王高樂 韓祥森

摘 ?要：通過對農(nóng)業(yè)黃瓜種植過程中黃瓜蘸花以及種植環(huán)境的檢測，制作了一種多功能黃瓜蘸花噴藥機系統(tǒng)，并設(shè)計了一種新型黃瓜蘸花噴頭，能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測，自動噴灑，藥液回收等功能。該系統(tǒng)還搭載了多種環(huán)境檢測模塊，利用單片機串口通信將環(huán)境檢測參數(shù)通過藍(lán)牙傳送到手機APP，方便了基層農(nóng)戶及時了解環(huán)境狀況。實驗表明該系統(tǒng)設(shè)計的新型噴頭達(dá)到了預(yù)期效果，環(huán)境檢測方面工作穩(wěn)定，切實幫助了基層農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)管理。

關(guān)鍵詞：黃瓜蘸花;單片機;環(huán)境檢測;串口通信

中圖分類號：TP391;S126 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）24-0051-05

Abstract： Through the detection of cucumber flower dipping and planting environment in the process of agricultural cucumber planting， a multifunctional cucumber flower dipping and spraying machine system is made， and a new cucumber flower dipping nozzle is designed， which can realize the functions of automatic detection， automatic spraying， liquid medicine recovery and so on. The system is also equipped with a variety of environmental detection modules. The serial communication of single-chip microcomputer is used to transmit the environmental detection parameters to the mobile phone APP through Bluetooth， which is convenient for grassroots farmers to know the environmental conditions in time. The experiment shows that the new nozzle designed for this system has achieved the expected effect and operation stably in environment detection， which effectively helps the agricultural management of grassroots farmers.

Keywords： cucumber flower dipping; single-chip microcomputer; environmental detection; serial communication

0 ?引 ?言

隨著時代的發(fā)展，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也越來越倍受社會關(guān)注，一款好用的農(nóng)用工具往往能推動該領(lǐng)域的發(fā)展。在農(nóng)業(yè)黃瓜種植過程中存在黃瓜蘸花工作，對于黃瓜蘸花工作現(xiàn)在市面上沒有成熟的工具，主要以人工蘸花為主，人工蘸花效率低，過程復(fù)雜，蘸花藥液易撒濺，容易損害人體皮膚，人員安全性差。人工長時間進(jìn)行蘸花工作，蘸花人員的胳膊會酸痛腫脹，十分艱苦。市面上現(xiàn)存的工具是一種“c”型噴頭，采用噴灑的方式對黃瓜進(jìn)行蘸花，導(dǎo)致了有將近80%的藥液稀釋在了空氣中，造成了藥液的浪費并且會對植株葉片和人體皮膚造成損害，“c”型噴頭工具采用機械按鍵，需要人工用力按壓，長時間工作會造成手指酸痛。因此市面上現(xiàn)存的兩種黃瓜蘸花方式存在極大弊端;現(xiàn)階段智慧農(nóng)業(yè)大棚建設(shè)飛速發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)搭載多種環(huán)境傳感設(shè)備，主要對大棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測，方便工作人員進(jìn)行管理，對大棚建設(shè)要求很高，與此同時帶來的便是造價高昂的建設(shè)費用，無法滿足基層農(nóng)戶對性價比的要求，導(dǎo)致了基層農(nóng)戶對大棚內(nèi)環(huán)境只能依靠經(jīng)驗判斷無法準(zhǔn)確進(jìn)行判斷。所以筆者基于我校山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目提出了基于51單片機的多功能黃瓜蘸花噴藥機系統(tǒng)，旨在解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植過程中的黃瓜蘸花問題以及種植環(huán)境的檢測問題，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)設(shè)計了一款新型黃瓜蘸花噴頭，該噴頭采用3D打印技術(shù)制作而成，采用PLA材料打印而成，具有輕便兼顧，塑性好等特點。該噴頭采用上方開口式圓形中空外觀，內(nèi)置三個噴頭，低端留孔接藥液回收導(dǎo)管;控制系統(tǒng)采用51單片機，具體芯片型號為STC12C5A60S2，這款單片機是開源的硬件開發(fā)平臺，其因具有處理速度較快，資料多，操作與編程簡單，芯片不容易燒壞，外設(shè)豐富等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計中，故采用該單片機作為控制核心。采用單片機控制繼電器模塊從而間接控制水泵工作，繼電器模塊具有價格低廉，靈敏度高，不易損壞等優(yōu)點;蘸花噴頭內(nèi)的紅外檢測裝置采用E18-D80NK型號，因為E18-D80NK模塊易于裝配使用方便，并且為外殼全包裹式，不易進(jìn)水，防水性好，因此選用E18-D80NK作為噴頭內(nèi)部的檢測模塊。該系統(tǒng)主要功能是采用新型噴頭進(jìn)行黃瓜蘸花工作和環(huán)境檢測，為此設(shè)計出一款搭載多種檢測模塊的采用芯片控制的噴藥機。此系統(tǒng)主要由單片機、新型黃瓜蘸花噴頭、繼電器及噴灑裝置、環(huán)境檢測裝置、藍(lán)牙模塊、手機APP等組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)在開啟后，首先會進(jìn)行各類模塊的初始化，然后動力系統(tǒng)運行2秒鐘，目的為排出噴藥導(dǎo)管內(nèi)空氣，為下一步正常運行做好準(zhǔn)備。當(dāng)紅外模塊檢測到有黃瓜花進(jìn)入時開啟噴灑，當(dāng)黃瓜花拿出時停止噴灑，浪費的藥液會匯聚在圓球外罩底部，通過藥液回收導(dǎo)管被水泵重新回收利用。所有環(huán)境檢測模塊的數(shù)據(jù)會發(fā)送到手機APP供農(nóng)戶進(jìn)行查看，操作簡單，方便快捷。整體構(gòu)造如圖2所示。

2 ?理論分析與計算

2.1 ?新型黃瓜蘸花噴頭設(shè)計

該系統(tǒng)搭載了一款新型黃瓜蘸花噴頭，該噴頭包括圓球形外罩，三個內(nèi)嵌式噴頭，收集浪費藥液導(dǎo)管和紅外檢測裝置。圓球形外罩上端開口作為黃瓜花進(jìn)入端，圓球形外罩一側(cè)裝有紅外檢測裝置，進(jìn)行檢測有無黃瓜花進(jìn)入，圓球形外罩左右后方分布著噴灑藥液的噴頭，可以實現(xiàn)對黃瓜花的全方位噴灑不留死角;圓球形外罩下端開口連接藥液回收導(dǎo)管，藥液回收導(dǎo)管另一端連接藥液回收水泵，浪費藥液通過此導(dǎo)管被回收進(jìn)藥筒進(jìn)行重復(fù)利用;機身搭載單片機作為中控系統(tǒng)，當(dāng)檢測到有黃瓜花進(jìn)入時，給單片機傳入噴灑信號，單片機通過控制繼電器，從而控制動力系統(tǒng)與藥液回收水泵進(jìn)行工作。其中圓球外罩為內(nèi)直徑12 cm薄壁3 mm的空心球，空心球左斜上方45度直徑6 cm圓形開口作為黃瓜花進(jìn)入端，預(yù)留三個直徑為1 cm噴頭孔，和右側(cè)斜上方45度開直徑1.5 cm紅外模塊預(yù)留孔。結(jié)構(gòu)如圖3所示

2.2 ?基于紅外線反射的檢測技術(shù)

系統(tǒng)在噴灑藥液時采用了基于紅外線反射的檢測技術(shù)，紅外線檢測裝置是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對反射光進(jìn)行解調(diào)輸出。有效地避免了可見光的干擾。紅外線與光在空氣中的傳播速度相同，從而得知紅外線的傳播速度，通過計算就可得出檢測到黃瓜花的所需要的時間。其計算公式為：

式中T為紅外線從發(fā)送到接受的時間也就是檢測到黃瓜花的時間，S為紅外線發(fā)射裝置到黃瓜花的距離，由圓球形外罩內(nèi)直徑為12 cm得知，S的范圍為0 cm～12 cm。將S代入公式得T趨于0，因此當(dāng)有黃瓜進(jìn)入圓球外罩并進(jìn)入檢測區(qū)域的一瞬間系統(tǒng)就能立刻做出反應(yīng)，能夠達(dá)到靈敏高效的效果。

2.3 ?浪費藥液自動回收技術(shù)

系統(tǒng)在噴灑藥液時，僅僅需要將黃瓜上噴灑上藥液即可，未噴灑到黃瓜上的藥液會吸附在圓球外罩內(nèi)壁上，最終形成水滴，最終由于重力原因，匯聚到圓球外罩底部，其重力公式為：

G=mg

由于水滴與內(nèi)表面具有吸附力，當(dāng)匯聚的水滴重力大于吸附力時就會沿內(nèi)壁流向圓球外罩底部，在底部接有藥液回收導(dǎo)管如圖4所示，藥液回收導(dǎo)管另一端與水泵相接，將匯聚的藥液重新回收到藥桶進(jìn)行多次利用。

2.4 ?基于藍(lán)牙模塊的串口通信技術(shù)

系統(tǒng)在正常運行時，用戶可以在手機APP端觀測周圍環(huán)境內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度都會通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)回傳到手機端。串口通信是指外設(shè)和計算機間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)?。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。該系統(tǒng)用的是HC-42藍(lán)牙模塊，具有低功耗、低延時的特點。符合本系統(tǒng)短距離數(shù)據(jù)傳輸，方便快捷，低延時，低功耗的需求。

3 ?硬件電路與軟件設(shè)計

3.1 ?硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)控制模塊采用了STC12C5A60S2單片機，該單片機的運算能力強，處理速度較快，用其來完成重量數(shù)據(jù)的采集、運算處理以及計時模塊的時間轉(zhuǎn)換極大程度上提高了系統(tǒng)的靈敏度與準(zhǔn)確性，用其來完成黃瓜花檢測，控制繼電器通斷，信息傳輸，環(huán)境數(shù)據(jù)處理，語音提醒、效果監(jiān)測等功能。依據(jù)實際需求采用12 V大功率隔膜泵來實現(xiàn)藥液的霧化控制和12 V蠕動泵作為藥液回收水泵，噴頭與噴桿處采用硅膠管進(jìn)行連接，噴頭采用三個可調(diào)霧化直噴噴頭代替，采用兩個1路5 V繼電器作為水泵的間接控制開關(guān)，測溫模塊采用DS18B20，二氧化碳傳感器采用MH-Z19B模塊，在搭建完成基本電路加入了充電過沖保護(hù)模塊和開機鎖等功能。

新型黃瓜蘸花噴頭采用PLA材料打印，尾端采用1 m不銹鋼導(dǎo)管與手柄進(jìn)行連接，使整個噴頭重量不超過400克，使之達(dá)到輕便效果，并在新型噴頭上添加紅外檢測裝置，檢測到有黃瓜花進(jìn)入時，進(jìn)行自動噴灑，當(dāng)檢測到有黃瓜進(jìn)入時，紅外檢測裝置信號輸出角就會對單片機輸出高電平信號，供單片機進(jìn)行識別，并且由公式得，紅外檢測裝置極其靈敏，如圖5為藥液噴灑裝置電路圖

3.2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序開始后單片機會啟動系統(tǒng)電源自檢程序、對環(huán)境檢測模塊、藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化，最后對噴灑系統(tǒng)進(jìn)行初始化，啟動噴灑系統(tǒng)2秒鐘，排空導(dǎo)管內(nèi)空氣使導(dǎo)管內(nèi)充滿藥液。當(dāng)紅外檢測裝置檢測到有黃瓜進(jìn)來時給單片機傳入信號，單片機啟動噴灑。當(dāng)手機與藍(lán)牙模塊連接后，就會自動向手機APP進(jìn)行發(fā)送環(huán)境信息。系統(tǒng)軟件工作流程如圖6所示。

紅外檢測裝置與水泵藥液噴灑以及藥液回收工作過程關(guān)鍵代碼為：

if（c3==0）//紅外檢測

{ms1=1;c2=1;PS_Start（）;}//噴灑中

else{ms1=0;c2=0;PS_Stop（）;}//噴灑停止

if（miao1>=5）//噴灑工作總時長

{c1=0;miao1=0;ms2=1;miao2+=30;//水泵工作時長

if（miao2==0）CS_Stop（）;//抽水停止

elseCS_Start（）;//抽水中

環(huán)境檢測中以溫度檢測為例，關(guān)鍵代碼為：

int Ftemperature（）

{unsigned char low=0，high=0;int temp=0;

init_ds18b20（）;

Write_DS18B20（0xCC）;

Write_DS18B20（0x44）; //啟動溫度轉(zhuǎn)換

Delay_OneWire（200）;

init_ds18b20（）;

Write_DS18B20（0xCC）;

Write_DS18B20（0xBE）; //讀取寄存器

low = Read_DS18B20（）; //低字節(jié)

high = Read_DS18B20（）; //高字節(jié)

temp=high;temp<<=8;temp|=low;

if（（temp&0xf000）==0x0000）

{temp>>=4;}

temp = temp*10 + （low&0x0f）*0.625;溫度轉(zhuǎn)化

return temp;}

4 ?實驗測試與分析

最終本系統(tǒng)包括硬件與手機APP，如圖7（a）所示，該系統(tǒng)供電后開始運行，紅外檢測裝置會處于檢測狀態(tài)，當(dāng)檢測到有黃瓜進(jìn)入到噴頭內(nèi)時開啟自動噴灑，此時OLED屏幕會顯示此時的工作狀態(tài)，當(dāng)噴灑達(dá)到規(guī)定時間后藥液回收水泵會自動開啟，將藥液會收到藥桶內(nèi)進(jìn)行二次使用。同時搭載了兩塊太陽能板為電池持續(xù)充電，延長了續(xù)航時間。同時手柄處還設(shè)置了應(yīng)急開關(guān)，可以隨時關(guān)閉噴灑系統(tǒng)，各類傳感器如圖7（b）所示。APP頁面如圖7（c）所示，將環(huán)境檢測模塊顯示出來供管理者讀取。

在對該系統(tǒng)的黃瓜蘸花速度進(jìn)行測試時，選取了三畝黃瓜種植農(nóng)田，分別將三畝農(nóng)田劃分為等面積的三塊農(nóng)田標(biāo)號為1、2、3號，采用該系統(tǒng)蘸花與人工蘸花和“c”型噴頭工具蘸花三組蘸花方式進(jìn)行蘸花工作，定義該系統(tǒng)為甲組，人工蘸花為乙組。“c”型噴頭工具蘸花為丙組，使甲、乙、丙組分別對1、2、3號黃瓜農(nóng)田輪流進(jìn)行蘸花作業(yè)，因此每畝農(nóng)田會被蘸花3次，確保對植株的安全性，因此使用清水代替蘸花藥液。三組同時開始蘸花，每工作一畝記錄一次時間，最后得到如表1測試數(shù)據(jù)：

從實驗結(jié)果來看，甲組（該系統(tǒng)組）從噴灑效率上遙遙領(lǐng)先了人工蘸花組，同時大幅度提升了藥液使用的效率，對此噴頭的改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期的效果。

除此之外，對于其他模塊的性能也進(jìn)行過多次測試，通過與其他溫度計和其他測試器件多次比測試，測量的環(huán)境參數(shù)誤差也在允許范圍內(nèi)，對HC-42藍(lán)牙模塊的靈敏度與在保證傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)的時延性也符合要求。測試表明本系統(tǒng)良好，準(zhǔn)確度較高，靈敏性較強，能夠滿足設(shè)計的要求。

5 ?結(jié) ?論

該系統(tǒng)對基于51單片機的多功能黃瓜蘸花噴藥機進(jìn)行設(shè)計研究，給出了一款攜帶有革新蘸花噴頭于能進(jìn)行環(huán)境檢測的多功能蘸花噴藥機系統(tǒng)，能夠借助噴藥機電源使噴藥機在農(nóng)閑時成為一套大棚內(nèi)的環(huán)境檢測系統(tǒng)，方便了基層種植者對農(nóng)作物的管理，滿足了基層種植者對環(huán)境檢測的需要，達(dá)到了智慧農(nóng)業(yè)大棚最基礎(chǔ)的功能。此外，研究設(shè)計的新型黃瓜蘸花噴頭，通過在結(jié)構(gòu)和設(shè)計上的創(chuàng)新，使其在蘸花速率和藥液使用率上大幅度提升，能夠在保證了不浪費藥液的情況下，工作效率提升了近三倍，并且減輕了工作勞動量，簡化了工作流程，保障了人員的安全性，同時對黃瓜葉片的影響達(dá)到最小。此系統(tǒng)達(dá)到了研究的目的與效果，在一定程度上推動了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 武宇星，韓祥森.基于Arduino單片機的智能藥盒系統(tǒng)設(shè)計 [J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（7）：29-32+37.

[2] 謝文和.傳感器及其應(yīng)用 [M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 劉巍.應(yīng)變式傳感器的原理及對應(yīng)變片性能的測定 [J].科技經(jīng)濟(jì)市場，2015（2）：102-103.

[4] 高天學(xué).基于STM32的無線運動傳感節(jié)點設(shè)計 [J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（24）：35-38.

[5] 高天學(xué)，曹偉.基于物聯(lián)網(wǎng)的新型農(nóng)藥化肥自動噴灑系統(tǒng)設(shè)計 [J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（9）：154-157.

[6] 華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M]，第四版，清華大學(xué)出版社，2006.

[7] 求是科技.單片機典型模塊設(shè)計實例導(dǎo)航 [M].北京：人民郵電出版社，2004.

[8] 譚浩強.C程序設(shè)計 [M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.

作者簡介：王高樂（2002—），男，漢族，山東聊城人，本科在讀，研究方向：電子信息工程;韓祥森（1994—），男，漢族，山東淄博人，助教，本科，研究方向：電子與通信技術(shù)、智能控制。