引 言

隨著科技的進步、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)農業(yè)模式已遠不 能適應農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。目前，我國大多數(shù)地區(qū)使用 的噴霧機（器）以小型為主，農村使用最多的是背負式手動 噴霧器和背負式機動噴霧器，無論結構形式還是技術性能都很落后。在施藥過程中，“冒泡滴漏”導致中毒現(xiàn)象嚴重 ；零件易損壞，機具使用壽命短，噴灑部件單一，且噴頭質量 差，壓力不均勻，霧化不好，藥效低，對土地的污染嚴重， 功率低下 ；農藥的利用率低，手動噴霧器農藥的利用率僅為20%～30%，不但浪費嚴重，也容易導致施藥人員中毒 [1-4]。

為提供更加高效安全的方法，物聯(lián)網(wǎng)技術被應用到農藥噴灑系統(tǒng)中 [5]。本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術的果樹農藥噴灑系統(tǒng)，通過傳感器實時監(jiān)測周圍環(huán)境、物聯(lián)網(wǎng)遠程操控、無線遙控等技術控制系統(tǒng)的移動與噴灑，且可通過攝像頭或手機終端設備采集作物圖像確定果樹生長的大小、病蟲害情況， 實現(xiàn)農藥定量噴灑，使噴灑作業(yè)更加自動化，并增添更多人性化功能，具備兼容性好、安全度高等優(yōu)點。

1 整體方案

本文系統(tǒng)對溫度、濕度及風速等影響農藥噴灑適宜度的環(huán)境因子 [6-8] 進行實時監(jiān)測，進行數(shù)據(jù)分析后判斷是否符合噴灑條件，并將環(huán)境實時數(shù)據(jù)顯示到用戶手機界面。同時， 利用 Android APP 實現(xiàn)用戶實地環(huán)境建模，利用鏈路狀態(tài)節(jié)點算法生成節(jié)點拓撲圖，進行路線合理規(guī)劃。并在系統(tǒng)前端、兩側接入超聲波測距模塊，通過大數(shù)據(jù)處理，識別判斷前方是否有果樹或其他障礙物，從而對系統(tǒng)運動軌跡及時做出調整。通過仿真驗證系統(tǒng)避障成功率，并進行分析與優(yōu)化。另外，系統(tǒng)前端配置兩個攝像頭，進行視頻定位及果樹大小分析，從而得出果樹噴灑量的算法。

在工作過程中，通過壓力傳感器實時監(jiān)測農藥剩余量， 當液面低于設定值時自動回到起點等待人工裝料，電池電量低于預定值時也會通過手機端提醒用戶更換電池或及時充電。

2 功能設計

2.1 全面監(jiān)測果園環(huán)境數(shù)據(jù)

本文系統(tǒng)對果園環(huán)境的智能化監(jiān)測主要考慮了基于農藥 噴灑適宜度的環(huán)境因子，采用多種監(jiān)測傳感器所組成的網(wǎng)絡 對果園內多個點的溫度、濕度及風速進行監(jiān)測、采集，并轉 換成數(shù)字信號，利用 STM32單片機進行數(shù)據(jù)分析，判斷是否符合噴灑條件。若不在預置范圍（即環(huán)境不適合噴灑作業(yè)），則系統(tǒng)不進行工作，將分析結果通過WiFi模塊傳送至手機端 ； 若在預置范圍內，則提醒用戶可進行噴灑作業(yè)。系統(tǒng)運行過 程中，溫濕度、風速等數(shù)據(jù)會實時顯示在用戶的手機界面， 為農業(yè)工作者帶來極大的便利。

2.2 系統(tǒng)噴灑路線規(guī)劃及智能避障

本文系統(tǒng)配套 Android APP 搭載用戶實地環(huán)境建模的功能。用戶首先根據(jù)果園內果樹排列方式在手機界面以網(wǎng)絡格點的形式建立所有果樹位置的數(shù)學模型，然后選擇人工遙控功能在果園實地測量多個節(jié)點的坐標并輸入到對應節(jié)點位置上，最后在 APP 內部進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并利用鏈路狀態(tài)節(jié)點算法生成節(jié)點拓撲圖，進而得到整個果園中各點的坐標圖紙， 如圖 1 所示。利用 Android 的 APP 界面將其顯示成網(wǎng)格狀， 用戶可任意繪制行走路線，通過 WiFi 模塊將運行路線的坐標數(shù)組發(fā)送到 STM32 單片機控制系統(tǒng)運行，實現(xiàn)按用戶設定路線的自動移動，操作方便快捷。對于個別部分無法建立實地模型的不規(guī)則地形，用戶也可通過手機端近距離人工遙控系統(tǒng)移動完成農藥噴灑。此外，為了避免系統(tǒng)在運行中碰撞到果樹或其他障礙物，在系統(tǒng)前端、兩側接入超聲波測距模塊，通過大數(shù)據(jù)處理對系統(tǒng)運動軌跡及時做出調整。

圍電路包括控制器最小系統(tǒng)、電源電路、外圍驅動電路、串口通信電路、WiFi 通信電路等， 實現(xiàn) WiFi 通信與數(shù)據(jù)傳輸。單片機與 WiFi 模塊通過串口連接。單片機接收指令控制電機驅動模塊以完成小車行走，通過 WiFi 實現(xiàn)單片機與Android 監(jiān)控平臺之間的通信。智能果樹農藥噴灑系統(tǒng)硬件結構如圖 3 所示。

2.3 系統(tǒng)智能噴灑及藥量控制

考慮到圖像處理效率，系統(tǒng)采用野火 OV7725 攝像頭進行圖像采集，根據(jù)采集到的圖像中黑白比例表示果樹大小， 利用模糊算法求得農藥噴灑量。根據(jù)求解結果，利用 STM32 單片機輸出電信號，從而控制噴灑裝置對果樹進行適量農藥的噴灑。此外，采用薄膜壓力傳感器實時監(jiān)測農藥剩余量， 農藥存儲器中內置壓力傳感器，當液面低于設定值時，單片機發(fā)送對應指令，控制系統(tǒng)回到起點等待人工裝料，電池電量低于預定值時也會有電信號發(fā)送給用戶，提醒更換電池或及時充電。

3 整體設計

在整體方案的思想指導下，從工作原理方面，將物聯(lián)網(wǎng)果樹農藥噴灑系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應用層三大組成部分。

感知層 ：一方面，對周圍環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)信息（電量、藥量）進行實時數(shù)據(jù)采集 ；另一方面，在系統(tǒng)前端進行圖像采集，對果樹的大小參數(shù)以及小車的行駛路徑參數(shù)進行實時采集。

傳輸層 ：實現(xiàn) WiFi 通信與數(shù)據(jù)傳輸。

應用層 ：一方面，設計 Android客戶端調控平臺， 以實現(xiàn)用戶實時控制與監(jiān)測 ；另一方面，進行終端數(shù)據(jù)采集， 采用 STM32單片機作為核心控制器驅動模塊，使小車按規(guī)定路線移動，外圍兩側采用可自動旋轉的霧化噴頭執(zhí)行農藥噴灑。

物聯(lián)網(wǎng)果樹農藥噴灑系統(tǒng)控制示意如圖 2 所示。

4 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由 STM32 主控模塊、傳感器監(jiān)測模塊、電機驅動模塊、噴灑模塊、圖像采集模塊、WiFi 通信模塊六部分組成。采用 32 位的微處理器作為硬件設計核心，外圍電路包括控制器最小系統(tǒng)、電源電路、外圍驅動電路、串口通信電路、WiFi 通信電路等，實現(xiàn) WiFi 通信與數(shù)據(jù)傳輸。單片機與 WiFi 模塊通過串口連接。單片機接收指令控制電機驅動模塊以完成小車行走，通過 WiFi 實現(xiàn)單片機與Android 監(jiān)控平臺之間的通信。智能果樹農藥噴灑系統(tǒng)硬件結構如圖 3 所示。

5 系統(tǒng)軟件設計

采用 Eclipse+ADT 的方案進行 Android 應用程序開發(fā)環(huán)境的搭建，在此基礎上設計 Android 應用程序。為了方便程序的修改、維護、移植、擴展，運用模塊化設計思想把程序分割成不同的功能模塊。系統(tǒng)復位或上電后，進入主程序， 主程序負責處理中斷進行任務調度 ；子程序負責系統(tǒng)各子功能的實現(xiàn) ；中斷程序負責中斷事件的處理，中斷發(fā)生時，系統(tǒng)跳出主程序，執(zhí)行中斷服務程序，處理后程序回到中斷發(fā)生前的狀態(tài)，從中斷點繼續(xù)執(zhí)行。本文系統(tǒng)中主程序運行后首先完成系統(tǒng)初始化，然后調用相關子程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、模糊算法處理及無線通信等功能。程序界面的設計從功能設計出發(fā)，由登錄注冊、接收環(huán)境信息顯示及路線規(guī)劃三部分組成，這三個部分均采用 LinerLayout（線性布局） 方式。系統(tǒng)主程序流程如圖 4 所示。

6 Android客戶端應用軟件開發(fā)

用戶界面的設計從功能設計出發(fā)，由登錄注冊、接收環(huán)境信息顯示及路線規(guī)劃三部分組成，這三個部分均采用LinerLayout 方式。

6.1 注冊登錄部分

屏幕中設置登錄頁面的布局文件文本編輯框和按鈕控件，TextView 作為賬號和密碼的提示，EditText 用以輸入賬號和密碼。另外，定義一個注冊新賬號按鈕和一個登錄按鈕。每個控件都有唯一的 ID 屬性值，從而實現(xiàn)在主程序中調用此控件。

6.2 接收環(huán)境信息顯示部分

接收環(huán)境信息顯示部分包括 GPS 位置信息、圖像收集及顯示模塊三個 TextView 控件，接收來自車載服務器的數(shù)據(jù)， 從而實時顯示小車位置以及拍攝圖像。

6.3 路線規(guī)劃界面

通過整合優(yōu)化基于環(huán)境模型的勢場域法和柵格法，以及3D 路徑規(guī)劃的節(jié)點算法和混合算法，定義一個文本輸入控件，用戶輸入規(guī)劃后，程序就會跳轉到對應的子函數(shù)，從而實現(xiàn)小車按照用戶指定路徑行駛。

智能噴灑小車實物如圖 5 所示。

圖 5 智能噴灑小車

7 實驗驗證

7.1 避障成功率驗證

本文以 10 盆不同大小的盆栽替代果樹，以 6 個空花盆替代障礙物進行避障成功率實驗。具體步驟為 ：

（1）將 10 盆不同大小的盆栽布置在 5m×5m 的空曠地面上 ；

（2）利用 APP 建立實地模型 ；

（3）將空花盆隨機布置在場地中 ；

（4）啟動系統(tǒng)對場地所有盆栽進行噴灑，并記錄避障成功率 ；

（5）調整空花盆的位置，重復步驟（4）以得到多組對比值。

避障成功率驗證結果見表 1 所列。

7.2 藥量控制驗證

在進行藥量控制驗證時，采用不同大小的盆栽多次進行實驗，系統(tǒng)在進行圖像采集后，根據(jù)采集到的二值圖像中黑白比例表示果樹大小，利用模糊算法求得農藥噴灑量。顯然， 噴灑量與盆栽大小成正比關系，說明藥量控制算法可行。藥量控制驗證如圖 6 所示。

8 結 語

本文設計了一種以智能小車為載體的果樹農藥噴灑系統(tǒng)，系統(tǒng)以實用與綠色節(jié)能為出發(fā)點，設定噴灑路線，具備遠程監(jiān)測、自動按需噴灑、智能避障、及時反饋信息、人工遙控等功能。通過理論分析和實驗驗證，本文系統(tǒng)避障成功率達 99.9%，對不同大小果樹噴灑藥量合適，能夠高效率、高精度、零排放地完成用戶指定的噴灑任務。同時搭載Android 應用程序，為農業(yè)的智能生產、高效作業(yè)提供可行方案 [9-10]。該系統(tǒng)可適用于各種環(huán)境下的農藥噴灑，便于提供更加人性化的服務，具有廣闊的應用前景。