摘要：為減少農(nóng)藥使用量，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量并保障工作人員健康，設(shè)計(jì)了適用于溫室的無(wú)人自動(dòng)噴霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制器、噴霧執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及軌道三部分組成。為適用于不同的溫室環(huán)境，該系統(tǒng)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的工作方式和轉(zhuǎn)速來(lái)控制噴霧執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作方向和行走速度，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室的無(wú)人自動(dòng)噴霧。

關(guān)鍵詞：溫室；無(wú)人自動(dòng)噴霧系統(tǒng)；控制器；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：Ｓ１２６；Ｓ２７５．９文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０11）03－0５８７-0２

Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Uｎｍａｎｎｅｄ Aｕｔｏｍａｔｉｃ Sｐｒａｙ Sｙｓｔｅｍ ｏｆ Gｒｅｅｎｈｏｕｓｅ

ＣＨＥＮ Ｌａｉ－ｒｏｎｇ１，ＪＩ Ｒｏｎｇ－ｈｕａ２，ＺＨＡＯ Ｙａ－ｑｉｎｇ２，ＭＡＮＧ Ｌｕ２

（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ；

２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ）

Abstract: An unmanned automatic greenhouse spray system was designed in order to reduce pesticide use，to improve the quality of agricultural products and protect operator health. The system consists of three parts: controller， sprayer unit and track. The control of the manner and speed of stepper motor of the system achieved by controlling the walking direction and speed of sprayer. So it could realize unmanned automatic spray in greenhouse and could be applied to different greenhouse.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ； ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｐｒａｙ ｓｙｓｔｅｍ； ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ； ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ

近年來(lái)我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，設(shè)施農(nóng)業(yè)面積與產(chǎn)品產(chǎn)量均穩(wěn)居世界首位。相對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，設(shè)施農(nóng)業(yè)農(nóng)藥使用次數(shù)多，使用量大，農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留量嚴(yán)重。因此，采用先進(jìn)的控制技術(shù)，研制和開(kāi)發(fā)新型溫室內(nèi)專(zhuān)用施藥裝備，對(duì)于提高農(nóng)藥使用效率，最大程度減少農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益具有重大意義［１－４］。

目前發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用于溫室的植保機(jī)械基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的市場(chǎng)化和品種的系列化，能適應(yīng)不同規(guī)模及用途的設(shè)施內(nèi)使用農(nóng)藥的要求。美國(guó)Ｒｏｗｅ等［５］設(shè)計(jì)的溫室自動(dòng)噴藥系統(tǒng)由藥箱、空氣壓縮機(jī)、噴藥裝置、控制藥箱壓力和操作定時(shí)器組成，該系統(tǒng)可以在晚上工作。Ｄｒａｍｍ Ａｕｔｏｆｏｇ噴霧系統(tǒng)采用一個(gè)自動(dòng)的煙霧生成器和一個(gè)循環(huán)風(fēng)扇進(jìn)行自動(dòng)噴施［６］。意大利的Ｂｅｌｆｏｒｔｅ等［７］研發(fā)了用于溫室的機(jī)器人系統(tǒng)。日本常溫?zé)熿F機(jī)采用靜電噴霧技術(shù)對(duì)藥劑的微粒給予高壓靜電，使其與作物之間產(chǎn)生靜電引力而吸附于作物。但這些系統(tǒng)造價(jià)普遍偏高，在我國(guó)還難以普及推廣。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所也進(jìn)行了相關(guān)的研究與開(kāi)發(fā)。南京農(nóng)機(jī)化研究所研制的３ＹＣ－５０型溫室專(zhuān)用常溫?zé)熿F機(jī)實(shí)現(xiàn)了噴射與操控空間的完全分離，主要用于溫室內(nèi)蔬菜和花卉的病蟲(chóng)害防治［８］。陳志青［９］研究了智能對(duì)靶噴霧室內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用配套的動(dòng)力噴霧機(jī)完成噴霧作業(yè)。陳艷巧［１０］對(duì)溫室型電動(dòng)彌霧機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，保證霧滴在一定噴幅內(nèi)被均勻地彌散在作物上。

針對(duì)溫室內(nèi)空間密閉、溫度高和濕度大的特點(diǎn)，本課題組設(shè)計(jì)了一種超低量、小霧滴，能夠用于溫室的自動(dòng)噴霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制噴頭的位置，電磁閥控制噴頭的流量，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)噴藥。

１溫室無(wú)人自動(dòng)噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室無(wú)人自動(dòng)噴霧系統(tǒng)主要由噴霧機(jī)構(gòu)、控制器和軌道組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖１所示。

為實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)構(gòu)在溫室內(nèi)自動(dòng)行走并執(zhí)行噴灑作業(yè)，設(shè)計(jì)了一個(gè)導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌沿溫室長(zhǎng)軸方向搭建，導(dǎo)軌上安裝一個(gè)可以滑動(dòng)的小車(chē)，小車(chē)由步進(jìn)電機(jī)控制沿導(dǎo)軌滑行。在導(dǎo)軌上自由運(yùn)動(dòng)的小車(chē)帶動(dòng)噴桿沿預(yù)訂軌道做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)噴頭流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在藥液輸出端安裝一個(gè)電磁閥，該電磁閥由控制器控制其開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人噴霧。

系統(tǒng)控制器主要控制系統(tǒng)的行走速度和噴頭流量，是整個(gè)噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，施藥系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)和工作質(zhì)量很大程度上都依賴(lài)于控制器的設(shè)計(jì)。根據(jù)控制器的功能要求，選擇AT８９Ｃ５２單片機(jī)作為控制器?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖２所示。

２溫室無(wú)人自動(dòng)噴霧系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要功能是根據(jù)輸入信號(hào)對(duì)噴頭位置與流量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制?？刂葡到y(tǒng)由系統(tǒng)初始化模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊和電磁閥控制模塊三部分組成。其中步進(jìn)電機(jī)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)噴桿行走的控制；電磁閥控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的自動(dòng)控制。

２．１步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

通過(guò)步進(jìn)電機(jī)工作方式和轉(zhuǎn)速控制小車(chē)的運(yùn)行方向和速度。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制原理，系統(tǒng)采用四項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)完成環(huán)形分配器設(shè)計(jì)?；趯?duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減小角度方面考慮，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用四相八拍工作方式，通電順序?yàn)椋痢粒隆隆拢谩谩茫摹摹模痢痢２竭M(jìn)電機(jī)的控制方案如表１所示。

按照表１制成一張狀態(tài)表并存放到內(nèi)存中。控制器按照步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的控制要求，將狀態(tài)表的內(nèi)容取出來(lái)并送至Ｐ１口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)工作方式的控制。

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是通過(guò)控制各通電狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，即系統(tǒng)發(fā)出ＣＰ脈沖的頻率或者換相的周期。ＡＴ８９C５２單片機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)兩種辦法確定ＣＰ脈沖的周期：軟件延時(shí)和定時(shí)器延時(shí)法。本系統(tǒng)采用軟件延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)。

２．２電磁閥的控制

在系統(tǒng)中，電磁閥響應(yīng)速度是關(guān)鍵性的控制參數(shù)，電磁閥響應(yīng)速度太慢會(huì)導(dǎo)致噴桿末端的噴頭流量無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制效果。故選用德國(guó)Bｕｒｋｅｒｔ公司生產(chǎn)的６２２３型電磁閥，該電磁閥的響應(yīng)時(shí)間以微秒級(jí)為單位。

控制器通過(guò)編程控制Ｉ／Ｏ口（Ｐ０）輸出控制信號(hào)，Ｐ０口通過(guò)光電隔離電路后與三極管的基極相接。經(jīng)過(guò)三極管放大電路使電流達(dá)到可以驅(qū)動(dòng)電磁閥正常工作的３３０ ｍＡ。當(dāng)Ｐ０口輸出的控制信號(hào)為高電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，加在三極管基極的電勢(shì)等于Ｖｃｃ，促使三極管導(dǎo)通，電磁閥繼電器控制端被接通，電磁閥打開(kāi)開(kāi)始噴霧；當(dāng)Ｐ０口輸出的控制信號(hào)為低電平時(shí)，發(fā)光二極管中斷，加在三極管基極的電勢(shì)等于零，三極管截止，電磁閥繼電器控制端被斷開(kāi)，電磁閥關(guān)閉停止噴霧。

３小結(jié)

目前，背負(fù)式手動(dòng)噴霧機(jī)是我國(guó)溫室內(nèi)主要的施藥機(jī)具，存在著噴霧質(zhì)量差、噴霧不均勻、操作者與農(nóng)藥直接接觸等問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了溫室自動(dòng)噴霧系統(tǒng)。溫室自動(dòng)噴霧系統(tǒng)主要由噴霧機(jī)構(gòu)、控制器和軌道三部分組成，其中控制器通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的行走方向和速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制噴桿在軌道上的行走；通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧。操作者通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)能夠有效減少環(huán)境污染，保護(hù)操作人員的安全，對(duì)改進(jìn)我國(guó)溫室施藥技術(shù)具有重要意義。

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