物联网技术下智能农药喷洒机器人设计

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摘要：针对目前手工作业喷洒农药存在农药配比浓度和喷洒剂量不均衡、工作效率低，且喷洒作业人员长期暴露在农药下对其身体健康有害等问题，设计一种基于物联网技术的智能农药喷洒机器人，能够通过上位机实时监测工作环境信息是否满足喷洒作业要求；并通过按键设置农药配兑比例，根据所规划的路径自动进行喷洒作业，实现了农药喷洒的自动控制。

关键词：机器人；农药喷洒；物联网技术；智能农业；自动控制；远程监控

0引言

目前，我国农业经营方式仍然是小规模的，没有形成规模化，且大部分农业工作方式都是纯手工作业。随着我国经济发展进入新常态，打造智能化的现代农业是我国农业发展的必经之路。物联网技术作为信息科技第三次产业革命的产物，其主要通过网络按照约定协议将传感器等多种硬件电路检测到的信息上传，从而实现信息的交换和传播，达到了良好的人机交互效果，在农业智能化建设中发挥了至关重要的作用。在农业生产中，通过喷洒农药进行杀虫、杀菌，对保障和促进农作物的成长具有积极的功效和作用。目前，我国大部分地区喷洒农药都是采用手工作业的方式，人们通过自身的经验和感知，根据农药说明书手工配兑农药的比例和喷洒剂量，存在农药配比浓度、喷洒剂量不均衡的现象，且手工作业存在覆盖范围小、工作效率低下、造成人力物力浪费以及农药对喷洒作业人员的身体健康存在一定的危害等问题。针对上述问题，本文设计一种基于物联网技术的智能农药喷洒机器人。用户可以通过上位机远程监控农药喷洒机器人的实时作业情况，机器人也能够实时对上位机下发的指令做出反应。机器人能够对工作环境进行实时检测，并将信息实时反馈给上位机；机器人还能够携带一定重量的农药，并根据事先设定好的比例进行混合，根据所规划的路径进行工作，能够开展大规模农作物的农药喷洒工作，且农药配比准确、喷洒均匀，也能够避免对农药喷洒人员的健康产生危害。

1系统总体方案设计

本文设计的基于物联网技术的智能农药喷洒机器人，以单片机为主控核心，通过寻迹模块、电机驱动模块控制机器人按照规划路径运动，通过按键模块和液晶显示模块设置农药混合比例，单片机根据按键模块设置的参数控制抽水器对多种农药、清水进行混合；温湿度检测模块负责对工作环境进行监测，并通过无线模块传给上位机。

2系统电路设计与实现

2.1无线模块

无线模块负责与上位机间传输环境信息、远程发送指令等，其稳定性是决定上位机与下位机能否正常通信的关键。本文选用JZ861-433M超小型无线数传模块，能够提供四个频道，而且有专门的设置程序，可以让用户随时变更相关参数[1-2]；其采取透明传输方式，不需要用户进行程序的设计即可进行传输，且模块体积小，方便使用。JZ861-433M无线数传模块是成对使用的，一块用于接收数据，另一块用于发送数据；单片机（终端设备）与无线数传模块之间采用UART方式通信，其连接方式如图2所示。

2.2温湿度检测模块

在实施农药喷洒作业时，室外环境也是影响喷洒质量的关键因素，所以对喷洒现场环境实施监测也是必要的。室外环境存在的不可控因素较多，在温湿度传感器的选型过程中需要重点考虑其可靠性、稳定性、抗干扰性等特点。本文选用具有体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、传输距离远等优点的DHT11数字温湿度传感器[3]，单片机通过DHT11数字温湿度传感器的DATA串行数据接口进行通信[4-5]，能够实时获取当前环境的温度和湿度信息。

2.3电机驱动模块

由于单片机的输出电压、电流较小，无法驱动电机正常运行，且电机具有正转、反转、停止的功能，所以需要电机驱动模块配合才能正常运行。本文选用可以同时控制2个电机动作的L298N电机驱动模块，其具有工作电压范围大的特点以及过热保护、反馈检测等功能。单片机可以通过电平控制其2个使能端和4个输入引脚，从而控制对应电机的运动方式。

2.4寻迹模块

本文的路径规划采用红外传感器自反射原理寻迹的方式进行，红外寻迹具有对环境光线适应能力强、干扰小等特点。寻迹模块通电后发出一定频率的红外光，当遇到障碍物时，反射回来的信号经电路比较放大处理后输出一个数字电平信号给单片机处理[6]。图3所示为寻迹模块原理。

3系统软件设计

单片机是控制农药喷洒机器人正常运行的核心器件，其主要依靠程序接收或控制其他模块工作，工作流程如图4所示。按键模块用于设置农药、清水等试剂的混合比例，并在液晶显示屏显示其键值；同时，液晶显示屏用于实时显示温湿度信息。将整个系统程序根据实现的功能按模块化思想分为按键程序、显示程序、温湿度读取及处理程序、寻迹控制程序、抽水器控制程序等。

3.1按键程序

在按键程序中，所需的键值0至9编码、输入清零、确定、机器人搭载的4种试剂选择（采用A、B、C、D四种模式），一共需要16颗按键，所以选用4×4矩阵键盘作为按键模块，采用键值扫描的方式读取键值并显示。将矩阵键盘的4根行线和4根列线分别与单片机的8个I/O口连接，如果矩阵键盘某一行线和某一列线对应的I/O口均检测到低电平信号，则说明该按键被按下[7]。

3.2液晶显示程序

本系统选用1602液晶显示屏，液晶显示程序所需要进行的操作主要有四种[8]：读数据操作、写数据操作、写指令操作以及读状态操作。这些操作的实现是通过RS寄存器选择端、时序控制端以及读写信号的控制端进行时序控制。将这些时序操作写成对应的子程序，在使用时直接调用对应的子程序进行液晶的显示和控制。

3.3温湿度读取及处理程序

单片机与DHT11温湿度传感器之间的通信是一个低速-高速-低速模式的转换过程，DHT11温湿度传感器之间等待工作指令时处于低速模式，接收到工作指令时处于高速模式[9]。在工作阶段，需要经过三个阶段，即发出响应信号、触发采集、读取数据。单片机接收到的数据信息为40bit，即温度、湿度数据整数和小数部分以及校验和各占8bit[10]。

3.4寻迹控制程序

农药喷洒机器人根据预设的轨迹运动，需要将两对红外传感器模块分别安装于机器人的左侧和右侧，当左侧红外传感器模块检测输出低电平信号给单片机时，单片机对应I/O口输出控制信号给电机驱动模块，控制机器人右转；当右侧红外传感器模块检测输出低电平信号给单片机时，单片机对应I/O口输出控制信号给电机驱动模块，控制机器人左转；当两对红外传感器模块均输出高电平信号时，机器人前进。在电机控制机器人运动的过程中，机器人的速度较快，所以在单片机程序中通过输出PWM信号控制机器人的运行速度。

3.5抽水器控制程序

抽水器控制程序根据抽水器每秒抽取液体的速度v（单位为m3⁄s）、按键模块输入某种配比试剂所需的量Q（单位为m3）来计算抽取时间t（单位为s），然后应用单片机内部的定时器定时抽取每种农药的量，从而达到配比效果，其计算公式为t=Q/v。

4结语

本文设计了一种基于物联网技术的智能农药喷洒机器人，用户可以通过上位机实时监测工作环境的温湿度信息；机器人能够携带一定重量的农药，并根据事先设定好的比例进行混合，根据所规划的路径进行工作。本设计实现了农药喷洒的自动控制，不仅节省了人力物力，而且提高了农药喷洒作业的安全性。

作者:谭洁 刘震 唐雪刚 秦顺利 姚浪  唐洪 单位:铜仁职业技术学院