汪東，茹煜，劉洋洋，劉彬

(1. 南京森林警察學(xué)院，南京市，210023； 2. 南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京市，210037)

0 引言

隨著我國城市化腳步的加快，園林發(fā)展也越來越受到重視。病蟲害是影響城市園林質(zhì)量最為主要的因素之一，園林病蟲害種類高達(dá)600余種[1]。園林植物病蟲害防治技術(shù)與設(shè)備還不夠完善，其中主要表現(xiàn)在病蟲害防治過程中不科學(xué)地使用農(nóng)藥。目前園林、果園的植保方式主要是人工噴灑農(nóng)藥和小型車載式施藥，但該方式噴幅較窄、噴灑距離有限，導(dǎo)致施藥效率低[2]。而中國的種植地的地形多種多樣，機(jī)械化施藥技術(shù)對農(nóng)藥的利用率只有30%，嚴(yán)重制約了病蟲害防治效果[3-4]。由于施藥機(jī)械的機(jī)身自重和噪音較大以及機(jī)身溫度較高，人工背負(fù)施藥機(jī)械作業(yè)的方式，作業(yè)的勞動強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性高，容易出現(xiàn)施藥人員中毒現(xiàn)象。園林作業(yè)勞動強(qiáng)度大，但是適用園林的機(jī)械設(shè)備少，并且作業(yè)效率低，嚴(yán)重制約園林產(chǎn)業(yè)發(fā)展[5-6]。人工施藥的施藥量不均勻，容易出現(xiàn)施藥過量或施藥不足等現(xiàn)象，對農(nóng)藥的利用率較低，不能滿足現(xiàn)代園林植保的要求。移動植保技術(shù)是園林生產(chǎn)中的重要組成部分，采用移動噴霧防治園林病蟲害，能夠快速高效地完成病蟲草害的防治，有效減少噴霧作業(yè)勞動強(qiáng)度，提升噴霧作業(yè)的工作效率[7]。趙林亭等[8]研發(fā)的果園自走式電動底盤控制系統(tǒng)可以滿足園林植保作業(yè)載重等性能要求，但無法實(shí)現(xiàn)施藥情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，而在實(shí)際作業(yè)的過程中，精準(zhǔn)監(jiān)測施藥情況尤為重要。

精準(zhǔn)施藥是園林植保未來的發(fā)展方向之一，精準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的前提[9]。為此國內(nèi)學(xué)者展開了監(jiān)測施藥流量的研究。陸章濤[10]設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的施藥監(jiān)測系統(tǒng)，通過速度、流量、壓力傳感器獲得施藥監(jiān)控點(diǎn)的信息，實(shí)現(xiàn)對施藥信息的準(zhǔn)確采集。翟長遠(yuǎn)等[11]設(shè)計(jì)的施藥監(jiān)測系統(tǒng)，以單片機(jī)為基礎(chǔ)，將藥液噴灑流量、藥箱內(nèi)部壓力等其他變量作為施藥參量，并通過單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各施藥參量顯示。孫琦設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的施藥監(jiān)測系統(tǒng)，通過利用串行接口通信、數(shù)據(jù)庫編輯處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡單近距離傳輸數(shù)據(jù)。陸永超等[12]研發(fā)了果園藥液噴灑監(jiān)測系統(tǒng)，將多元傳感器整合在單片機(jī)之上，實(shí)現(xiàn)噴霧壓力、流量、速度和藥液余量的監(jiān)測。以上研究都可以同時(shí)監(jiān)測施藥速度，施藥壓力和流量，但沒有軌跡監(jiān)測功能，而要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，對軌跡監(jiān)測尤為重要。為實(shí)現(xiàn)施藥全過程的監(jiān)測，本文研發(fā)出的移動噴霧作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對園林病蟲害防治作業(yè)，能對移動施藥進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有顯示施藥車的軌跡、車速、施藥流量和藥箱藥液余量等信息的功能。

1 遠(yuǎn)程施藥監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的園林施藥監(jiān)測系統(tǒng)由施藥作業(yè)系統(tǒng)和作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)組成。

1.1 施藥作業(yè)系統(tǒng)

施藥作業(yè)系統(tǒng)可分為車體、藥箱兩大部件，如圖1所示[13]。

圖1 移動噴霧施藥監(jiān)測系統(tǒng)總裝圖Fig. 1 General layout of mobile spray monitoring system

車體的作用是承載藥箱移動施藥，車體設(shè)計(jì)主要包括底盤和動力系統(tǒng)，如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用6個(gè)全地形防爆車胎，以保證施藥在草地、碎石路、泥土路以及水泥路上安全行駛。其中兩個(gè)前輪主要是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向與承載車頭重量，4個(gè)后輪前后間距較小的設(shè)計(jì)可以增加施藥車的載重量，又可以減小了因道路不平整造成的藥箱中藥液的晃動。底盤架(長130 cm、寬80 cm)采用4060型號的鋁型材做成，可以滿足施藥車的車體的強(qiáng)度要求，可載重150 kg以上。

圖2 移動小車實(shí)物圖Fig. 2 Physical picture of moving car

動力系統(tǒng)采用4個(gè)蓄電池，形成輸出為24 V10 A的電瓶組。電機(jī)采用5個(gè)24 V直流電機(jī)，其中4個(gè)為驅(qū)動電機(jī)，安裝在后輪上，通過正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)施藥車的前進(jìn)與后退；1個(gè)為轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝在車頭上，通過正反轉(zhuǎn)調(diào)整施藥車行駛方向。

藥箱為雙層藥箱可裝入兩種不同的農(nóng)藥，每層藥箱的容積為10 L，實(shí)現(xiàn)對多種病蟲害分別進(jìn)行精準(zhǔn)施藥作業(yè)，避免無差別施藥的目的，如圖3所示。水泵采用的直流增壓泵隔膜泵，分別安裝在兩個(gè)箱體的底部，與藥箱的出口連接，為施藥提供水壓。藥箱支架選型采用202不銹鋼焊接。

圖3 藥箱結(jié)構(gòu)Fig. 3 Platform support

1.2 作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能的底層結(jié)構(gòu)，通過硬件設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。硬件部分包括信號采集模塊、信號處理模塊、信號傳輸顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。信號采集模塊由GPS定位系統(tǒng)、液位傳感器、流量傳感器和人機(jī)交互接口組成；信號處理模塊為單片機(jī)系統(tǒng)；信號傳輸顯示模塊包括GSM無線通信元件和顯示屏等，如圖4所示[14]。信號采集模塊通過多元傳感器實(shí)時(shí)采集施藥行駛軌跡、行駛速度、施藥流量和藥液余量等信號[15]。

圖4 系統(tǒng)框架圖Fig. 4 System frame diagram

其中本文GPS導(dǎo)航模塊實(shí)時(shí)采集地面施藥機(jī)械的行駛軌跡。采用霍爾輪速傳感器，設(shè)置地面施藥機(jī)械的車輪上，用于實(shí)時(shí)采集地面施藥機(jī)械的行駛速度。為了重復(fù)、精確的進(jìn)行監(jiān)測，采用渦輪流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測藥液流速，采用電容式液位傳感器采集藥箱液面高度。計(jì)算施藥情況時(shí)，采用STM32F103VCT6單片機(jī)作為微控制器，對多元信號進(jìn)行融合、分析和處理。信息的傳輸與顯示采用TFT彩屏和設(shè)備云APP，能以數(shù)值和圖表結(jié)合的圖文并茂的形式，快速的把施藥情況直觀的傳遞給使用者。

信息處理與傳輸部件電路原理圖如圖5所示。GPS和傳感器通過串口通信方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，GSM通信模塊通過異步串行通信口的TX和RX與單片機(jī)相連。為了確保單片機(jī)的穩(wěn)定性和魯棒性，把復(fù)位電路、晶振電路與單片機(jī)內(nèi)部的電路相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

(a) 單片機(jī)電路(b) 通訊模塊電路

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

園林病蟲害防治時(shí)間緊迫、條件復(fù)雜，因此對施藥監(jiān)控系統(tǒng)提出了精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性傳輸以及維護(hù)保養(yǎng)簡便等要求[16-17]。為實(shí)現(xiàn)園林植保作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求，軟件設(shè)計(jì)需要滿足對數(shù)據(jù)的處理、傳輸、存儲與顯示等功能。本設(shè)計(jì)采用C語言通過Keil編譯器編寫軟件程序，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。在系統(tǒng)啟動時(shí)，初始化程序后，調(diào)用執(zhí)行GPS子程序?qū)崿F(xiàn)施藥車位置的定位，隨后調(diào)用施藥速度計(jì)算子程序、液位監(jiān)測子程序、流量監(jiān)測子程序和流量控制算法。

GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一采用美國國家海洋電子協(xié)會制定的NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)格式，NMEA-0183協(xié)議采用ASCII碼來傳遞GPS定位信息，因此在GPS監(jiān)測應(yīng)用中，根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通常采用隊(duì)列的方式來接收數(shù)據(jù)，將位置、速度等信息通過串口存入列隊(duì)中，在循環(huán)程序中對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，確定施藥車坐標(biāo)信息，通過連接各時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)可得出施藥車運(yùn)行的軌跡。然后調(diào)用施藥速度算法，即可計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的坐標(biāo)點(diǎn)變化，從而確定車速。車速傳感器安裝在驅(qū)動輪上，通過霍爾原理計(jì)算車速。

車輪每轉(zhuǎn)一圈行駛的距離為1 m，因此可通過式(1) 計(jì)算車速大小。

(1)

式中:v——車速，m/s；

t——車輪每轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，s。

本文通過液位傳感器采集液面高度，采用A/D轉(zhuǎn)換器將液位傳感器得到的液面高度模擬量信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字量信息與藥箱橫截面數(shù)據(jù)結(jié)合，從而確定藥液量。通過流量傳感器監(jiān)測所噴出的藥液，由于流量傳感器輸出的模擬信號是脈沖信號，其按一定電壓幅度，一定時(shí)間間隔連續(xù)發(fā)出，無法直接得到具體的流量數(shù)值。所以需要先把脈沖信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，得到脈沖的數(shù)字頻率。再調(diào)用流量計(jì)算函數(shù)得出施藥流量實(shí)際值，函數(shù)如式(2)所示。

(2)

式中:Q——施藥流量，mL/s；

f——脈沖頻率，Hz；

K——每轉(zhuǎn)輸出的脈沖次數(shù)；

V——每轉(zhuǎn)一周流過的藥液體積，mL。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig. 6 System software design flow chart

微控制器每100 ms讀取一次傳感器信息，通過算法計(jì)算后存儲到數(shù)據(jù)存儲器，并刷新TFT彩屏顯示信息。與此同時(shí)也把數(shù)據(jù)打包發(fā)送到OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺，OneNet平臺可以同時(shí)關(guān)聯(lián)多個(gè)移動智能設(shè)備，通過與平臺網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接的終端設(shè)備，都可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控[18]。在數(shù)據(jù)傳輸上傳的過程中，本設(shè)計(jì)采用TCP通訊協(xié)議，設(shè)備通過TCP連接接入OneNET進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過上傳的自定義腳本來實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云端的數(shù)據(jù)傳輸。

2 材料與方法

施藥車的車速、流量、藥液余量和軌跡都是判斷施藥質(zhì)量的重要因素。為了檢驗(yàn)自主研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)對施藥軌跡、車速、流量和藥液余量檢測的精確性，本文進(jìn)行的試驗(yàn)包括施藥軌跡監(jiān)測、施藥速度監(jiān)測、施藥流量監(jiān)測和液位監(jiān)測試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在校園操場進(jìn)行(經(jīng)度118.82°，緯度32.08°)，試驗(yàn)時(shí)間為2020年6月19日，氣溫為21 ℃～29 ℃，風(fēng)速為一級風(fēng)。液泵選用山東某公司生產(chǎn)的雨露型號的無人機(jī)液泵。扇形噴頭因結(jié)構(gòu)簡單、霧滴產(chǎn)生方式較為經(jīng)典等優(yōu)勢，在地面和航空施藥作業(yè)中均廣泛使用[19]，因此本文選用了ST110-02型扇形噴頭。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

施藥軌跡監(jiān)測試驗(yàn)方案：操控施藥車在按照操場跑道行駛，記錄軌跡與實(shí)際跑道比較。以跑道為基準(zhǔn)線，通過式(3)計(jì)算偏離跑道的軌跡于占總長度的比值判斷，監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

(3)

式中:σ——軌跡監(jiān)測誤差，%；

l——偏離跑道軌跡的長度，m；

L——跑道周長，m。

車速監(jiān)測試驗(yàn)方案：將輪速傳感器安裝在施藥車驅(qū)動輪上，試驗(yàn)時(shí)分別操作施藥以高中低三個(gè)車速在100直線跑道上勻速運(yùn)動，記錄每次跑完時(shí)間，每個(gè)車速試驗(yàn)三次，取平均值視為有效值。通過式(4)計(jì)算車速監(jiān)測誤差。

(4)

式中:ζ——車速監(jiān)測誤差，%；

t′——車速監(jiān)測時(shí)間，s；

v′——監(jiān)測的車速，m/s。

施藥流量監(jiān)測試驗(yàn)方案：試驗(yàn)為2組三水平試驗(yàn)，即分別對兩個(gè)藥箱的施藥流量進(jìn)行三水平試驗(yàn)，取平均值視為實(shí)際值。試驗(yàn)前先在藥箱中裝入5 L水，用秒表記錄5 L水完全流出的時(shí)間。流量實(shí)際值為5 L水與流量監(jiān)測時(shí)間的比值。通過式(5)對比流量監(jiān)測值與流量實(shí)際值，計(jì)算出流量監(jiān)測誤差。

(5)

式中:Q″——監(jiān)測施藥流量，mL/s；

η——施藥流量誤差，%；

t″——流量監(jiān)測時(shí)間，s。

液位監(jiān)測試驗(yàn)方案：提前將藥箱內(nèi)注入一定量的藥液，并采用電子游標(biāo)卡尺測量液面高度，記錄該值作為實(shí)際值。將液位傳感器安裝在藥箱低部監(jiān)測液面高度。試驗(yàn)為10組三水平試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取監(jiān)測值的平均值為有效值。通過式(6)對比監(jiān)測值與實(shí)際值，計(jì)算液位監(jiān)測誤差。

(6)

式中:φ——液位監(jiān)測誤差；

h′——液位監(jiān)測值，mm；

h0——液位實(shí)際值，mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 施藥軌跡監(jiān)測試驗(yàn)

施藥軌跡記錄如圖7所示，圖7(a)為監(jiān)測系統(tǒng)顯示屏監(jiān)測施藥軌跡，圖7(b)是施藥軌跡于實(shí)際跑道對比圖。

(a) 監(jiān)測的軌跡

(b) 軌跡對比

通過小車軌跡監(jiān)測的試驗(yàn)所得到的圖像與真實(shí)跑道較為接近。由于人為操控施藥車而導(dǎo)致施藥車無法完全的按照跑到進(jìn)行，使得軌跡發(fā)生偏離。從整體來看，施藥車能真實(shí)地反映了操場地跑道的輪廓。通過式(3)計(jì)算可得誤差為4.75%，誤差較小，說明系統(tǒng)對施藥軌跡監(jiān)測的能力滿足施藥需求。

3.2 施藥速度監(jiān)測試驗(yàn)

施藥速度監(jiān)測試驗(yàn)誤差結(jié)果分析如圖8所示。

圖8 施藥速度監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Test results of spray speed monitoring

從圖8可看出在每組試驗(yàn)中，無論是監(jiān)測速度都高于實(shí)際速度，并且誤差均呈下降趨勢。主要因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)無法操作施藥車直線運(yùn)動，導(dǎo)致實(shí)際行駛距離大于100 m，由此造成實(shí)際速度較小。施藥速度監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分別為2.67%、1.90%和1.95%，施藥速度監(jiān)測平均誤差為2.17%。誤差較小，說明系統(tǒng)對施藥速度的監(jiān)測滿足園林施藥監(jiān)測的需求。

3.3 施藥流速監(jiān)測試驗(yàn)

施藥流量監(jiān)測試驗(yàn)誤差結(jié)果分析如圖9所示。

從圖9中可發(fā)現(xiàn)，上層藥箱施藥流量的監(jiān)測誤差在1.25%～2.5%之間，下層藥箱施藥流量的監(jiān)測誤差在0.59%～1.88%之間。由于傳感器存在精度問題，因此誤差無法避免，流量監(jiān)測最大誤差為2.5%，平均誤差為1.54%，誤差較小可以滿足園林施藥對流量監(jiān)測的需求。

圖9 施藥流量監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果Fig. 9 Test results of spray flow monitoring

3.4 液位監(jiān)測試驗(yàn)

液位監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果分析如圖10所示。

圖10 藥箱液位監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果Fig. 10 Test results of liquid level monitoring

圖10可見，系統(tǒng)液位監(jiān)測和實(shí)際液位測量誤差在0.2%～0.76%之間，平均誤差為0.44%。

由于施藥車在行進(jìn)過程中，藥箱中的藥液的不?；蝿?，增加液位監(jiān)測的困難程度。盡管液位監(jiān)測增加了防抖程序，但是自身精度問題有限，誤差不可避免。其次，藥箱薄壁上殘留的藥液也會使顯示的液位值低于真實(shí)的液位值。藥箱中殘留的雜質(zhì)，致使壓力變送器的端口堵住，從而使得傳感器所獲得的壓力迅速提升，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的電容信號增加，使得顯示液位大大增加。在液泵從藥箱底部抽出藥液，經(jīng)軟管輸送至藥液噴頭期間，仍有少量藥液殘留在軟管之中造成誤差。但是總體上誤差較小，可以滿足園林施藥對液位監(jiān)測的需求。

4 結(jié)論

1) 對移動噴霧系統(tǒng)中各個(gè)傳感器的性能進(jìn)行了測試與分析，可以發(fā)現(xiàn)選用的GPS、輪速傳感器、流量流速傳感器以及壓力變送器均滿足設(shè)計(jì)的總體需求。各個(gè)傳感器監(jiān)測能力均達(dá)到90%以上。

2) 設(shè)計(jì)了一種園林移動施藥實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，通過所對系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)施藥速度、施藥軌跡、施藥流量和液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過監(jiān)測試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)對施藥參數(shù)的監(jiān)測性能較強(qiáng)，滿足園林施藥的監(jiān)測需求。監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對軌跡監(jiān)測的誤差為4.75%，施藥速度監(jiān)測的誤差在1.9%～2.67%之間，施藥流量監(jiān)測的誤差在0.59%～2.5%之間，液位監(jiān)測的誤差在0.2%～0.76%之間，誤差可以接受，均屬于合理范圍，說明系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測施藥作業(yè)參數(shù)。