黃吉武

摘 要：本文介紹一種基于超聲波的葡萄園智能噴霧控制系統(tǒng)，能自動(dòng)完成距離測(cè)控，智能噴霧，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，可實(shí)現(xiàn)噴霧過(guò)程的自動(dòng)化。本系統(tǒng)分別從硬件和軟件兩大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)建，硬件上基于單片機(jī)為核心的電路和車載平臺(tái)，軟件上基于增量式PID控制算法的控制算法，適用葡萄園不同特征變量的植株的高效節(jié)約的噴霧。

關(guān)鍵詞：智能噴霧；單片機(jī)；增量式PID控制算法；高效節(jié)約的噴霧

農(nóng)作物的灌溉和噴霧技術(shù)在當(dāng)代中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)的自控噴霧效率還是相當(dāng)?shù)偷模Y源浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重。大部分地區(qū)還是采用傳統(tǒng)的人工噴霧或效率不高的機(jī)械噴霧，不能很好的實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的有效利用。目前我國(guó)噴藥利用率只有40%左右，而發(fā)達(dá)國(guó)家的噴藥利用率可達(dá)到80%-90%，如果采用先進(jìn)的灌溉技術(shù)，將我國(guó)的噴藥利用率提高到60%一70%，這樣可以很大程度上節(jié)省了很多的農(nóng)藥和水資源。以農(nóng)藥和水源的可持續(xù)利用促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

一、葡萄園智能噴霧車載平臺(tái)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)運(yùn)行的車載平臺(tái)部分設(shè)計(jì)如圖1。整個(gè)噴霧平臺(tái)是安建于一個(gè)小型農(nóng)用四驅(qū)車上。核心部分為該系統(tǒng)的心臟-噴霧控制器，噴桿上每隔50cm裝一個(gè)超聲波檢測(cè)器及相應(yīng)的安裝一個(gè)霧化噴頭，采用了四路采集葡萄植株的特征變量（高度，行距），三路采集反饋信號(hào)（噴霧流量，噴速，水壓），四路霧化噴水對(duì)目標(biāo)葡萄植株進(jìn)行高效節(jié)約穩(wěn)定的噴霧。另外包括了噴霧底座、水泵水箱一體機(jī)及其他支撐平臺(tái)的合理設(shè)計(jì)，讓整個(gè)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)都能穩(wěn)定高效的運(yùn)行和工作。

二、葡萄園智能噴霧控制系統(tǒng)的原理

本系統(tǒng)的控制原理如圖2示。四路超聲波傳感器采集到目標(biāo)植株的特征變量并將數(shù)據(jù)傳送到從機(jī)MCU即信號(hào)采集單元，從機(jī)MCU再將數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪等處理后經(jīng)過(guò)RS485通訊傳送到主機(jī)MCU即邏輯與算法執(zhí)行單元。主機(jī)MCU通過(guò)邏輯判斷和算法分析之后，調(diào)整車載平臺(tái)的姿態(tài)和四路電磁水閥的開(kāi)通狀態(tài)，對(duì)目標(biāo)植株的有效部位進(jìn)行智能噴霧，同時(shí)三路反饋傳感器采集噴霧的流量，水速和壓力等狀態(tài)，并將反饋信號(hào)反饋回從機(jī)MCU，從而智能地控制水閥的工作狀態(tài)，合理地調(diào)節(jié)噴霧的水量和水速，達(dá)到節(jié)約資源的效果。

三、算法和邏輯的程序?qū)崿F(xiàn)

1.數(shù)據(jù)采集和處理

本系統(tǒng)所采用的超聲波傳感器和三路反饋傳感器的數(shù)據(jù)存在很大的雜波和溫飄問(wèn)題，只有經(jīng)過(guò)濾波降噪處理才能準(zhǔn)確的測(cè)量和利用。本系統(tǒng)針對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的處理采用了滑動(dòng)平均濾波法?；瑒?dòng)平均濾波法又稱遞推平均濾波法，程序?qū)崿F(xiàn)如下：連續(xù)取 N 個(gè)采樣值看成一個(gè)循環(huán)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為 N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)（先進(jìn)先出原則），濾波器每次輸出的數(shù)據(jù)總是當(dāng)前隊(duì)列中的 N 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。該辦法適用于高頻振蕩的系統(tǒng)，對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。

2.系統(tǒng)的邏輯判斷

噴桿上每隔50cm安裝一個(gè)超聲波檢測(cè)器，對(duì)目標(biāo)植株不同高度部位進(jìn)行檢測(cè)，識(shí)別出噴霧有效部位，例如當(dāng)頂層的超聲波檢測(cè)器采集到距離前方植株的距離為50cm，即默認(rèn)為植株高為2cm，則應(yīng)該開(kāi)啟最頂層的電磁水閥對(duì)該植株進(jìn)行噴霧。

3.系統(tǒng)控制算法

本系統(tǒng)采用的智能控制算法為增量式的PID反饋控制算法。增量式PID控制，數(shù)字PID控制算法的一種基本形式，是通過(guò)對(duì)控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）進(jìn)行PID控制的一種控制算法。增量式PID控制根據(jù)位置式PID控制公式，寫(xiě)出n-1時(shí)刻的控制量：

具體而言，設(shè)置水閥的一個(gè)初始閾值M0，水閥的當(dāng)前實(shí)時(shí)值為M1，歷史值為M2，則n-1刻的誤差增量為e[n-1]=（M1-M0），歷史n-2時(shí)刻誤差e[n-2]=（M2-M0）；分別對(duì)比例，微分，積分的參數(shù)進(jìn)行整定，使出水閥的控制狀態(tài)穩(wěn)定在初始閾值M0.注意這里的實(shí)時(shí)值和歷史值均由反饋傳感器采集而得。

四、系統(tǒng)最終達(dá)到的理想效果

A.超聲波能快速精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)植株的特征（高度，位置）；

B.車載平臺(tái)可以行使到剛好距離目標(biāo)植株50cm的正中央處；

C.4路電磁閥可以根據(jù)對(duì)應(yīng)超聲波識(shí)別的結(jié)果靈活的開(kāi)閉；

D.觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的各種狀態(tài)，包括噴水狀態(tài)，車載平臺(tái)的姿態(tài)，以及各路傳感器的數(shù)據(jù)等。

通過(guò)流量，速度，壓力三者反饋的信號(hào)，主機(jī)MCU可以快速穩(wěn)定的控制電磁閥的狀態(tài)，控制出水量和噴水速度。

E.噴霧時(shí)間可以自定義，但不宜過(guò)長(zhǎng)和過(guò)短。超過(guò)噴霧時(shí)間可以馬上關(guān)閉電磁閥。

F.實(shí)現(xiàn)觸摸屏與MCU的雙向通信。用戶可以直接通過(guò)觸摸屏直接在平臺(tái)上調(diào)試和操作。也可以在觸摸屏看到基本的數(shù)據(jù)和信息。

五、結(jié)語(yǔ)

該葡萄園噴霧智能控制系統(tǒng)屬于農(nóng)業(yè)噴灌自控領(lǐng)域的一種智能系統(tǒng)。通過(guò)車載平臺(tái)的運(yùn)行支持，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬇袛?，可靠的核心算法，以及穩(wěn)定的電源電路組成的整個(gè)基于超聲波的葡萄園智能噴霧控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)了我國(guó)噴灌技術(shù)的不足，有效的提高了噴霧的效率和速度，并且節(jié)約了寶貴的資源，是具有強(qiáng)大潛力和美好前景的一種系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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