一种基于超声波的葡萄园智能喷雾控制系统的研究

黄吉武

摘 要：本文介绍一种基于超声波的葡萄园智能喷雾控制系统，能自动完成距离测控，智能喷雾，实时监测等，可实现喷雾过程的自动化。本系统分别从硬件和软件两大部分进行设计构建，硬件上基于单片机为核心的电路和车载平台，软件上基于增量式PID控制算法的控制算法，适用葡萄园不同特征变量的植株的高效节约的喷雾。

关键词：智能喷雾；单片机；增量式PID控制算法；高效节约的喷雾

农作物的灌溉和喷雾技术在当代中国农业生产中发挥着极其重要的作用。与一些发达国家相比，我国农业的自控喷雾效率还是相当低的，资源浪费相当严重。大部分地区还是采用传统的人工喷雾或效率不高的机械喷雾，不能很好的实现农药的有效利用。目前我国喷药利用率只有40%左右，而发达国家的喷药利用率可达到80%-90%，如果采用先进的灌溉技术，将我国的喷药利用率提高到60%一70%，这样可以很大程度上节省了很多的农药和水资源。以农药和水源的可持续利用促进经济社会的可持续发展。

一、葡萄园智能喷雾车载平台结构

本系统运行的车载平台部分设计如图1。整个喷雾平台是安建于一个小型农用四驱车上。核心部分为该系统的心脏-喷雾控制器，喷杆上每隔50cm装一个超声波检测器及相应的安装一个雾化喷头，采用了四路采集葡萄植株的特征变量（高度，行距），三路采集反馈信号（喷雾流量，喷速，水压），四路雾化喷水对目标葡萄植株进行高效节约稳定的喷雾。另外包括了喷雾底座、水泵水箱一体机及其他支撑平台的合理设计，让整个系统和结构都能稳定高效的运行和工作。

二、葡萄园智能喷雾控制系统的原理

本系统的控制原理如图2示。四路超声波传感器采集到目标植株的特征变量并将数据传送到从机MCU即信号采集单元，从机MCU再将数据进行滤波降噪等处理后经过RS485通讯传送到主机MCU即逻辑与算法执行单元。主机MCU通过逻辑判断和算法分析之后，调整车载平台的姿态和四路电磁水阀的开通状态，对目标植株的有效部位进行智能喷雾，同时三路反馈传感器采集喷雾的流量，水速和压力等状态，并将反馈信号反馈回从机MCU，从而智能地控制水阀的工作状态，合理地调节喷雾的水量和水速，达到节约资源的效果。

三、算法和逻辑的程序实现

1.数据采集和处理

本系统所采用的超声波传感器和三路反馈传感器的数据存在很大的杂波和温飘问题，只有经过滤波降噪处理才能准确的测量和利用。本系统针对传感器数据的处理采用了滑动平均滤波法。滑动平均滤波法又称递推平均滤波法，程序实现如下：连续取 N 个采样值看成一个循环队列，队列的长度固定为 N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一个数据（先进先出原则），滤波器每次输出的数据总是当前队列中的 N 个数据的算术平均值。该办法适用于高频振荡的系统，对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高。

2.系统的逻辑判断

喷杆上每隔50cm安装一个超声波检测器，对目标植株不同高度部位进行检测，识别出喷雾有效部位，例如当顶层的超声波检测器采集到距离前方植株的距离为50cm，即默认为植株高为2cm，则应该开启最顶层的电磁水阀对该植株进行喷雾。

3.系统控制算法

本系统采用的智能控制算法为增量式的PID反馈控制算法。增量式PID控制，数字PID控制算法的一种基本形式，是通过对控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）进行PID控制的一种控制算法。增量式PID控制根据位置式PID控制公式，写出n-1时刻的控制量：

具体而言，设置水阀的一个初始阈值M0，水阀的当前实时值为M1，历史值为M2，则n-1刻的误差增量为e[n-1]=（M1-M0），历史n-2时刻误差e[n-2]=（M2-M0）；分别对比例，微分，积分的参数进行整定，使出水阀的控制状态稳定在初始阈值M0.注意这里的实时值和历史值均由反馈传感器采集而得。

四、系统最终达到的理想效果

A.超声波能快速精准识别目标植株的特征（高度，位置）；

B.车载平台可以行使到刚好距离目标植株50cm的正中央处；

C.4路电磁阀可以根据对应超声波识别的结果灵活的开闭；

D.触摸屏可以实时显示当前系统运行的各种状态，包括喷水状态，车载平台的姿态，以及各路传感器的数据等。

通过流量，速度，压力三者反馈的信号，主机MCU可以快速稳定的控制电磁阀的状态，控制出水量和喷水速度。

E.喷雾时间可以自定义，但不宜过长和过短。超过喷雾时间可以马上关闭电磁阀。

F.实现触摸屏与MCU的双向通信。用户可以直接通过触摸屏直接在平台上调试和操作。也可以在触摸屏看到基本的数据和信息。

五、结语

该葡萄园喷雾智能控制系统属于农业喷灌自控领域的一种智能系统。通过车载平台的运行支持，严谨的逻辑判断，可靠的核心算法，以及稳定的电源电路组成的整个基于超声波的葡萄园智能喷雾控制系統，弥补了我国喷灌技术的不足，有效的提高了喷雾的效率和速度，并且节约了宝贵的资源，是具有强大潜力和美好前景的一种系统。

参考文献：

[1] 王俊.变量喷雾系统喷雾质量控制研究及喷头设计[D].北京：中国农业大学，2007.

[2] 胡寿松.自动控制原理（第六版）：科学出版社，2013.

[3] 王劲松等.智能喷药系统的设计.中国科技论文在线，2009.

[4] 奚杏生. 我国植保机械生产概况.endprint