基于STM32单片机的大棚循迹农药喷洒车设计

李云潇

摘 要：传统的大棚农药喷洒方式污染较重，容易中毒。将红外循迹避障系统与STM32单片机相结合，设计自动化程度较高的循迹农药喷洒车有助于实现优化。该喷洒车在传统红外循迹避障车的设计基础上增加了供药、喷药系统，可同时保证喷洒车运行轨迹稳定和农药喷洒高效。农药喷洒车搭载全球定位系统（Global Positioning System，GPS）模块和谷歌移动服务（Google Mobile Service，GMS）模块，实现了喷洒车的远程定位功能，提高了农药喷洒的可靠性和安全性。喷洒车尺寸小、灵活性高、可操作性强，能满足大棚内自动化作业要求。

关键词：STM32F103单片机;红外循迹;全球定位系统（GPS）;农药喷洒

Abstract： The traditional method of pesticide spraying in greenhouse is heavy in pollution and easy to be poisoned. Combining the infrared tracking obstacle avoidance system with STM32 microcontroller to design a highly automated pesticide spraying vehicle will help to realize optimization. Based on the design of the traditional infrared tracking obstacle avoidance vehicle， the spraying vehicle added the drug supply and spraying system， which can ensure the stable running track of the spraying vehicle and the high efficiency of pesticide spraying at the same time. The pesticide spraying vehicle is equipped with GPS and GMS module to realize the remote positioning function of the spraying vehicle and improve the reliability and safety of pesticide spraying. The sprayer has the advantages of small size， high flexibility and strong maneuverability， which can meet the requirements of automatic operation in the greenhouse.

Keywords： STM32F103 microcontroller; infrared tracking; GPS; pesticide spraying

我国是农业大国，当前的大棚应用越来越广泛。传统大棚农药喷洒技术以手持式喷雾为主，且由于大棚室内空间有限、内部环境复杂，一般不适用飞行器或大型设备实施高效喷洒。手持式喷雾效率低下，对操作人员危害性大，難以满足大规模作业的需求。大棚农药滴灌、喷淋等技术虽能大规模作业，但是对大棚硬件设备要求高，且所需农药量大、覆盖面单一，长期使用会导致农药的浪费，并对土地造成污染。

针对以上问题，研究设计基于STM32F103单片机的循迹农药喷洒小车，能够代替人力实现半自动化大棚农药的精准喷洒，也可以承担同类的多样化工作。它采用红外循迹模块加超声波避障系统的设计，能有效提高工作效率[1]，同时配有全球定位系统（Global Positioning System，GPS）模块和谷歌移动服务（Google Mobile Service，GMS）模块，可以实现小车的实时定位，并在有需要时以短信的形式发送小车当前的经纬度坐标。本设计在提高农药喷洒设备可靠性的同时，降低了操作人员吸入农药的风险，具有良好的应用前景[2]。

1 总体设计框图

本研究设计基于STM32F103单片机的循迹农药喷洒车，可实现PID算法的红外循迹和农药喷洒功能。所用模块如图1所示。

2 农药喷洒模块

2.1 传动系统

为了实现单次喷洒至少覆盖一座单栋大棚（常见面积约为667 m2），本设计参考的小车载药质量不低于30 kg，车辆总质量不低于40 kg，故动力模块选用480 W的997低速12 V直流电机驱动车轮前行[3]。考虑到12 V直流电机转速较快，实际操作中需配置减速器来保障小车匀速前行。无刷直流电机保持了传统直流电机的良好调速性能，具有效率较高、使用寿命长以及噪声低等特点。选择两个N100 12 V 100 Ah蓄电池并联给电机供电，以保证农药喷洒工作顺利进行。

控制芯片的供电电压为3.3 V，舵机和电机驱动芯片的要求电压是5 V，需要对电压降压。5 V稳压芯片采用开关电压调节器LM2596。该芯片内置固定频率振荡器和基准稳压器，具备保护电路的功能。

2.2 车轮和底盘

考虑到大棚内地面通常高低起伏、存留积水，小车在大棚里作业受地形影响较大。本设计采用轮胎驱动轮驱动，运用较深的胎纹槽，以减少地形对小车作业的影响。为满足隔水、绝缘等需要，兼顾成本因素，底盘选择韧性好、质地柔和的亚克力板。

2.3 供药装置

供药装置利用一个微型潜水水泵进行工作。考虑到要与单片机电压相匹配，设计采用USB微型潜水泵。微型潜水泵可以根据不同长度的喷洒装置，调整供药装置的进药压力。本设计选用额定电压为5 V、最大流量为200 L/h、额定功率为3 W的微型潜水泵。

2.4 喷洒装置

喷洒装置可以根据农作物的高低或者不同生长周期进行调节。例如：根据大棚空间环境，可以选择多元模块的喷洒装置;根据农作物不同的生长周期和不同品种之间的差别，可以调节喷头的位置;根据农药喷淋部位，可单独控制每个喷头的开闭状态，从而保证喷洒的可靠性、高效性以及适应性[4]。

本设计采用的可自动调节喷头位置的喷洒装置具有易操作性，但在雾滴沉积量和省药率方面还有待优化。目前，已有学者对果树农药喷洒技术上进行了进一步研究，基于STM32F103VET6单片机控制对靶系统，在上位机手机控制端设置超声波传感器探测阈值，以适应不同行距果树的对靶喷雾作业。喷头喷出的药液被轴流风机产生的高速气流二次雾化形成更细的雾滴，然后在气流的胁迫作用下吹向标靶物。果园自动对靶风送喷雾机有助于节省农药，可有效防止农药污染，同时提高了农药的使用率[5]。

3 循迹避障模块

自动寻迹控制系统利用红外导引方式对小车进行路径导引，利用光线反射的强弱检测路面信息，产生电平的高低变化，并反馈传感器接收到的信号，经模数转换传输到STM32F103单片机内进行计算分析。设置两个红外传感器的I/O口为浮空输入，通过程序读取I/O口的状态进行判断，最终控制小车在田间路面上沿预设轨迹行走，以实现自动寻迹的功能。

3.1 电机驱动模块

设计采用STM32F103C8T6单片机作为控制系统，负责整个系统的信号处理和协调控制功能，与关联设备共同实现循迹、避障和电机驱动[6]。

考虑到车身质量和药箱质量，需要更大功率的电机驱动模块。经研究，设计采用L298N作为电机驱动模块，电路如图2所示，电机工作表如表1所示。表1的L298N逻辑功能表中展示了使能（EA）、输入引脚1（IN1）以及输入引脚2（IN2）取值不同电平下的运行状态。相较于传统设计常用的L293D直流电机功率较小的弱势，L298N拥有输出电流大、功率强的特点，其输出端可以与单片机直接相连，从而方便地实现单片机控制[7]。

3.2 基于PID算法的红外循迹传感器模块

市面上常见的五路循迹和七路循迹都采用的是传统的红外循迹。这种循迹方式是将模拟量转换成数字量，具有寻线精度差、易偏离轨迹以及寻线速度慢的缺陷。将传统的五路红外循迹改为PID算法的红外循迹，将有效提高寻线的精度。PID算法的红外循迹模块直接通过单片机内部AD采集红外循迹传感器数据，并根据数据PID动态调节舵机角度。它有12位AD位，最大可到212精度，极大地提高了精准度。仿真电路如图3所示。

3.3 避障模块

小车在循迹工作过程中需要避开线路中遇到的障碍物，因此对检测距离和精准度有一定的要求。市面上常用的避障模块有红外避障和超声波避障。两种避障模块的对比情况，如表2所示。相对于红外避障，超声波避障具有精度高、不易受外界干扰的优势。此外，红外避障受循迹过程中障碍物、光照等不确定因素的影响较大。经研究，本设计采用超声波避障[8]。

超声波避障模块选用HC-SR04。此模块性能稳定，测度距离精确，模块精度高，盲区小。采用I/O口的TRIG触发测距，给10 μs的高电平信号后，模块发送方波检测是否有信号返回。当有信号返回时，查看高电平的持续时间来计算测试距离[9]。此外，超声波作为一种物理信号，不仅具有穿透能力好的特点，而且不会对农作物造成伤害，是一种较为理想的选择[10]。

3.4 SIM800模块

循迹农药喷洒车需要与用户建立互动联系。本设计采用SIM800模块，是一款四频GSM/GPRS模块，SM封装，性能稳定，外观小巧，性价比高，能满足客户的多种需求。它配合GPS模块向用户发送当前的位置，调整电压后具备稳定的通信功能。SIM800尺寸为21 mm×24 mm×3 mm，满足循迹农药喷洒小车紧凑型的需求。

循迹农药喷洒小车在收到指令时，可以给用户发送信息。它与GPS配合可以发送小车的当前位置，如图4所示。此外，它可以在发送定位短信的基础上，报告剩余农药量、剩余电量等状态信息，方便操作者更好地管理小车的运行。

3.5 GPS模块电路

GPS模块采用U-BLOX NEO-6M模块，具有体积小巧、性能优异的特点，适用于循迹农药喷洒小车。模块增加放大电路，有利于无缘陶瓷天线快速搜星。模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在EEPROM，使用方便。模块自带SMA（Small A Type）接口，可以连接各种有源天线，适应能力强。模块兼容3.3 V/5 V电压，方便连接各种单片机系统。模块自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据。

温室大棚内的循迹路线受地形和不确定因素的影响较大。地形起伏较大，大石、坑洼、积水以及动物昆虫攻击等都是不确定因素，会影响小车的运行状态，导致车轮空转、翻车等意外险情。若发生小车GPS坐标停滞不动、电动机转速异常等情况，运转系统数据经芯片算法研判断定险情发生时，控制系统将停止喷洒农药，并及时给用户发送短信，报告当前小车的位置信息，以便用户及时处理问题，如图4所示。需要注意，接收到SIM800模块发送的GPS坐标信息后，将坐标经纬度输入定位界面，即可定位当前的小车位置。

4 结语

针对温室大棚，设计了一款基于STM32F103單片机的红外循迹农药喷洒小车。该车尺寸小、灵活性高、可操作性强，能满足温室大棚农药喷洒的作业要求。在红外循迹避障小车的基础上增加了农药喷洒模块，手动调节喷头位置以应对不同高度的农作物，有效提高了农药利用率，避免了人工喷洒农药的毒副作用。此外，循迹避障模块有效保障了小车运行的平稳性。SIM800可以精准传送数据信息，配合GPS及时向用户发送短信定位小车的当前位置，方便用户及时排险或查看小车的状况。

参考文献：

[1]刘德华，张丹慧.新型智能小车的设计研究[J].科技视界，2016（2）：135.

[2]尤天鹏，陈玉玲，苗佳兴，等.基于单片机智能循迹小车的设计与实现[J].品牌，2015（1）：199.

[3]张京开.自走式喷雾装置设计[J].农业工程，2017（增刊1）：19-22.

[4]王亚洲，王靖岳，齐家宝，等.遥控小车喷洒农药装置的研究[J].农村实用技术，2019（2）：55-56.

[5]姜红花，白鹏，刘理民，等.履带自走式果园自动对靶风送喷雾机研究[J].农业机器学报，2016（增刊1）：189-195.

[6]李万义，谢林汐，肖锋，等.基于STM32的智能小车寻迹避障系统硬件设计[J].电子世界，2019（7）：198-199.

[7]陈玲玲，曹忠尉，张烁，等.基于STM32的自动寻迹智能车设计[J].电子测试，2019（17）：26-28.

[8]卢威.智能小车避障系统的设计与实现[D].南昌：南昌大学，2012：9-10.

[9]周东瑶，师文庆，黄江，等.基于STM32的WiFi智能小车控制系统设计[J].装备制造技术，2019（8）：64-67.

[10]张思聪，孔雷蕾，唐湘如.超声波预处理对作物种子及幼苗的影响综述[J].安徽农业科学，2017（21）：19-20.