摘 要：目前，田間農(nóng)作物和果園等場(chǎng)所的農(nóng)藥噴灑工作主要依賴(lài)人工完成，存在作業(yè)效率低、對(duì)人員健康危害大、噴灑精準(zhǔn)度不足以及農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款能夠提升作業(yè)效率、減少農(nóng)藥危害并實(shí)現(xiàn)靶向精準(zhǔn)噴灑的機(jī)器人。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控芯片，由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感模塊和視覺(jué)模塊組成。通過(guò)傳感器LED和圖像采集技術(shù)判斷作物是否需要噴灑農(nóng)藥，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。該系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)噴灑方式不便的問(wèn)題，提高了噴灑精準(zhǔn)度，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化管理的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：STM32；噴灑機(jī)器人；控制系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)智能化；ARM；Cortex-M3；閾值分割

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）08-00-05

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地面積僅占世界的7%，卻養(yǎng)活了世界21%的人口[1]。近年來(lái)，我國(guó)深入實(shí)施黨中央國(guó)務(wù)院提出的“藏糧于地、藏糧于技”農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略，加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技現(xiàn)代化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在數(shù)字化和智能化方面進(jìn)行了全面升級(jí)改造，各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人逐漸取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞作，顯著提高了生產(chǎn)效率[2]。然而，當(dāng)前的農(nóng)藥噴灑作業(yè)仍主要依賴(lài)人工，存在成本高、效率低以及噴灑精度不足等問(wèn)題。盡管現(xiàn)有文獻(xiàn)研究的噴灑機(jī)器人解決了部分人工成本問(wèn)題，但在噴灑精度方面仍有待提升。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款以STM32微處理器為核心的智能?chē)姙⑾到y(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)φ麄€(gè)農(nóng)作物群進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，還可以對(duì)特定農(nóng)作物進(jìn)行精準(zhǔn)定位噴灑。此外，該系統(tǒng)具備多種功能，如根部灌溉、施肥、葉面施肥以及病蟲(chóng)害防治等，能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的多樣化需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以STM32單片機(jī)為核心，主要包括控制模塊、傳感模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)噴灑機(jī)器人在作業(yè)時(shí)對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別，并結(jié)合土壤濕度檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)判斷農(nóng)作物是否需要澆水和噴灑農(nóng)藥。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)作為核心處理器，這是一款功能強(qiáng)大的芯片。其優(yōu)點(diǎn)在于以ARM Cortex-M3為內(nèi)核[3]，能夠提供高性能的32位處理能力，同時(shí)工作頻率可達(dá)到72 MHz。此外，STM32單片機(jī)擁有64～512 KB的閃存，能夠提供充足的存儲(chǔ)空間用于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。STM32主控芯片引腳如圖2所示。

2.2 傳感模塊

監(jiān)測(cè)土壤水分含量是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并將數(shù)據(jù)傳送至STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)可以通過(guò)LCD顯示設(shè)備實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度和濕度數(shù)值[4]，并允許用戶通過(guò)按鍵調(diào)整適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的上下限閾值。STM32單片機(jī)會(huì)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比對(duì)，一旦數(shù)據(jù)超出限定范圍，將觸發(fā)蜂鳴器和LED燈報(bào)警。傳感器LED燈的控制電路與單片機(jī)的PC13引腳相連，蜂鳴報(bào)警器電路如圖3所示。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊是噴灑機(jī)器人能夠順暢運(yùn)行的關(guān)鍵組成部分，為機(jī)器人的作業(yè)過(guò)程提供不可或缺的能量動(dòng)力。在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，由于各功能模塊執(zhí)行的任務(wù)和性能要求不同，所需的電源電壓也各不相同。為了確保各功能模塊正常運(yùn)行，電源模塊需要精確調(diào)節(jié)和分配電壓，以滿足不同模塊的需求，從而保證噴灑機(jī)器人能夠高效、穩(wěn)定地完成噴灑作業(yè)任務(wù)。

本系統(tǒng)采用ME6211系列的ME6211C33M5G-N芯片供電，該芯片能夠提高輸出穩(wěn)定性且成本較低，在高水平輸出的同時(shí)保持負(fù)載不變。電源電路如圖4所示。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)中，充分考慮了直流電機(jī)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩變化的控制性能，能夠快速實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和多級(jí)調(diào)速，并支持無(wú)級(jí)調(diào)速[5]。此外，L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有優(yōu)異的啟停性能，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方面表現(xiàn)突出，能夠及時(shí)停止運(yùn)行以應(yīng)對(duì)障礙物或到達(dá)目的地的情況。因此，本文選用L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)模塊的核心組件，其驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)視覺(jué)設(shè)計(jì)

噴灑機(jī)器人的視覺(jué)部分在實(shí)際圖像采集過(guò)程中，獲取的圖像與理想圖像可能存在差異。為了減小這種差異，需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理[6]。預(yù)處理主要包括圖像的變換與矯正以及圖像增強(qiáng)。

3.1 圖像的變換與矯正

圖像的變換與矯正是根據(jù)圖像變形的原因，利用圖像的位置、大小和形狀等信息，通過(guò)仿射變換或投影變換來(lái)減小采集到的圖像與實(shí)際圖像之間的差異。

3.2 圖像增強(qiáng)

利用空間域處理法或頻率域處理法對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，以增強(qiáng)農(nóng)作物的顯現(xiàn)度。由于點(diǎn)運(yùn)算能夠?qū)D像進(jìn)行灰度處理而不改變像素的空間位置，同時(shí)能夠突出農(nóng)作物區(qū)域，因此本設(shè)計(jì)的圖像增強(qiáng)采用了點(diǎn)運(yùn)算中的分段線性灰度變換。該方法將圖像灰度區(qū)間劃分為多段，每一段對(duì)應(yīng)一個(gè)線性關(guān)系，并分別對(duì)各段進(jìn)行線性變換。三段線性數(shù)學(xué)表達(dá)

3.3 圖像分割

圖像分割采用閾值分割法，閾值分割法可分為全局閾值分割法和局部閾值分割法[7]。在白天光照充足的情況下，采用全局閾值分割法對(duì)整幅圖像的像素信息進(jìn)行處理；而在陰天或光線不足的情況下，則采用局部閾值分割法，通過(guò)對(duì)比局部像素灰度值來(lái)計(jì)算每個(gè)像素的閾值。本設(shè)計(jì)采用全局閾值分割法，并以花生葉斑病葉片為例進(jìn)行圖像分割。首先，借助灰度直方圖（如圖6所示）設(shè)置全局閾值。通過(guò)灰度直方圖可知，當(dāng)灰度級(jí)為120時(shí)，灰度級(jí)的頻率達(dá)到最高。在MATLAB中使用imhist函數(shù)顯示直方圖，圖像分割處理后的結(jié)果如圖7所示。

3.4 圖像特征提取

在對(duì)農(nóng)作物的病斑進(jìn)行特征提取時(shí)，首先需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)化。圖像的特征提取是指從圖像數(shù)據(jù)中提取出具有代表性的信息或特征。

本設(shè)計(jì)利用局部二值模式（LBP）進(jìn)行紋理特征提取。LBP通過(guò)記錄中心像素點(diǎn)與其周?chē)袼攸c(diǎn)的灰度差異來(lái)描述紋理特征，即使在光照變化的情況下，LBP的變化也不明顯，因此對(duì)光照變化具有較強(qiáng)的魯棒性[8-9]。LBP主要用于檢測(cè)圖像的紋理信息，適用于農(nóng)作物特征的提取和識(shí)別。

采用LBP算子進(jìn)行特征提取能在一定程度上消除光照變化造成的影響，具有旋轉(zhuǎn)不變性[10]以及計(jì)算速度快等優(yōu)勢(shì)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的模塊化結(jié)構(gòu)涵蓋了傳感模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊等關(guān)鍵組成部分。傳感模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)感知環(huán)境參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電路模塊控制執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)單片機(jī)作為核心控制單元，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高度智能化的操作，同時(shí)確保各模塊之間的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。綜合利用各模塊間的協(xié)同作用，使噴灑機(jī)器人能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)環(huán)境作出響應(yīng)和相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)高效的作業(yè)性能和智能控制水平的提升。噴灑機(jī)器人控制系統(tǒng)主程序如圖8所示。

4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

4.2.1 傳感模塊程序設(shè)計(jì)

用戶設(shè)置上下限閾值作為系統(tǒng)溫濕度的安全值，若當(dāng)前溫濕度值超過(guò)所預(yù)定的范圍，則LED燈閃爍報(bào)警，提醒用戶需要噴水。傳感器工作流程如圖9所示。

4.2.2 驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)ENA為低電平時(shí)，輸入電平可對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制；當(dāng)ENA為高電平時(shí)，此時(shí)輸入電平一高一低[11]，電機(jī)反轉(zhuǎn)。用L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)二相步進(jìn)電機(jī)控制。將IN1、IN2和IN3、IN4兩對(duì)引腳分別接入STM32單片機(jī)的I/O口，輸出連續(xù)的脈沖信號(hào)。L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)邏輯見(jiàn)表1。

4.2.3 視覺(jué)模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接收到識(shí)別的命令后進(jìn)行圖像預(yù)處理，將獲取的圖像進(jìn)行變換和矯正，使得圖像更易進(jìn)行下一步處理。得到矯正后的圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換后并增強(qiáng)，突出圖像特征，并進(jìn)行分割和特征提取。如果識(shí)別到作物葉片存在病變則輸出圖像給用戶，用戶根據(jù)不同的病變進(jìn)行下一步處理。視覺(jué)設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試[12]。主要對(duì)系統(tǒng)的視覺(jué)圖像采集功能、LED燈報(bào)警功能等進(jìn)行測(cè)試。

5.1 系統(tǒng)傳感器LED閃爍報(bào)警測(cè)試

系統(tǒng)接通電源后，會(huì)在顯示屏幕上顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)不同作物進(jìn)行閾值設(shè)置，當(dāng)超過(guò)該設(shè)置閾值范圍時(shí)，LED燈將閃爍提醒用戶當(dāng)前溫濕度不符合要求。LED燈閃爍報(bào)警功能的測(cè)試共做了20次，有效次數(shù)為17次，無(wú)效次數(shù)為3次，通過(guò)計(jì)算可得出，有效率為85%，滿足要求。

5.2 系統(tǒng)圖像采集測(cè)試

系統(tǒng)接通電源后，接收到識(shí)別命令并開(kāi)始進(jìn)行圖像預(yù)處理，以判斷作物葉片是否正常（是否存在病變），從而決定是否需要噴灑農(nóng)藥。本次測(cè)試以花生葉片為例，當(dāng)系統(tǒng)完成圖像預(yù)處理后，對(duì)處理后的圖像進(jìn)行分割和特征提取，最終得到花生葉片的葉斑病圖像。測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

5.3 系統(tǒng)總體測(cè)試

測(cè)試過(guò)程：將系統(tǒng)上電，進(jìn)入設(shè)置界面，調(diào)整上下限閾值，使當(dāng)前溫濕度超過(guò)所設(shè)定的閾值，系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集，完成圖像處理，識(shí)別葉片是否需要噴灑農(nóng)藥。測(cè)試結(jié)果：超過(guò)閾值后LED燈閃爍報(bào)警，用戶可接收?qǐng)?bào)警信息。結(jié)果分析：根據(jù)功能測(cè)試，該設(shè)計(jì)基本符合各項(xiàng)要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于STM32微控制器，成功設(shè)計(jì)了一種噴灑機(jī)器人系統(tǒng)。通過(guò)深入的硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴灑機(jī)器人的精確控制和智能化管理。整個(gè)系統(tǒng)不僅能夠高效完成噴灑任務(wù)，還具備較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價(jià)值并具有較大的推廣意義。

未來(lái)，研究者可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能和功能，通過(guò)提升系統(tǒng)的智能化水平和自主性，使機(jī)器人更好地適應(yīng)多樣化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。同時(shí)，將系統(tǒng)拓展至更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如果園、蔬菜大棚等，將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)更大的便利和效益。逐步推廣這種智能農(nóng)業(yè)技術(shù)，不僅能夠提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，還能減少人力投入和資源浪費(fèi)，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。

注：本文通訊作者為許杰。

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