摘 要：針對現(xiàn)有農(nóng)藥自動(dòng)噴灑裝置存在嚴(yán)重的農(nóng)藥浪費(fèi)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一款以STM32為主控MCU，基于圖像識(shí)別可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑的裝置。用戶將該裝置放到指定位置后，通過下達(dá)開始指令，攝像頭開始旋轉(zhuǎn)，圖像識(shí)別模塊對待噴灑物體進(jìn)行圖像抓??；抓取成功后利用串口通信將數(shù)據(jù)傳遞回STM32，STM32根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)控制水泵的通斷、伸縮桿的高低、噴頭的角度；最后根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向感應(yīng)模塊測得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴頭的角度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化噴灑。本裝置通過引入智能化設(shè)備和技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化噴灑，以減少農(nóng)藥使用和農(nóng)藥殘留，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加科學(xué)、高效、可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能化技術(shù)；農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑；自動(dòng)化；圖像識(shí)別；風(fēng)速風(fēng)向感應(yīng)；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-03

0 引 言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)也在迅速擴(kuò)展。自動(dòng)化機(jī)械噴灑是我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要農(nóng)藥噴灑方式，同時(shí)農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑問題已成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。目前，我國對農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑控制系統(tǒng)的開發(fā)相對滯后，特別是在農(nóng)藥的使用效率和農(nóng)藥噴灑裝置方面有待進(jìn)一步研究。以往操作人員在進(jìn)行噴藥作業(yè)之前，總是用肉眼判斷農(nóng)作物的病蟲害情況，這不僅不能準(zhǔn)確地獲取農(nóng)作物的病蟲害狀況，還會(huì)存在農(nóng)藥浪費(fèi)及食品污染等一系列問題[1-3]。針對上述問題，本文在已有研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款基于機(jī)器視覺技術(shù)與風(fēng)向感應(yīng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)藥噴施裝置。

目前，現(xiàn)有的農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑多采用單一的機(jī)器人視覺技術(shù)[4-8]，并未與風(fēng)速風(fēng)向傳感模塊相結(jié)合。進(jìn)行噴灑作業(yè)時(shí)，也未參考當(dāng)時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向，容易造成農(nóng)藥的大量浪費(fèi)。

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于，借助STM32將K210攝像頭AI視覺模塊[9-10]和超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)合到自動(dòng)農(nóng)藥噴灑裝置上，可以實(shí)時(shí)調(diào)整噴灑裝置與待噴灑樹木的角度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文基于STM32設(shè)計(jì)了能夠精準(zhǔn)噴灑的農(nóng)藥自動(dòng)噴灑裝置。該裝置包括噴灑車運(yùn)動(dòng)模塊、電源模塊、K210 AI視覺模塊、超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感模塊、抽水模塊、定點(diǎn)噴灑模塊。本系統(tǒng)通過搖桿控制小車運(yùn)動(dòng)，并用K210檢測周圍環(huán)境樹干分布信息，及時(shí)調(diào)整伸縮桿與噴槍的角度，最后利用風(fēng)速風(fēng)向傳感模塊檢測到的風(fēng)向、風(fēng)量、氣壓等信息，通過485轉(zhuǎn)232及時(shí)傳回STM32，在STM32中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過PWM控制噴槍角度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化噴灑。系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。機(jī)身大體呈長方體，從前到后依次是移動(dòng)底盤、風(fēng)速風(fēng)向感應(yīng)器、電源、水箱、水泵、伸縮桿、舵機(jī)、噴槍、攝像頭。移動(dòng)底盤呈長方體樣式，可以更好地承重。將圖像識(shí)別模塊置于伸縮桿上方可以更好地觀測待噴灑物體信息。將舵機(jī)安裝在伸縮桿上方并與噴槍結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)上、下、左、右四個(gè)方向的靈活調(diào)節(jié)。該裝置與K210相連接，有助于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑功能。將超聲波風(fēng)速風(fēng)向感應(yīng)模塊放置在小車前端開闊的地方，沒有水箱的阻擋能夠精準(zhǔn)地測量當(dāng)時(shí)的風(fēng)量風(fēng)速等信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

噴灑車硬件主要由電源模塊、K210 AI視覺模塊、超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感模塊、抽水模塊、定點(diǎn)噴灑模塊、主控模塊組成。

2.1 主控模塊

主控模塊[11]選擇STM32。相較于其他單片機(jī)，STM32具有高性能、豐富的外設(shè)、豐富的軟件支持等優(yōu)勢。STM32系列單片機(jī)采用ARM Cortex-M內(nèi)核，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，能夠滿足復(fù)雜應(yīng)用的需求。STM32單片機(jī)集成了豐富的外設(shè)，包括通用定時(shí)器、串行通信接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等，可充分滿足圖像識(shí)別模塊的開發(fā)需求。STM32微控制器[7]內(nèi)置多個(gè)時(shí)鐘源和定時(shí)器模塊，用于生成各種時(shí)序信號、定時(shí)器中斷、PWM輸出等功能，可實(shí)時(shí)控制攝像頭活動(dòng)抓取物體圖像。STM32微控制器通常還包含模擬外設(shè)，如ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、比較器等，能夠處理各種模擬信號，對K210反饋的信號也能及時(shí)做出回應(yīng)。

2.2 電源模塊

電源模塊采用12 V 9AH/20HR康爾達(dá)閥控式鉛酸蓄電池。該電池采用恒壓充電方式，恒壓充電方式可以根據(jù)電池的狀態(tài)和充電情況自動(dòng)調(diào)整充電電流，從而控制充電速度，確保電池充電過程穩(wěn)定、高效，且恒壓充電方式可以有效地保護(hù)電池免于過充的風(fēng)險(xiǎn)。一旦電池的充電電流下降到一個(gè)很小的值，充電器會(huì)停止提供恒定的充電電壓，從而避免電池過充，延長電池的使用壽命。另外較快的充電速度能夠使噴灑裝置的工作時(shí)間延長，獲得更長的待機(jī)時(shí)間。

2.3 圖像識(shí)別模塊

圖像識(shí)別模塊選擇K210攝像頭AI視覺模塊。K210的工作電壓范圍為1.8～3.3 V，STM32微控制器的工作電壓范圍通常為1.8～3.6 V。K210可不經(jīng)過降壓模塊直接與STM32微控制器連接。

K210作為一款人工智能處理器，可以用于進(jìn)行物體圖像的處理和分析，包括目標(biāo)檢測、物體識(shí)別等任務(wù)。通過在K210上部署適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以實(shí)現(xiàn)對物體圖像的識(shí)別和分類。雖然K210可以進(jìn)行物體圖像的處理和分析，但要實(shí)現(xiàn)物體的抓取功能，還需要結(jié)合其他硬件設(shè)備，所以在K210下方與舵機(jī)相連，通過舵機(jī)移動(dòng)K210的位置來實(shí)現(xiàn)對物體的實(shí)時(shí)抓取。

K210與主控STM32模塊連接。K210的UART TX引腳連接到STM32的PA10（RX）引腳，K210的UART RX引腳連接到STM32的USART1 PA9（TX）引腳。K210的UART RTS（請求發(fā)送）引腳連接到STM32的UART CTS（清除發(fā)送）引腳，用于硬件流控制。

2.4 風(fēng)速風(fēng)向傳感模塊

超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感模塊可通過對當(dāng)前環(huán)境風(fēng)速風(fēng)量的測量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴槍角度，輔助圖像識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑。超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感模塊還可通過對當(dāng)前環(huán)境信息的采集獲得當(dāng)時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等信息，將采集到的數(shù)據(jù)采用串口通信方式傳輸。首先通過RS 485模塊將RS 485信號轉(zhuǎn)換為RS 232信號，再將RS 485的發(fā)送線連接到STM32的PB10引腳，接收線連接到PB11引腳，以實(shí)現(xiàn)RS 485通信。

2.5 抽水模塊

采用12 V隔膜水泵，水泵泵體采用靜音膠墊，防震效果好。配套大電流DC母座接口確保大電流通過，通過大電流確保大流量。自帶無級調(diào)速開關(guān)，壓力、流量大小可調(diào)，還可以調(diào)節(jié)水泵低速工作以延長壽命，降低噪音。

產(chǎn)品參數(shù)：電壓為12 V，流量為8 L/min，水管內(nèi)外徑規(guī)格為10 mm×12 mm，水泵尺寸為11 cm×15 cm，可連續(xù)工作4 h，實(shí)現(xiàn)超長續(xù)航。

2.6 定點(diǎn)噴灑模塊

定點(diǎn)噴灑模塊由噴槍與舵機(jī)共同組成。本文中噴頭選用農(nóng)用打藥機(jī)高壓水槍，水槍為不銹鋼材質(zhì)，并具有可調(diào)節(jié)噴霧的功能。通過調(diào)節(jié)手柄，可控制出水模式以及調(diào)整霧化程度，具有霧化細(xì)膩、噴射距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。另外，還帶有手柄部分，便于安裝固定。舵機(jī)采用DS5160舵機(jī)，工作電壓為6 V，可直接與STM32連接，且具有180°大扭矩，角度可控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，使用PWM（脈沖寬度調(diào)制）功能控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)K210左右兩個(gè)方向?qū)ν饨缥矬w的抓取，完成圖像識(shí)別功能。識(shí)別成功后STM32通過串行通信的方式對K210采集到的農(nóng)作物信息進(jìn)行整理分析；然后通過調(diào)節(jié)伸縮桿的高度來實(shí)現(xiàn)初步定位，再通過風(fēng)速風(fēng)向感應(yīng)模塊來獲取當(dāng)時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向信息，將收集到的信息通過RS 485轉(zhuǎn)為RS 232信號并傳輸?shù)絊TM32；最后經(jīng)過信號處理反饋到控制噴槍的舵機(jī)上，實(shí)現(xiàn)角度微調(diào)，完成精準(zhǔn)噴灑。軟件程序流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行

將程序?qū)隨TM32后接通電源系統(tǒng)開始工作，此時(shí)攝像頭開始旋轉(zhuǎn)，K210模塊開始尋找待測目標(biāo)信息，風(fēng)速風(fēng)向傳感器指示燈亮起，檢測到待噴灑農(nóng)作物的信息時(shí)伸縮桿調(diào)節(jié)上下位置，噴槍舵機(jī)也開始轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)噴槍，待穩(wěn)定后水泵開始工作。

4.2 程序數(shù)據(jù)調(diào)試

通過在不同環(huán)境條件下的調(diào)試測試發(fā)現(xiàn)，設(shè)備舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、圖像識(shí)別穩(wěn)定、噴槍角度調(diào)節(jié)精準(zhǔn)、水泵壓力足夠、續(xù)航時(shí)間長，可完成多種小型草本、木本的噴灑工作。

5 結(jié) 語

本文以STM32F103C8T6為主控芯片，該芯片強(qiáng)大的ARM Cortex-M內(nèi)核使其具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，能夠滿足各種復(fù)雜應(yīng)用的精準(zhǔn)噴灑需求。在圖像精準(zhǔn)識(shí)別部分，基于圖像識(shí)別技術(shù)對目標(biāo)作物進(jìn)行信息收集，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位；同時(shí)又以風(fēng)速風(fēng)向傳感技術(shù)為輔助，兩技術(shù)交替配合、相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑、智能化噴灑；此外超強(qiáng)續(xù)航的電池可為噴灑裝置提供超長待機(jī)時(shí)間，從而提高工作效率。

在實(shí)際作業(yè)過程中，自動(dòng)噴灑系統(tǒng)可以根據(jù)作物生長的實(shí)際需求和病蟲害情況，精準(zhǔn)控制農(nóng)藥的噴灑量和噴灑位置，避免浪費(fèi)和過量使用農(nóng)藥，減少對環(huán)境的污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。期望本文研究能為農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑問題提供新的解決思路。

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