高天学 曹伟
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.040
摘 要：文章针对农业种植中的农药化肥喷洒问题设计了一种智能型农药化肥喷洒系统，该系统通过手机APP与单片机控制技术相结合，实现了药物自动调配及化肥自动喷洒功能，用户在手机APP端输入土地面积、药物浓度和化肥类型后系统将自动计算需要的药物、水和化肥量。系统可通过超声避障技术躲避障碍物，喷洒完成后自动折叠喷管减小系统整体体积，还可通过APP控制电子阀门进行施肥均匀度、角度等控制，最后用户可在APP端实时观察工作效果。
物联网技术;单片机控制;农药化肥自动喷洒;APP控制
中图分类号：TP391;S126 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）09-0154-04
Design of New Pesticide and Chemical Fertilizer Automatic Spraying System Based on Internet of Things
GAO Tianxue，CAO Wei
（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou 253034，China）
Abstract：Aiming at the problem of pesticide and chemical fertilizer spraying in agricultural planting，an intelligent pesticide and chemical fertilizer spraying system is designed. The system realizes the functions of automatic pesticide allocation and automatic chemical fertilizer spraying by combining mobile phone APP with single-chip microcomputer control technology. The system will calculate automatically the required amount for pesticide，water and chemical fertilizer after the user inputting the land area，pesticide concentration and chemical fertilizer type in mobile phone APP end. The system can avoid obstacles through ultrasonic obstacle avoidance technology，it will fold nozzle automatically after finishing spraying to reduce the overall volume of the system，and can also control electronic valve by APP for fertilization uniformity and angle and other controls. Finally，the user can observe the working effect at the APP end in real time.
Keywords：internet of things technology;single-chip microcomputer control;pesticide and chemical fertilizer automatic spraying;APP control
0 引 言
随着物联网技术的发展，智慧农业中的农药、化肥喷洒技术也得到了革新[1]，无论是在国内还是国外，农药化肥喷洒系统都具有非常高的市场价值，但市面上的农药化肥喷洒产品功能比较单一，大多数国内生产出售的喷雾器与撒化肥车只能单一的进行喷洒药物与撒化肥，并且需要人工控制，当机器里装上化肥或药物时，机器也会变得非常的沉重，背在身上非常重，身体或腿脚不便的人使用这种机器时非常的不方便。另一种流行的无人机打药也存在一些弊端，不仅需要专业人员操作而且载重多了飞不起来，对于广大农民群众来说很难使用，所以笔者基于我校山东省大学生创新创业训练项目提出来一种基于物联网的新型农药化肥喷洒系统，旨在解决农业生产种植过程中的农药化肥一体化作业问题，为我国农业发展贡献一份力量。
1 系统总体设计方案
该系统主要功能是智能式农药化肥喷洒，通过智能控制与农具相结合，拟设计一种智能型农药化肥喷洒车。其主要由：单片机、超声传感器、压力泵及喷洒装置、监控系统、Wi-Fi模块、手机APP等组成，系统整体框图如图1所示。
首先，系统具有药物及化肥的自动调配功能，用户在语音提示下在屏幕上输入土地面积及药物、化肥类型，计算机自动计算需要的药物量、水量和化肥量。在喷洒过程中，系统可通过超声波传感器等实现在复杂环境中寻路避障，判断是否到达道路的终点并自动进行转向，药物喷洒完喷管自动折叠收纳，减小空间便于运输，其次，系统还可将存储箱中自动调配好的化肥通过喷洒装置均匀地洒在土地表面，喷洒密度可通过计算机控制电子阀门进行控制，通过安装监控设备，全过程均可通过手机APP实时掌握。
2 理论分析与计算
2.1 基于超声测距的避障技术
系统在喷洒作业过程中采用了超声避障的方法来躲避障碍物，超声波作为声波的一种，频率高于20 kHz，所以具有良好的指向性，而且人耳听不到，可以广泛地用于测距避障等方面[2]。超声波发射装置发射出超声波，当超声波遇到障碍物时会从障碍物表面反射回来，由超声波接收装置接收。已知超声波的速度，通过计算就可以得出障碍物的距离。其计算公式为：
式中t为超声波从发送到接受的时间，s为超声波发射装置到障碍物的距离，当单片机计算出距离小于某个值时则判断为有障碍物，则会调用运动算法程序予以躲避。
2.2 农药自动调配技术
在农药的调配功能方面，考虑到用户文化程度等实际，采用了语音提醒技术及APP控制技术来辅助用户对药物浓度的智能控制，用户只需要将要喷洒药物倒入储药仓，并把所需稀释的浓度信息、原药浓度、药液质量输入APP端，由系统自动计算所需药物及清水的质量并自动抽取药物及清水，由称重模块实时采集药物及清水的抽取重量，最后经搅拌装置进行充分搅拌来达到用户所需浓度的药物调配。其遵循的理论计算公式为：
2.3 基于PWM技术的高压雾化及化肥均匀度控制技术
在农药的喷洒过程中，雾化状态的农药是最理想的效果，可充分保护农作物的枝叶不被腐蚀伤害且可进行大面积的喷洒作业来杀死害虫，该系统在农药雾化功能方面采用单片机来产生PWM信号控制隔膜泵功率来对水压进行控制，可实现不同的雾化效果。
在化肥的喷洒功能上，系统设计了高效的旋转喷洒装置，其主要采用大功率可调速直流电机作为喷洒装置的动力机构，在该装置的化肥进口处设计了可调节大小功能，可实现化肥喷洒量的实施控制，同时通过单片机的PWM信号来对直流电机转速进行调节，并且对化肥喷洒浓度进行调控。
2.4 基于Wi-Fi的远程数据传输技术
系统在喷洒作业过程中，用户可在手机APP端观测喷洒效果，主要是通过安装的监控模块实时采集环境照片并通过Wi-Fi模块将图像数据回传给用户手机端。Wi-Fi无线通信模块也是物联网技术的重要组成部分，负责上位机和下位机之间数据的上报和下发[3]，本系统采用业内常用的ESP8266无线通信模块，这是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计[4]，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，可以进行互联网或局域网通信，实现联网功能，适用于长距离的无线通信，因而实现APP对本系统功能的远程控制，如前进、转弯、喷洒、监控视频传输等功能。
3 硬件电路与软件设计
3.1 硬件电路设计
系统控制模块采用了STM32F4单片机[5]，用其来完成农药配比计算、智能避障、化肥农药喷洒、支架折叠、语音提醒、效果监测等功能。根据实际需求使用12 V大功率隔膜泵来实现药液的雾化控制，以180度高精度舵机来控制化肥喷洒装置的喷洒角度及喷洒均匀度，加入模数转换芯片ADS1115（15位精度）和压力传感器设计了高精度称重模块[6-8]，无线传输系统采用ESP8266模块，该模块波特率最高可达921 600比特每秒，确保信号的实时传输和稳定运行[5]，语音提醒模块采用ISD1820语言播报模块，来实现对用户进行语音式指导，比如“请检查储药仓是否充足”、“请将抽水管放置于充足水源中”。最后，系统使用了多块大容量12 V可充电式铅酸电池为系统供电，并加入了5 V、3.3 V直流稳压模块来对单片机、隔膜水泵及舵机等模块供电[9]，在搭建完成基本电路加入了充电过冲保护模块和开机锁等功能[5，10]。
3.2 系统软件设计
系统程序开始后单片机会启动系统电源自检程序、Wi-Fi初始化程序、喷药杆折叠模块及化肥喷洒装置复位程序、语音播报程序后实时调用Wi-Fi模块读写函数并进行数据解析，当检测出APP端发来的浓度调配及运行指令后，会根据指令包中的功能标志字符来区分用户需求[3]，实现农药调配及喷洒、化肥喷洒等功能的分类执行。使用卡尔曼滤波对超声波模块测量的数值进行滤波处理，得到稳定值后进行运动处理[5]，如前进、后退、左转、右转等，以此来提高该系统在复杂农田环境中自动作业过程中的安全可靠性，用户控制端如图2所示，系统软件工作流程如图3所示。
其中浓度计算与调配功能全部由手机端APP完成，其核心程序为：
@SuppressLint（"SetTextI18n"）
private static void onListener（View view， Dialog dialog）{
Button button = view.findViewById（R.id.button10）;
button.setOnClickListener（v -> {
ClearEditText editText1 = view.findViewById（R.id.input1）;
ClearEditText editText2 = view.findViewById（R.id.input2）;
ClearEditText editText3 = view.findViewById（R.id.input3）;
if（dialog ！= null）{
if（editText1.getText（）.toString（）.equals（""）editText2.getText（）.toString（）.equals（""） editText3.getText（）.toString（）.equals（""） ）{
Toast.makeText（MainActivity.getActivity（），"请不要留空"， Toast.LENGTH_SHORT）.show（）;
return;
}else{
try{
double t1 = Double.parseDouble（editText1.getText（）.toString（））;
double t2 = Double.parseDouble（editText2.getText（）.toString（））;
double t3 = Double.parseDouble（editText3.getText（）.toString（））;
MainActivity.textSetting.t1 = t1;
MainActivity.textSetting.t2 = t2;
MainActivity.textSetting.t3 = t3;
double math = t3 * t1 / t2;
MainActivity.yw1.setText（math+""）;
MainActivity.qs1.setText（（t3 - math）+""）;
MainActivity.zl1.setText（t3+""）;
MainActivity.yw2.setText（math+""）;
MainActivity.qs2.setText（（t3 - math）+""）;
MainActivity.nd2.setText（t1+""）;
}catch （Exception e）{
Toast.makeText（MainActivity.getActivity（），"请输入正确的数值"，Toast.LENGTH_SHORT）.show（）;
return;
}
}
LoadClick.closeDialog（dialog）;
}
}）;
系统在进行农药自动调配时，使用了压力传感器及模数转换芯片来组成系统的高精度称重模块，由于农药的质量较轻且压力传感器较为敏感，在实际测量过程中较难控制抽取原药溶液的质量，故为其设计了基于算数平均滤波方法的质量测量算法，对压力传感器的返回值进行16次采样，以其算数平均值作为有效采样值，该方法对压力、流量等具有周期脉冲特点的信号具有良好的滤波效果，实验表明采样次数越大，滤波效果越理想，但灵敏度会越低，为便于运算，本系统采样16次取平均，其滤波核心算法为：
函数功能：算数平均滤波
入口参数：农药质量参数m
返回值：理想质量值M
int shuzilvbo（ ）
{ float m ，M，Sum;
for（i=0;i<16;i++）
{ m=zhiliangjisuan（）;//计算质量函数
shuzu[i]=m;//存入缓存
Sum+=shuzu[i];//求和运算
} M=Sum/16;//取平均
return M;//返回理想值
}
4 实验测试与分析
最终该系统整体结构如图4所示，化肥喷洒装置位于正前方且可以遥控旋转调节喷角，喷药杆位于后方，可由APP控制打开。其下位机主要包括单片机计算中心、运动模块、化肥喷洒装置、农药雾化装置、超声避障等模块，上位机由自主设计的用户端手机APP进行远程控制及视频监控，在进行实际实验测试时，因条件有限，选取5%浓度的84消毒液进行了药物喷洒模拟实验，本次实验以调配15千克溶液为例，取部分实验数据如表1所示，整体误差在千分之五左右。
5 结 论
该系统对基于物联网的农药化肥自动喷洒技术进行了研究，给出了一种基于物联网及单片机控制技术的农药化肥一体化自动作业系统设计方案，实现了智能控制技术与农机具的结合，可使用户在语音提示下输入土地面积及药物、化肥种类后单片机自动计算需要的药物及化肥数量，通过自动抽取药物及清水或化肥及准确称重计量来完成自动配制并充分搅拌。喷洒系统行进过程中由超声波传来的信号判断是否需要调整前进方向，以及是否到达道路尽头，同时单片机可控制电子阀门开关大小改变药物及化肥的喷洒量，系统在完成工作后，会自动控制折叠支架将药物喷管收回车内，通过配备监控系统，喷洒作业过程可由手机APP全程监控。该系统可改变传统的人工操作方式，实现了无须大量人力就可以大面积的自动为农作物喷洒农药和化肥的目的，节省了人力。
参考文献：
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作者简介：高天学（1991—），男，汉族，山东济南人，讲师，硕士研究生，研究方向：电子与通信技术、智能控制;曹伟（1998—），男，汉族，山东菏泽人，本科在读，研究方向：电子信息工程。
收稿日期：2021-04-03
基金项目：2020年山东省大学生创新创业训练项目（S202013857029）;2019年度德州市市级研发计划项目;山东华宇工学院横向项目（HY20 21-017）
