基于物联网技术的果树农药喷洒系统

引 言

随着科技的进步、互联网的发展，传统农业模式已远不 能适应农业可持续发展的需要。目前，我国大多数地区使用 的喷雾机（器）以小型为主，农村使用最多的是背负式手动 喷雾器和背负式机动喷雾器，无论结构形式还是技术性能都很落后。在施药过程中，“冒泡滴漏”导致中毒现象严重 ；零件易损坏，机具使用寿命短，喷洒部件单一，且喷头质量 差，压力不均匀，雾化不好，药效低，对土地的污染严重， 功率低下 ；农药的利用率低，手动喷雾器农药的利用率仅为20%～30%，不但浪费严重，也容易导致施药人员中毒 [1-4]。

为提供更加高效安全的方法，物联网技术被应用到农药喷洒系统中 [5]。本文提出基于物联网技术的果树农药喷洒系统，通过传感器实时监测周围环境、物联网远程操控、无线遥控等技术控制系统的移动与喷洒，且可通过摄像头或手机终端设备采集作物图像确定果树生长的大小、病虫害情况， 实现农药定量喷洒，使喷洒作业更加自动化，并增添更多人性化功能，具备兼容性好、安全度高等优点。

1 整体方案

本文系统对温度、湿度及风速等影响农药喷洒适宜度的环境因子 [6-8] 进行实时监测，进行数据分析后判断是否符合喷洒条件，并将环境实时数据显示到用户手机界面。同时， 利用 Android APP 实现用户实地环境建模，利用链路状态节点算法生成节点拓扑图，进行路线合理规划。并在系统前端、两侧接入超声波测距模块，通过大数据处理，识别判断前方是否有果树或其他障碍物，从而对系统运动轨迹及时做出调整。通过仿真验证系统避障成功率，并进行分析与优化。另外，系统前端配置两个摄像头，进行视频定位及果树大小分析，从而得出果树喷洒量的算法。

在工作过程中，通过压力传感器实时监测农药剩余量， 当液面低于设定值时自动回到起点等待人工装料，电池电量低于预定值时也会通过手机端提醒用户更换电池或及时充电。

2 功能设计

2.1 全面监测果园环境数据

本文系统对果园环境的智能化监测主要考虑了基于农药 喷洒适宜度的环境因子，采用多种监测传感器所组成的网络 对果园内多个点的温度、湿度及风速进行监测、采集，并转 换成数字信号，利用 STM32单片机进行数据分析，判断是否符合喷洒条件。若不在预置范围（即环境不适合喷洒作业），则系统不进行工作，将分析结果通过WiFi模块传送至手机端 ； 若在预置范围内，则提醒用户可进行喷洒作业。系统运行过 程中，温湿度、风速等数据会实时显示在用户的手机界面， 为农业工作者带来极大的便利。

2.2 系统喷洒路线规划及智能避障

本文系统配套 Android APP 搭载用户实地环境建模的功能。用户首先根据果园内果树排列方式在手机界面以网络格点的形式建立所有果树位置的数学模型，然后选择人工遥控功能在果园实地测量多个节点的坐标并输入到对应节点位置上，最后在 APP 内部进行数据统计，并利用链路状态节点算法生成节点拓扑图，进而得到整个果园中各点的坐标图纸， 如图 1 所示。利用 Android 的 APP 界面将其显示成网格状， 用户可任意绘制行走路线，通过 WiFi 模块将运行路线的坐标数组发送到 STM32 单片机控制系统运行，实现按用户设定路线的自动移动，操作方便快捷。对于个别部分无法建立实地模型的不规则地形，用户也可通过手机端近距离人工遥控系统移动完成农药喷洒。此外，为了避免系统在运行中碰撞到果树或其他障碍物，在系统前端、两侧接入超声波测距模块，通过大数据处理对系统运动轨迹及时做出调整。

围电路包括控制器最小系统、电源电路、外围驱动电路、串口通信电路、WiFi 通信电路等， 实现 WiFi 通信与数据传输。单片机与 WiFi 模块通过串口连接。单片机接收指令控制电机驱动模块以完成小车行走，通过 WiFi 实现单片机与Android 监控平台之间的通信。智能果树农药喷洒系统硬件结构如图 3 所示。

2.3 系统智能喷洒及药量控制

考虑到图像处理效率，系统采用野火 OV7725 摄像头进行图像采集，根据采集到的图像中黑白比例表示果树大小， 利用模糊算法求得农药喷洒量。根据求解结果，利用 STM32 单片机输出电信号，从而控制喷洒装置对果树进行适量农药的喷洒。此外，采用薄膜压力传感器实时监测农药剩余量， 农药存储器中内置压力传感器，当液面低于设定值时，单片机发送对应指令，控制系统回到起点等待人工装料，电池电量低于预定值时也会有电信号发送给用户，提醒更换电池或及时充电。

3 整体设计

在整体方案的思想指导下，从工作原理方面，将物联网果树农药喷洒系统分为感知层、传输层和应用层三大组成部分。

感知层 ：一方面，对周围环境和系统状态信息（电量、药量）进行实时数据采集 ；另一方面，在系统前端进行图像采集，对果树的大小参数以及小车的行驶路径参数进行实时采集。

传输层 ：实现 WiFi 通信与数据传输。

应用层 ：一方面，设计 Android客户端调控平台， 以实现用户实时控制与监测 ；另一方面，进行终端数据采集， 采用 STM32单片机作为核心控制器驱动模块，使小车按规定路线移动，外围两侧采用可自动旋转的雾化喷头执行农药喷洒。

物联网果树农药喷洒系统控制示意如图 2 所示。

4 系统硬件设计

系统硬件主要由 STM32 主控模块、传感器监测模块、电机驱动模块、喷洒模块、图像采集模块、WiFi 通信模块六部分组成。采用 32 位的微处理器作为硬件设计核心，外围电路包括控制器最小系统、电源电路、外围驱动电路、串口通信电路、WiFi 通信电路等，实现 WiFi 通信与数据传输。单片机与 WiFi 模块通过串口连接。单片机接收指令控制电机驱动模块以完成小车行走，通过 WiFi 实现单片机与Android 监控平台之间的通信。智能果树农药喷洒系统硬件结构如图 3 所示。

5 系统软件设计

采用 Eclipse+ADT 的方案进行 Android 应用程序开发环境的搭建，在此基础上设计 Android 应用程序。为了方便程序的修改、维护、移植、扩展，运用模块化设计思想把程序分割成不同的功能模块。系统复位或上电后，进入主程序， 主程序负责处理中断进行任务调度 ；子程序负责系统各子功能的实现 ；中断程序负责中断事件的处理，中断发生时，系统跳出主程序，执行中断服务程序，处理后程序回到中断发生前的状态，从中断点继续执行。本文系统中主程序运行后首先完成系统初始化，然后调用相关子程序实现数据采集、数据显示、模糊算法处理及无线通信等功能。程序界面的设计从功能设计出发，由登录注册、接收环境信息显示及路线规划三部分组成，这三个部分均采用 LinerLayout（线性布局） 方式。系统主程序流程如图 4 所示。

6 Android客户端应用软件开发

用户界面的设计从功能设计出发，由登录注册、接收环境信息显示及路线规划三部分组成，这三个部分均采用LinerLayout 方式。

6.1 注册登录部分

屏幕中设置登录页面的布局文件文本编辑框和按钮控件，TextView 作为账号和密码的提示，EditText 用以输入账号和密码。另外，定义一个注册新账号按钮和一个登录按钮。每个控件都有唯一的 ID 属性值，从而实现在主程序中调用此控件。

6.2 接收环境信息显示部分

接收环境信息显示部分包括 GPS 位置信息、图像收集及显示模块三个 TextView 控件，接收来自车载服务器的数据， 从而实时显示小车位置以及拍摄图像。

6.3 路线规划界面

通过整合优化基于环境模型的势场域法和栅格法，以及3D 路径规划的节点算法和混合算法，定义一个文本输入控件，用户输入规划后，程序就会跳转到对应的子函数，从而实现小车按照用户指定路径行驶。

智能喷洒小车实物如图 5 所示。

图 5 智能喷洒小车

7 实验验证

7.1 避障成功率验证

本文以 10 盆不同大小的盆栽替代果树，以 6 个空花盆替代障碍物进行避障成功率实验。具体步骤为 ：

（1）将 10 盆不同大小的盆栽布置在 5m×5m 的空旷地面上 ；

（2）利用 APP 建立实地模型 ；

（3）将空花盆随机布置在场地中 ；

（4）启动系统对场地所有盆栽进行喷洒，并记录避障成功率 ；

（5）调整空花盆的位置，重复步骤（4）以得到多组对比值。

避障成功率验证结果见表 1 所列。

7.2 药量控制验证

在进行药量控制验证时，采用不同大小的盆栽多次进行实验，系统在进行图像采集后，根据采集到的二值图像中黑白比例表示果树大小，利用模糊算法求得农药喷洒量。显然， 喷洒量与盆栽大小成正比关系，说明药量控制算法可行。药量控制验证如图 6 所示。

8 结 语

本文设计了一种以智能小车为载体的果树农药喷洒系统，系统以实用与绿色节能为出发点，设定喷洒路线，具备远程监测、自动按需喷洒、智能避障、及时反馈信息、人工遥控等功能。通过理论分析和实验验证，本文系统避障成功率达 99.9%，对不同大小果树喷洒药量合适，能够高效率、高精度、零排放地完成用户指定的喷洒任务。同时搭载Android 应用程序，为农业的智能生产、高效作业提供可行方案 [9-10]。该系统可适用于各种环境下的农药喷洒，便于提供更加人性化的服务，具有广阔的应用前景。