劉建龍，余 剛，孟力力，柳 軍

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，江蘇南京 210014)

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。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，設(shè)施農(nóng)業(yè)的農(nóng)藥使用次數(shù)多、使用量大，農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留嚴(yán)重。因此采用先進(jìn)的控制技術(shù)研制和開(kāi)發(fā)新型設(shè)施內(nèi)專用施藥裝備，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)用于農(nóng)業(yè)設(shè)施的植保機(jī)械基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的市場(chǎng)化和品種的系列化，但這些系統(tǒng)造價(jià)普遍偏高，在我國(guó)還難以普及推廣。背負(fù)式手動(dòng)噴霧機(jī)是我國(guó)溫室內(nèi)的主要施藥機(jī)具，存在噴霧質(zhì)量差、噴霧不均勻、操作者與農(nóng)藥直接接觸等問(wèn)題[5-7]。

農(nóng)業(yè)設(shè)施大棚空間密閉、高溫高濕，人工植保噴藥時(shí)會(huì)對(duì)人體造成很大傷害[8-9]，為解決這一問(wèn)題，本研究將機(jī)械設(shè)計(jì)、氣壓技術(shù)、電氣控制與自走噴藥技術(shù)集成應(yīng)用到農(nóng)業(yè)植保機(jī)械上，設(shè)計(jì)一種用于設(shè)施大棚栽培的遙控自走式噴藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線遙控控制噴藥系統(tǒng)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)施藥。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

遙控自走式噴藥系統(tǒng)主要由軌道系統(tǒng)、遙控行走器、噴藥系統(tǒng)等3部分組成。在設(shè)施大棚內(nèi)架設(shè)鋼絲纜繩及支撐結(jié)構(gòu)，將行走機(jī)構(gòu)懸掛在鋼絲軌道上并通過(guò)行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走，噴藥組件位于行走機(jī)構(gòu)下部。系統(tǒng)選用單片機(jī)作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的互聯(lián)協(xié)作。噴藥系統(tǒng)采用噴藥泵為動(dòng)力，噴桿采用伸縮式單點(diǎn)吊掛平衡機(jī)構(gòu)，加裝多個(gè)噴頭，噴藥寬度可以根據(jù)植株寬度的不同而隨意調(diào)節(jié)，每個(gè)噴頭單獨(dú)設(shè)置開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)噴灑過(guò)程中的藥量控制。系統(tǒng)開(kāi)始工作后，無(wú)線遙控器將預(yù)處理信息(主要包括裝置的啟停、前進(jìn)、后退、加速、減速)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)將接收到的指令進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)以確保指令準(zhǔn)確有效，當(dāng)操作者進(jìn)行大棚作業(yè)時(shí)只需通過(guò)遙控器操作即可實(shí)現(xiàn)藥劑的自走式噴灑，在不侵占大棚種植面積的前提下實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的噴灑。該裝置噴灑均勻、效果顯著，噴頭防滴漏節(jié)約用水，折疊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于安裝，全自動(dòng)往復(fù)運(yùn)行，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)減少藥物對(duì)人體的傷害、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

遙控自走式噴藥系統(tǒng)的控制器是系統(tǒng)控制的核心，整個(gè)硬件電路包括音頻播報(bào)模塊、無(wú)線遙控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊等。系統(tǒng)選用STM32F103增強(qiáng)型單片機(jī)作為自動(dòng)噴藥系統(tǒng)的微控制器。

STM32F103處理器的最小系統(tǒng)電路原理如圖2所示。

2.1 無(wú)線遙控系統(tǒng)

系統(tǒng)選用的是超再生無(wú)線接收模塊，它通過(guò)天線接收到無(wú)線電信號(hào)后，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除噪聲信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從而得到所需要的無(wú)線信號(hào)。其中解碼芯片選用的是SC2272-M4瞬態(tài)型、4位數(shù)據(jù)輸出無(wú)線接收芯片，是與SC2260-R4/SC2262配對(duì)使用的一款無(wú)線遙控解碼集成電路。遙控器發(fā)出的指令信號(hào)由傳輸芯片傳給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)一步控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到噴藥裝置自動(dòng)運(yùn)行的效果。

SC2272-M4的A0～A7端是芯片的地址碼設(shè)置端口，只有當(dāng)接收端的地址碼和發(fā)射端的地址碼設(shè)置完全相同時(shí)，輸出端才有輸出信號(hào)；SC2272-M4可對(duì)從Din接收的串行信號(hào)進(jìn)行解碼。單片機(jī)電路采用STM32來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的處理和開(kāi)關(guān)電路的控制。STM32的PC6～PC9端作為數(shù)據(jù)輸入端口，分別和解碼芯片SC2272-M4的數(shù)據(jù)輸出D3～D0端連接；PC10、PC11、PC12與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接，傳送從單片機(jī)輸出的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱PWM)波或控制指令到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速、減速控制。SC2272-M4與STM32的電路連接原理如圖3所示。

2.2 語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)

為更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，充分利用單片機(jī)的資源，在按下遙控器按鍵后，裝置在執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作前進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，以提醒操作者確認(rèn)當(dāng)前動(dòng)作是否正確；同時(shí)在調(diào)整運(yùn)行速度過(guò)程中進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，提示當(dāng)前裝置的運(yùn)行速度。本系統(tǒng)選用的是MP3-FLASH-16P語(yǔ)音模塊(帶串口)，很好地集成了MP3等音頻格式文件(WAV)的硬解碼，同時(shí)支持工業(yè)級(jí)的串口通信協(xié)議，以串行外圍接口設(shè)備(SPI)存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)介質(zhì)，該模塊可降低成本，同時(shí)增加產(chǎn)品的穩(wěn)定性。另外該模塊集成了3 W的功放，直接外接喇叭即可實(shí)現(xiàn)音頻播報(bào)，模塊支持10段語(yǔ)音的指定觸發(fā)播放。語(yǔ)音播報(bào)模塊與單片機(jī)電路連接示意如圖4所示。

首先使用科大訊飛語(yǔ)音軟件把要表達(dá)的信息由文字變?yōu)橐纛l文件；其次對(duì)得到的音頻文件進(jìn)行修飾，比如音量的大小、語(yǔ)速的快慢等；然后將音頻文件壓縮下載到MP3-FLASH-16P語(yǔ)音模塊中。語(yǔ)音模塊等待由STM32接收無(wú)線遙控器發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)，根據(jù)讀取的信息判斷要播放的是哪段音頻文件；然后從存儲(chǔ)單元中找到相應(yīng)的存儲(chǔ)地址，開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)并在通過(guò)揚(yáng)聲器時(shí)把數(shù)字文件還原為語(yǔ)音。

2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)

系統(tǒng)利用STM32的定時(shí)器PWM模式產(chǎn)生所需要的PWM波。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比。

使用單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的接線方法如圖5所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板接電源+3.3 V，單片機(jī)的電源與驅(qū)動(dòng)板控制信號(hào)電源應(yīng)共地。驅(qū)動(dòng)模塊的ENA與單片機(jī)的PWM波輸出端口相連，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速；模塊引腳IN1和IN2與單片機(jī)的2個(gè)IO口相連控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)及剎車。

2.4 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用聚合物鋰電池作為電源儲(chǔ)能元件，它以鈷酸鋰材料為正極，碳材料為負(fù)極，電解質(zhì)采用固態(tài)或凝膠態(tài)有機(jī)導(dǎo)電膜組成，并采用鋁塑膜做外包裝。聚合物鋰電池具有高能量密度、小型化、薄型化、輕量化、高安全性及低成本的特點(diǎn)；同時(shí)無(wú)有毒元素，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

由圖6可知，過(guò)充電控制管FET2和過(guò)放電控制管FET1串聯(lián)于電路中，由保護(hù)集成電路(integrated circuit，簡(jiǎn)稱IC)監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，當(dāng)電池電壓上升至4.20 V時(shí)，過(guò)充電保護(hù)管FET1截止，停止充電。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)下，電池電壓降至2.55 V時(shí)，過(guò)放電控制管FET1截止，停止向負(fù)載供電。

3 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 軌道系統(tǒng)

行走軌道主要由鋼絲繩、鎖緊器、支撐架組成，根據(jù)設(shè)施大棚的鋼架結(jié)構(gòu)架設(shè)鋼絲軌道，鋼絲軌道穿透大棚側(cè)墻，并通過(guò)錨索植入地面，以增加抗拉強(qiáng)度，同時(shí)每隔4～5 m安裝1個(gè)支撐架，對(duì)鋼絲軌道進(jìn)一步加固以減小裝置的“爬坡”阻力，同時(shí)增加裝置在軌道上的支撐力，使鋼絲軌道在受拉的情況下還能保持水平，從而使行走機(jī)構(gòu)可以在鋼絲繩上平穩(wěn)行走工作。

3.2 行走機(jī)構(gòu)

帶有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步輪安裝在裝置上半部分，并與行走輪固定安裝，整個(gè)行走機(jī)構(gòu)懸掛在鋼絲軌道上運(yùn)行；電氣控制盒和藥桶安裝在機(jī)架中央部位，藥桶通過(guò)高壓軟管與噴藥裝置相連，遙控器設(shè)置多個(gè)操作按鍵，用戶可根據(jù)需求發(fā)送相應(yīng)指令，控制系統(tǒng)接收遙控器指令信號(hào)并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)裝置的開(kāi)啟、關(guān)閉、正向、反向、加速、減速等，且行走速度設(shè)置多個(gè)等級(jí)供操作者選擇。行走機(jī)構(gòu)自支撐桿設(shè)有調(diào)節(jié)旋鈕，可以上下調(diào)節(jié)底部噴藥系統(tǒng)的高度，以適應(yīng)不同生長(zhǎng)時(shí)期植株高度的需要。

3.3 噴藥系統(tǒng)

噴藥系統(tǒng)主要由噴藥泵、噴桿、噴頭、噴藥管等組成。在機(jī)架下方安裝有可自動(dòng)伸展折疊的噴藥裝置，噴藥系統(tǒng)選用噴藥泵為動(dòng)力設(shè)備，噴桿采用伸縮折疊式單點(diǎn)吊掛平衡機(jī)構(gòu)，噴桿加裝多個(gè)噴頭，噴藥寬度可以根據(jù)植株寬度的不同而隨意調(diào)節(jié)，每個(gè)噴頭單獨(dú)設(shè)置開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)噴灑過(guò)程中的藥量控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)噴藥系統(tǒng)的作業(yè)要求，控制系統(tǒng)須實(shí)現(xiàn)以下功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)檢測(cè)到遙控器發(fā)來(lái)的指令信號(hào)時(shí)，能夠及時(shí)響應(yīng)并控制直流電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)伴隨語(yǔ)音播報(bào)進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)程序包括初始化主程序與中斷子程序以及計(jì)時(shí)器程序。本研究采用Keil軟件集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。主程序流程如圖7所示。

單片機(jī)STM32F103收到的信息指令分別是工作/停止指令、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)指令、加速/減速指令。收到遙控信息后，先根據(jù)第1個(gè)指令判斷裝置電機(jī)是否運(yùn)行，再根據(jù)電機(jī)正反轉(zhuǎn)指令控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊引腳的置位或復(fù)位，通過(guò)改變PWM波的占空比進(jìn)行調(diào)速，過(guò)載時(shí)進(jìn)行停機(jī)保護(hù)控制并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將報(bào)警信號(hào)回傳給語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行提醒確認(rèn)。

5 系統(tǒng)調(diào)試及試驗(yàn)

將裝配好的自動(dòng)噴藥裝置掛在鋼絲繩軌道上，系統(tǒng)在大棚內(nèi)的安裝調(diào)試如圖8所示。大棚的基本參數(shù)為長(zhǎng)度50 m，跨度8 m，脊高2.8 m，肩高1.2 m；噴頭數(shù)量為6個(gè)；噴藥系統(tǒng)離地高度為0.5 m。測(cè)試環(huán)境參數(shù)如表1所示，主要的試驗(yàn)內(nèi)容包括系統(tǒng)性能測(cè)試(表2)和行走穩(wěn)定性測(cè)試(表3)。對(duì)控制系統(tǒng)的測(cè)試采用極限條件下的使用試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)行走速度的測(cè)試采用計(jì)時(shí)秒表和測(cè)量米尺來(lái)進(jìn)行。

表1 測(cè)試環(huán)境

6 結(jié)論

采用遙控自走式噴藥系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)施藥可以有效地解決病害問(wèn)題，并在降低農(nóng)藥環(huán)境壓力、節(jié)約農(nóng)藥用量的同時(shí)減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，減少農(nóng)藥對(duì)人體的傷害，可將農(nóng)藥科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、安全、高效地噴灑到作物上，提高農(nóng)藥的有效利用率，減少設(shè)施大棚內(nèi)的空氣和環(huán)境污染[10-12]。同時(shí)還可以在設(shè)施大棚生產(chǎn)中把農(nóng)藥的藥效發(fā)揮到最大，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。另外該裝置還可以用來(lái)進(jìn)行噴水灌溉，適合在設(shè)施農(nóng)業(yè)中進(jìn)行大面積推廣。

表2 系統(tǒng)性能測(cè)試

表3 行走穩(wěn)定性測(cè)試

[1]羅錫文，廖 娟，胡 煉，等.提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(1)：1-11.

[2]劉豐樂(lè)，張曉輝，馬偉偉，等.國(guó)外大型植保機(jī)械及施藥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(3)：246-248，252.

[3]徐希春，初 江，高曉惠.設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008，35(8)：237-240.

[4]鄧 敏，邢子輝，李 衛(wèi).我國(guó)施藥技術(shù)和施藥機(jī)械的現(xiàn)狀及問(wèn)題[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014(5)：235-238.

[5]陳來(lái)榮，冀榮華，趙亞青，等.溫室無(wú)人自動(dòng)噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50(3)：587-589.

[6]梅銀成，祁力鈞，冀榮華，等.溫室自走式彌霧機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，20(1)：170-175.

[7]馮德育，孫華琴，洪 桂.淺析江蘇植保機(jī)械化發(fā)展技術(shù)方向[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2016(14)：31，33.

[8]鄭文靜，么鴻雁，劉劍君.溫室環(huán)境對(duì)作業(yè)人員健康危害的研究進(jìn)展[J].中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2011，12(3)：295-297.

[9]吳 曼，李 響，馬康貧，等.江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀分析與對(duì)策思考[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，22(7)：52-57.

[10]李玉同.淺談高效植保機(jī)械化裝備與技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2013，39(6)：8-9.

[11]彭 彬，羅東威，王 樨.遙控飛行植保機(jī)械化技術(shù)的對(duì)比驗(yàn)證分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2016(2)：55-58，62.

[12]劉雪美，李 揚(yáng)，李 明，等.噴桿噴霧機(jī)精確對(duì)靶施藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(3)：37-44.