìn)行 Android 應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境的搭建，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì) Android 應(yīng)用程序。為了方便程序的修改、維護(hù)、移植、擴(kuò)展，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想把程序分割成不同的功能模塊。系統(tǒng)復(fù)位或上電后，進(jìn)入主程序， 主程序負(fù)責(zé)處理中斷進(jìn)行任務(wù)調(diào)度 ；子程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)各子功能的實(shí)現(xiàn) ；中斷程序負(fù)責(zé)中斷事件的處理，中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)跳出主程序，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理后程序回到中斷發(fā)生前的狀態(tài)，從中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。本文系統(tǒng)中主程序運(yùn)行后首先完成系統(tǒng)初始化，然后調(diào)用相關(guān)子程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、模糊算法處理及無線通信等功能。程序界面的設(shè)計(jì)從功能設(shè)計(jì)出發(fā)，由登錄注冊(cè)、接收環(huán)境信息顯示及路線規(guī)劃三部分組成，這三個(gè)部分均采用 LinerLayout（線性布局） 方式。系統(tǒng)主程序流程如圖 4 所示。

6 Android客戶端應(yīng)用軟件開發(fā)

用戶界面的設(shè)計(jì)從功能設(shè)計(jì)出發(fā)，由登錄注冊(cè)、接收環(huán)境信息顯示及路線規(guī)劃三部分組成，這三個(gè)部分均采用LinerLayout 方式。

6.1 注冊(cè)登錄部分

屏幕中設(shè)置登錄頁面的布局文件文本編輯框和按鈕控件，TextView 作為賬號(hào)和密碼的提示，EditText 用以輸入賬號(hào)和密碼。另外，定義一個(gè)注冊(cè)新賬號(hào)按鈕和一個(gè)登錄按鈕。每個(gè)控件都有唯一的 ID 屬性值，從而實(shí)現(xiàn)在主程序中調(diào)用此控件。

6.2 接收環(huán)境信息顯示部分

接收環(huán)境信息顯示部分包括 GPS 位置信息、圖像收集及顯示模塊三個(gè) TextView 控件，接收來自車載服務(wù)器的數(shù)據(jù)， 從而實(shí)時(shí)顯示小車位置以及拍攝圖像。

6.3 路線規(guī)劃界面

通過整合優(yōu)化基于環(huán)境模型的勢(shì)場(chǎng)域法和柵格法，以及3D 路徑規(guī)劃的節(jié)點(diǎn)算法和混合算法，定義一個(gè)文本輸入控件，用戶輸入規(guī)劃后，程序就會(huì)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的子函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)小車按照用戶指定路徑行駛。

智能噴灑小車實(shí)物如圖 5 所示。

圖 5 智能噴灑小車

7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

7.1 避障成功率驗(yàn)證

本文以 10 盆不同大小的盆栽替代果樹，以 6 個(gè)空花盆替代障礙物進(jìn)行避障成功率實(shí)驗(yàn)。具體步驟為 ：

（1）將 10 盆不同大小的盆栽布置在 5m×5m 的空曠地面上 ；

（2）利用 APP 建立實(shí)地模型 ；

（3）將空花盆隨機(jī)布置在場(chǎng)地中 ；

（4）啟動(dòng)系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地所有盆栽進(jìn)行噴灑，并記錄避障成功率 ；

（5）調(diào)整空花盆的位置，重復(fù)步驟（4）以得到多組對(duì)比值。

避障成功率驗(yàn)證結(jié)果見表 1 所列。

7.2 藥量控制驗(yàn)證

在進(jìn)行藥量控制驗(yàn)證時(shí)，采用不同大小的盆栽多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)在進(jìn)行圖像采集后，根據(jù)采集到的二值圖像中黑白比例表示果樹大小，利用模糊算法求得農(nóng)藥噴灑量。顯然， 噴灑量與盆栽大小成正比關(guān)系，說明藥量控制算法可行。藥量控制驗(yàn)證如圖 6 所示。

8 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種以智能小車為載體的果樹農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，系統(tǒng)以實(shí)用與綠色節(jié)能為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)定噴灑路線，具備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)按需噴灑、智能避障、及時(shí)反饋信息、人工遙控等功能。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文系統(tǒng)避障成功率達(dá) 99.9%，對(duì)不同大小果樹噴灑藥量合適，能夠高效率、高精度、零排放地完成用戶指定的噴灑任務(wù)。同時(shí)搭載Android 應(yīng)用程序，為農(nóng)業(yè)的智能生產(chǎn)、高效作業(yè)提供可行方案 [9-10]。該系統(tǒng)可適用于各種環(huán)境下的農(nóng)藥噴灑，便于提供更加人性化的服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。