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摘要：針對目前手工作業(yè)噴灑農(nóng)藥存在農(nóng)藥配比濃度和噴灑劑量不均衡、工作效率低，且噴灑作業(yè)人員長期暴露在農(nóng)藥下對其身體健康有害等問題，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)藥噴灑機器人，能夠通過上位機實時監(jiān)測工作環(huán)境信息是否滿足噴灑作業(yè)要求；并通過按鍵設(shè)置農(nóng)藥配兌比例，根據(jù)所規(guī)劃的路徑自動進行噴灑作業(yè)，實現(xiàn)了農(nóng)藥噴灑的自動控制。

關(guān)鍵詞：機器人；農(nóng)藥噴灑；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能農(nóng)業(yè)；自動控制；遠程監(jiān)控

0引言

目前，我國農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式仍然是小規(guī)模的，沒有形成規(guī)模化，且大部分農(nóng)業(yè)工作方式都是純手工作業(yè)。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，打造智能化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為信息科技第三次產(chǎn)業(yè)革命的產(chǎn)物，其主要通過網(wǎng)絡(luò)按照約定協(xié)議將傳感器等多種硬件電路檢測到的信息上傳，從而實現(xiàn)信息的交換和傳播，達到了良好的人機交互效果，在農(nóng)業(yè)智能化建設(shè)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過噴灑農(nóng)藥進行殺蟲、殺菌，對保障和促進農(nóng)作物的成長具有積極的功效和作用。目前，我國大部分地區(qū)噴灑農(nóng)藥都是采用手工作業(yè)的方式，人們通過自身的經(jīng)驗和感知，根據(jù)農(nóng)藥說明書手工配兌農(nóng)藥的比例和噴灑劑量，存在農(nóng)藥配比濃度、噴灑劑量不均衡的現(xiàn)象，且手工作業(yè)存在覆蓋范圍小、工作效率低下、造成人力物力浪費以及農(nóng)藥對噴灑作業(yè)人員的身體健康存在一定的危害等問題。針對上述問題，本文設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)藥噴灑機器人。用戶可以通過上位機遠程監(jiān)控農(nóng)藥噴灑機器人的實時作業(yè)情況，機器人也能夠?qū)崟r對上位機下發(fā)的指令做出反應(yīng)。機器人能夠?qū)ぷ鳝h(huán)境進行實時檢測，并將信息實時反饋給上位機；機器人還能夠攜帶一定重量的農(nóng)藥，并根據(jù)事先設(shè)定好的比例進行混合，根據(jù)所規(guī)劃的路徑進行工作，能夠開展大規(guī)模農(nóng)作物的農(nóng)藥噴灑工作，且農(nóng)藥配比準確、噴灑均勻，也能夠避免對農(nóng)藥噴灑人員的健康產(chǎn)生危害。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)藥噴灑機器人，以單片機為主控核心，通過尋跡模塊、電機驅(qū)動模塊控制機器人按照規(guī)劃路徑運動，通過按鍵模塊和液晶顯示模塊設(shè)置農(nóng)藥混合比例，單片機根據(jù)按鍵模塊設(shè)置的參數(shù)控制抽水器對多種農(nóng)藥、清水進行混合；溫濕度檢測模塊負責對工作環(huán)境進行監(jiān)測，并通過無線模塊傳給上位機。

2系統(tǒng)電路設(shè)計與實現(xiàn)

2.1無線模塊

無線模塊負責與上位機間傳輸環(huán)境信息、遠程發(fā)送指令等，其穩(wěn)定性是決定上位機與下位機能否正常通信的關(guān)鍵。本文選用JZ861-433M超小型無線數(shù)傳模塊，能夠提供四個頻道，而且有專門的設(shè)置程序，可以讓用戶隨時變更相關(guān)參數(shù)[1-2]；其采取透明傳輸方式，不需要用戶進行程序的設(shè)計即可進行傳輸，且模塊體積小，方便使用。JZ861-433M無線數(shù)傳模塊是成對使用的，一塊用于接收數(shù)據(jù)，另一塊用于發(fā)送數(shù)據(jù)；單片機（終端設(shè)備）與無線數(shù)傳模塊之間采用UART方式通信，其連接方式如圖2所示。

2.2溫濕度檢測模塊

在實施農(nóng)藥噴灑作業(yè)時，室外環(huán)境也是影響噴灑質(zhì)量的關(guān)鍵因素，所以對噴灑現(xiàn)場環(huán)境實施監(jiān)測也是必要的。室外環(huán)境存在的不可控因素較多，在溫濕度傳感器的選型過程中需要重點考慮其可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾性等特點。本文選用具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、傳輸距離遠等優(yōu)點的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器[3]，單片機通過DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的DATA串行數(shù)據(jù)接口進行通信[4-5]，能夠?qū)崟r獲取當前環(huán)境的溫度和濕度信息。

2.3電機驅(qū)動模塊

由于單片機的輸出電壓、電流較小，無法驅(qū)動電機正常運行，且電機具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的功能，所以需要電機驅(qū)動模塊配合才能正常運行。本文選用可以同時控制2個電機動作的L298N電機驅(qū)動模塊，其具有工作電壓范圍大的特點以及過熱保護、反饋檢測等功能。單片機可以通過電平控制其2個使能端和4個輸入引腳，從而控制對應(yīng)電機的運動方式。

2.4尋跡模塊

本文的路徑規(guī)劃采用紅外傳感器自反射原理尋跡的方式進行，紅外尋跡具有對環(huán)境光線適應(yīng)能力強、干擾小等特點。尋跡模塊通電后發(fā)出一定頻率的紅外光，當遇到障礙物時，反射回來的信號經(jīng)電路比較放大處理后輸出一個數(shù)字電平信號給單片機處理[6]。圖3所示為尋跡模塊原理。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機是控制農(nóng)藥噴灑機器人正常運行的核心器件，其主要依靠程序接收或控制其他模塊工作，工作流程如圖4所示。按鍵模塊用于設(shè)置農(nóng)藥、清水等試劑的混合比例，并在液晶顯示屏顯示其鍵值；同時，液晶顯示屏用于實時顯示溫濕度信息。將整個系統(tǒng)程序根據(jù)實現(xiàn)的功能按模塊化思想分為按鍵程序、顯示程序、溫濕度讀取及處理程序、尋跡控制程序、抽水器控制程序等。

3.1按鍵程序

在按鍵程序中，所需的鍵值0至9編碼、輸入清零、確定、機器人搭載的4種試劑選擇（采用A、B、C、D四種模式），一共需要16顆按鍵，所以選用4×4矩陣鍵盤作為按鍵模塊，采用鍵值掃描的方式讀取鍵值并顯示。將矩陣鍵盤的4根行線和4根列線分別與單片機的8個I/O口連接，如果矩陣鍵盤某一行線和某一列線對應(yīng)的I/O口均檢測到低電平信號，則說明該按鍵被按下[7]。

3.2液晶顯示程序

本系統(tǒng)選用1602液晶顯示屏，液晶顯示程序所需要進行的操作主要有四種[8]：讀數(shù)據(jù)操作、寫數(shù)據(jù)操作、寫指令操作以及讀狀態(tài)操作。這些操作的實現(xiàn)是通過RS寄存器選擇端、時序控制端以及讀寫信號的控制端進行時序控制。將這些時序操作寫成對應(yīng)的子程序，在使用時直接調(diào)用對應(yīng)的子程序進行液晶的顯示和控制。

3.3溫濕度讀取及處理程序

單片機與DHT11溫濕度傳感器之間的通信是一個低速-高速-低速模式的轉(zhuǎn)換過程，DHT11溫濕度傳感器之間等待工作指令時處于低速模式，接收到工作指令時處于高速模式[9]。在工作階段，需要經(jīng)過三個階段，即發(fā)出響應(yīng)信號、觸發(fā)采集、讀取數(shù)據(jù)。單片機接收到的數(shù)據(jù)信息為40bit，即溫度、濕度數(shù)據(jù)整數(shù)和小數(shù)部分以及校驗和各占8bit[10]。

3.4尋跡控制程序

農(nóng)藥噴灑機器人根據(jù)預(yù)設(shè)的軌跡運動，需要將兩對紅外傳感器模塊分別安裝于機器人的左側(cè)和右側(cè)，當左側(cè)紅外傳感器模塊檢測輸出低電平信號給單片機時，單片機對應(yīng)I/O口輸出控制信號給電機驅(qū)動模塊，控制機器人右轉(zhuǎn)；當右側(cè)紅外傳感器模塊檢測輸出低電平信號給單片機時，單片機對應(yīng)I/O口輸出控制信號給電機驅(qū)動模塊，控制機器人左轉(zhuǎn)；當兩對紅外傳感器模塊均輸出高電平信號時，機器人前進。在電機控制機器人運動的過程中，機器人的速度較快，所以在單片機程序中通過輸出PWM信號控制機器人的運行速度。

3.5抽水器控制程序

抽水器控制程序根據(jù)抽水器每秒抽取液體的速度v（單位為m3?s）、按鍵模塊輸入某種配比試劑所需的量Q（單位為m3）來計算抽取時間t（單位為s），然后應(yīng)用單片機內(nèi)部的定時器定時抽取每種農(nóng)藥的量，從而達到配比效果，其計算公式為t=Q/v。

4結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)藥噴灑機器人，用戶可以通過上位機實時監(jiān)測工作環(huán)境的溫濕度信息；機器人能夠攜帶一定重量的農(nóng)藥，并根據(jù)事先設(shè)定好的比例進行混合，根據(jù)所規(guī)劃的路徑進行工作。本設(shè)計實現(xiàn)了農(nóng)藥噴灑的自動控制，不僅節(jié)省了人力物力，而且提高了農(nóng)藥噴灑作業(yè)的安全性。

作者:譚潔 劉震 唐雪剛 秦順利 姚浪  唐洪 單位:銅仁職業(yè)技術(shù)學院