智能农药喷洒小车设计

何世杰 李豪 覃慧峰 冯志瑞 林枫

（新疆农业大学 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830052）

1 引言

农药喷洒在农作物生长过程中扮演着重要的角色，目前，农村多数使用背负式手（自）动喷洒器，这需要大量的劳动力，且工作效率和农药利用率偏低，对水资源和农药造成了较大的浪费。农民在喷洒过程中如未做好防护措施或超负荷工作很有可能发生农药中毒、中暑事件，对农民的身体造成巨大的伤害，现今网络上报导出来的农民喷洒农药操作不当造成的中毒事件层出不穷。

部分地区也采用了无人机喷洒的方式，但让农民熟练的把无人机操控起来相对较难，无人机还受天气的影响，大雾天和大风天都无法起飞，而且无人机飞行需要很大的空间，在地形复杂区域和大棚内无人机的操作很不稳定，农药的喷洒效果就会很差，往往还会伴随着坠机的风险，破坏农作物和大棚。

针对以上情况，开发了一款智能农药喷洒小车，该设计基于物联网并结合BTN7971、STM32 处理器，其具备智能喷洒、远程监控、信息集成、智能寻线、远程遥控等功能。根本上解决了农民喷洒农药中毒、农药浪费、土壤污染等情况，符合农业现代化的需求。小车功能完整，安全性高，适应能力强，而且还能通过小车的前部摄像头观察农作物的生长状态、病虫害等情况，以便及时调整农药喷洒的剂量，实现了高效率、高精度、高质量的喷洒。

1.1 系统原理设计

根据不同的环境地形，研制了适应不同大小面积、各种地形多变的智能喷洒小车模型。它采用人为遥控控制小车移动与农药喷洒。使用STM32 芯片作为总控制模块，BTM7971 作为驱动模块，BT04 芯片作为蓝牙遥控模块，航模锂电池供电，外加一个喷洒装置。

通过对小车的控制测试，小车用BTN7971 驱动模块，双电机驱动，具有良好的动力，能够携带大量的农药溶液进行喷洒，用3500mAh 航模锂电池进行供电，可以循环充电使用，更加环保经济。小车转向使用双电机驱动左右正反转来实现，所需转向空间较小，更能适应狭小的环境，并且使用了履带设计，能够在复杂的地形移动，并且具有减震功能，操纵简单且移动稳定。其系统原理设计流程框图如图1 所示。

1.2 控制芯片

在智能农药喷洒小车的设计中，使用的模块主要有STM32 模块、BTN7971 驱动模块、双电机、水泵、电源模块、蓝牙BT04 模块。

1.3 主要结构设计

1.3.1 底盘与履带轮

经过查询资料与实际分析，框架选择轻薄又结实的铝合金。考虑要在不同的地形工作，选择履带推进，同时采用双电机驱动与转向，外加了减震装置，提高小车的平稳性。

1.3.2 中央控制

通过各项分析采用了STM32F103RCT6 型号的芯片，此芯片是48 脚，LQFP 封装的STM32 的增强型芯片。芯片工作速度快，性能更高，成本低，功耗低，它不仅有功能强化型外设接口，还提供与其它STM32 微控制器相同的标准接口，提升了应用灵活性。

图1：流程框图

图2：驱动模块结构示意图

图3：流程图

1.3.3 BTN7971 驱动模块

此驱动模块增加了隔离芯片74LS244，提升了信号驱动能力，同时隔离BTN 芯片与STM32 单片机，起到了保护作用，并且带有LM2596_5.0 电源芯片，为74LS244 提供电源，也可以为外部提供5V 的输出，驱动模块转向采用两个电机的占空比实现正反转，BTN7971 驱动模块见图2。

1.3.4 BT04 蓝牙模块

在遥控方面选择BT04 蓝牙模块，模块不仅支持UART 接口，而且支持SPP 蓝牙协议，且成本低、功耗低、体积小节省空间、收发非常灵敏。

2 整体概况

2.1 智能农药喷洒小车结构装置

智能农药喷洒小车主要是由遥控小车与喷洒装置相结合，其工作原理主要是把遥控小车作为载体，带动喷洒装置在棚内进行喷洒作业，使人和农药具有有效的隔离，保证农民的人身安全。

它能够适应多种环境、能控制农药的定点喷洒、减少了劳动力的投入、能够实时监测环境以保证可以实时调整对喷洒装置的控制，达成智能喷洒，智能农药喷洒小车工作流程如图3 所示。

2.2 智能农药喷洒小车优势

2.2.1 履带的接地比压低，保护土壤

用履带作业在旱地避免形成犁底层，保墒防旱；水田防止破坏硬底层，保证水田正常耕作;轮式接地比压是履带的3 倍，试验表明，耕地被轮胎压实后出苗率仅为30%-40%，而履带压实后出苗率仍能达到80%-90%;水田的轮式轮辙更是影响插秧和收割，甚至造成泥脚不断加深而无法耕种。

2.2.2 牵引力大，深翻负重作业优势明显

相同重量的履带的牵引力是轮式的1.4-1.8 倍，牵引效率方面，轮式最大牵引效率是55-65%，履带可达70-80%。

2.2.3 通过性和爬坡能力超强

履带具有良好的抵抗翻倾和下滑的坡地稳定性性，同时还具有转弯半径小的机动性、爬坡能力强的越野性等特点，对于山区和丘陵地带的农田、梯田作业比轮子有更好的适应性，尤其是配装橡胶履带后，属于全地形的作业机械。

2.2.4 小车每个负重轮都配有一个弹簧减震器

保证小车运行的更加稳定，弹簧减震器造价低，适用范围广，结构紧凑，体积小，安装更换方便，使用安全可靠，使用寿命长。

2.2.5 74 LS244 驱动模块

现在使用的一般是MOS 管，但综合来说BTN7971 虽然只是半桥，但是驱动比较方便，MOS 管驱动麻烦，而且BTN7971 的外围芯片较MOS 管使用较少，BTN7971 的输出电流较高，芯片耐压也较高。BTN7971 广泛运用各种机械马达驱动，各种航模车模，高校智能机器人比赛，控制信号兼容3.3-5.5V，通常采用单片机控制，其内置隔离芯片，有助于保护单片机I/O 口，采用双面覆铜，有助于散热。

2.2.6 BT04 蓝牙模块

BT04 遵循V3.0 蓝牙规范，它支持UART 接口，并支持SPP蓝牙串口协议，只需配备少许外围元件就能实现其功能。它可以与PC 机的蓝牙设备相连，还可以2 个模块之间数据互通。

2.2.7 CCD 巡线功能

设计的小车可以自主巡线进行农药的喷洒，也可以根据使用者的控制较为灵活的前进、后退、转向等操作。在农药喷洒过程中尽可能的避免了人与农药的直接接触，降低施药人员的危险。

3 实验验证

3.1 远程精准操控验证

用20 种大小不一的绿植替换农作物，将绿植设计成一条道路，该路有8 个角度不一的拐角和3 个不同程度的狭隘道路，操控人员在10 米外背向实验场地进行远程精准操控验证（操控者是现场随机抽取的无操控经验人员，经10 分钟的简单培训后进行实验验证）。详细步骤如下：

（1）将20 种大小不一的绿植按照实验要求在6m×6m 的场地上进行摆放；

（2）开启小车电源，操控者用APP 连接小车并在20 米外背向实验场地做好准备工作；

（3）将小车放在始发点，操控员控制小车穿过实验道路，记录员记录下小车过弯和狭隘路的成功率；

（4）改变道路的形状、弯度大小和狭隘路的位置，并重复（3）的实验步骤，对该验证做15 次实验，减少小概率偶然事件对实验的影响，提高实验验证的可靠性与科学性。

3.2 CCD巡线成功率验证

验证该功能使用是在实验场地画引导线运行CCD 巡线。首先在6m×6m 的空旷场地画不规则的路线，将智能小车放于引导线始端，然后开启BTN7971 驱动模块和CCD 巡线模式，观察其运动轨迹和偏离引导线的情况。此操作需重复进行15 次，才具备说服力。在验证过程中可以观察到当智能小车向左侧偏离引导线时，智能小车左侧履带会加速运行，自动向右调整，保持智能小车CCD 巡线的精准进行。当总的偏离率小于5%时则认为智能小车CCD 巡线功能正常。

3.3 药物用量控制验证

用20 种大小不一的绿植进行蕴物用量控制验证，小车工作过程中用前部摄像头观察农作物的生长周期、生长状态、病虫害等情况，手动调整农药喷洒量，或通过小车前进的速度控制农药喷洒量。这样一来就实现了体积大的绿植所喷洒得到农药多，而体积小的绿植喷洒得到农药少，这足以证明使用此方法控制药物用量有效。

4 结语

该智能小车结合实际，从农民和设计者的角度出发，符合《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》，对新发展阶段优先发展农业农村、全面推进乡村振兴战略的总体部署具有促进作用。智车小车主要有两大特点：一是操作方面简单，BTN7971 模块和CCD 巡线模式使农民操作起来更加方便，能提高工作质量和效率；二是能精准控制药物的用量，减少药物的浪费，避免土壤和空气的污染。小车实现了智能化和系统化，对农业现代化的发展提供了重要的参考价值。