基于STM32F103的遥控自走式喷药系统设计及应用

刘建龙，余 刚，孟力力，柳 军

(江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，江苏南京 210014)

近年来我国设施农业发展迅速，设施农业面积与产品产量均稳居世界首位。与传统农业相比，设施农业的农药使用次数多、使用量大，农产品的农药残留严重。因此采用先进的控制技术研制和开发新型设施内专用施药装备，对于提高农药使用效率、最大程度减少农药残留和环境污染、提高现代农业发展的经济效益、社会效益和环境效益具有重大意义[1-4]。

目前发达国家应用于农业设施的植保机械基本实现了产品的市场化和品种的系列化，但这些系统造价普遍偏高，在我国还难以普及推广。背负式手动喷雾机是我国温室内的主要施药机具，存在喷雾质量差、喷雾不均匀、操作者与农药直接接触等问题[5-7]。

农业设施大棚空间密闭、高温高湿，人工植保喷药时会对人体造成很大伤害[8-9]，为解决这一问题，本研究将机械设计、气压技术、电气控制与自走喷药技术集成应用到农业植保机械上，设计一种用于设施大棚栽培的遥控自走式喷药系统，该系统通过远程无线遥控控制喷药系统的运行，从而实现系统的精准施药。

1 系统总体方案设计

遥控自走式喷药系统主要由轨道系统、遥控行走器、喷药系统等3部分组成。在设施大棚内架设钢丝缆绳及支撑结构，将行走机构悬挂在钢丝轨道上并通过行走电机驱动行走，喷药组件位于行走机构下部。系统选用单片机作为核心控制器，实现各个功能模块的互联协作。喷药系统采用喷药泵为动力，喷杆采用伸缩式单点吊挂平衡机构，加装多个喷头，喷药宽度可以根据植株宽度的不同而随意调节，每个喷头单独设置开关，从而实现喷洒过程中的药量控制。系统开始工作后，无线遥控器将预处理信息(主要包括装置的启停、前进、后退、加速、减速)发送给单片机，单片机对信息进行处理并控制执行机构进行相应动作，同时将接收到的指令进行语音播报以确保指令准确有效，当操作者进行大棚作业时只需通过遥控器操作即可实现药剂的自走式喷洒，在不侵占大棚种植面积的前提下实现农药的喷洒。该装置喷洒均匀、效果显著，喷头防滴漏节约用水，折叠式结构设计便于安装，全自动往复运行，在很大程度上提高了生产效率，同时减少药物对人体的伤害、降低劳动强度。系统结构示意如图1所示。

2 系统硬件电路设计

遥控自走式喷药系统的控制器是系统控制的核心，整个硬件电路包括音频播报模块、无线遥控模块、电机驱动模块、电源模块等。系统选用STM32F103增强型单片机作为自动喷药系统的微控制器。

STM32F103处理器的最小系统电路原理如图2所示。

2.1 无线遥控系统

系统选用的是超再生无线接收模块，它通过天线接收到无线电信号后，首先对信号进行滤波，滤除噪声信号，再对信号进行放大，从而得到所需要的无线信号。其中解码芯片选用的是SC2272-M4瞬态型、4位数据输出无线接收芯片，是与SC2260-R4/SC2262配对使用的一款无线遥控解码集成电路。遥控器发出的指令信号由传输芯片传给单片机，单片机进一步控制电机转动，从而达到喷药装置自动运行的效果。

SC2272-M4的A0～A7端是芯片的地址码设置端口，只有当接收端的地址码和发射端的地址码设置完全相同时，输出端才有输出信号；SC2272-M4可对从Din接收的串行信号进行解码。单片机电路采用STM32来实现对输入信号的处理和开关电路的控制。STM32的PC6～PC9端作为数据输入端口，分别和解码芯片SC2272-M4的数据输出D3～D0端连接；PC10、PC11、PC12与电机驱动电路连接，传送从单片机输出的脉冲宽度调制(pulse width modulation，简称PWM)波或控制指令到电机驱动系统，进一步实现对直流电机的启动、停止、加速、减速控制。SC2272-M4与STM32的电路连接原理如图3所示。

2.2 语音播报系统

为更好地实现人机交互，充分利用单片机的资源，在按下遥控器按键后，装置在执行相应的动作前进行语音播报，以提醒操作者确认当前动作是否正确；同时在调整运行速度过程中进行语音播报，提示当前装置的运行速度。本系统选用的是MP3-FLASH-16P语音模块(带串口)，很好地集成了MP3等音频格式文件(WAV)的硬解码，同时支持工业级的串口通信协议，以串行外围接口设备(SPI)存储器作为存储介质，该模块可降低成本，同时增加产品的稳定性。另外该模块集成了3 W的功放，直接外接喇叭即可实现音频播报，模块支持10段语音的指定触发播放。语音播报模块与单片机电路连接示意如图4所示。

首先使用科大讯飞语音软件把要表达的信息由文字变为音频文件；其次对得到的音频文件进行修饰，比如音量的大小、语速的快慢等；然后将音频文件压缩下载到MP3-FLASH-16P语音模块中。语音模块等待由STM32接收无线遥控器发出的触发信号，根据读取的信息判断要播放的是哪段音频文件；然后从存储单元中找到相应的存储地址，开始读取数据并在通过扬声器时把数字文件还原为语音。

2.3 PWM调速系统

系统利用STM32的定时器PWM模式产生所需要的PWM波。电机的转速与电机两端的电压成正比，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比。

使用单片机控制电机转动的接线方法如图5所示，电机驱动板接电源+3.3 V，单片机的电源与驱动板控制信号电源应共地。驱动模块的ENA与单片机的PWM波输出端口相连，对电机进行调速；模块引脚IN1和IN2与单片机的2个IO口相连控制电机正反转及刹车。

2.4 电源设计

系统采用聚合物锂电池作为电源储能元件，它以钴酸锂材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装。聚合物锂电池具有高能量密度、小型化、薄型化、轻量化、高安全性及低成本的特点；同时无有毒元素，不会对环境造成污染。

由图6可知，过充电控制管FET2和过放电控制管FET1串联于电路中，由保护集成电路(integrated circuit，简称IC)监视电池电压并进行控制，当电池电压上升至4.20 V时，过充电保护管FET1截止，停止充电。当电池处于放电状态下，电池电压降至2.55 V时，过放电控制管FET1截止，停止向负载供电。

3 系统执行机构设计

3.1 轨道系统

行走轨道主要由钢丝绳、锁紧器、支撑架组成，根据设施大棚的钢架结构架设钢丝轨道，钢丝轨道穿透大棚侧墙，并通过锚索植入地面，以增加抗拉强度，同时每隔4～5 m安装1个支撑架，对钢丝轨道进一步加固以减小装置的“爬坡”阻力，同时增加装置在轨道上的支撑力，使钢丝轨道在受拉的情况下还能保持水平，从而使行走机构可以在钢丝绳上平稳行走工作。

3.2 行走机构

带有驱动电机的同步轮安装在装置上半部分，并与行走轮固定安装，整个行走机构悬挂在钢丝轨道上运行；电气控制盒和药桶安装在机架中央部位，药桶通过高压软管与喷药装置相连，遥控器设置多个操作按键，用户可根据需求发送相应指令，控制系统接收遥控器指令信号并控制执行机构动作，可实现装置的开启、关闭、正向、反向、加速、减速等，且行走速度设置多个等级供操作者选择。行走机构自支撑杆设有调节旋钮，可以上下调节底部喷药系统的高度，以适应不同生长时期植株高度的需要。

3.3 喷药系统

喷药系统主要由喷药泵、喷杆、喷头、喷药管等组成。在机架下方安装有可自动伸展折叠的喷药装置，喷药系统选用喷药泵为动力设备，喷杆采用伸缩折叠式单点吊挂平衡机构，喷杆加装多个喷头，喷药宽度可以根据植株宽度的不同而随意调节，每个喷头单独设置开关，以实现喷洒过程中的药量控制。

4 系统软件设计

根据喷药系统的作业要求，控制系统须实现以下功能：单片机检测到遥控器发来的指令信号时，能够及时响应并控制直流电机的运行，同时伴随语音播报进行确认。系统程序包括初始化主程序与中断子程序以及计时器程序。本研究采用Keil软件集成开发平台完成控制系统软件设计。主程序流程如图7所示。

单片机STM32F103收到的信息指令分别是工作/停止指令、正转/反转指令、加速/减速指令。收到遥控信息后，先根据第1个指令判断装置电机是否运行，再根据电机正反转指令控制电机驱动模块引脚的置位或复位，通过改变PWM波的占空比进行调速，过载时进行停机保护控制并发出报警信号，并将报警信号回传给语音播报模块进行提醒确认。

5 系统调试及试验

将装配好的自动喷药装置挂在钢丝绳轨道上，系统在大棚内的安装调试如图8所示。大棚的基本参数为长度50 m，跨度8 m，脊高2.8 m，肩高1.2 m；喷头数量为6个；喷药系统离地高度为0.5 m。测试环境参数如表1所示，主要的试验内容包括系统性能测试(表2)和行走稳定性测试(表3)。对控制系统的测试采用极限条件下的使用试验来实现，对行走速度的测试采用计时秒表和测量米尺来进行。

表1 测试环境

6 结论

采用遥控自走式喷药系统进行精准施药可以有效地解决病害问题，并在降低农药环境压力、节约农药用量的同时减轻农民的负担，减少农药对人体的伤害，可将农药科学、经济、安全、高效地喷洒到作物上，提高农药的有效利用率，减少设施大棚内的空气和环境污染[10-12]。同时还可以在设施大棚生产中把农药的药效发挥到最大，取得较好的经济效益和社会效益。另外该装置还可以用来进行喷水灌溉，适合在设施农业中进行大面积推广。

表2 系统性能测试

表3 行走稳定性测试

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