杏彩体育官网入口:基于dsp的智能喷药系统设计

产品介绍

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　　我国是农业大国，因此做好对农业的现代化是非常重要的。随着我国现代化进程的不断加快，农业的现代化也有了一定的发展。农业现代化就是用现代生产手段和现代技 术逐步装备农业的过程。在当今电子技术的突飞猛进发展下，电子技术尤其是嵌入式技 术正逐步的应用在农业现代化上。本文正是以此为依托，设计了针对大面积葡萄种植过 程中的农药自适应式喷洒。 针对我国传统低效的篱架型果园喷药过程，我们设计了结合现代嵌入式系统和多路 传感器信号融合技术来解决喷药过程中效率低、药物浪费以及环境污染的智能喷药系统 。本智能喷药系统中包括了用于智能控制的￥３Ｃ２４１０处理器、用于图像采 集和处理的ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２处理器以及多路传感器信号采集融合的ＴＭＳ３２０Ｆ２８０６处理 器，通过不同的通信协议将三个处理器有机的结合起来以控制下层动作机构的实时智能 动作，从而完成对篱架型作物的自适应喷药。 本文通过对国内外篱架型作物喷药系统的现状展开，首先介绍了篱架型智能喷药系 统的意义以及嵌入式系统应用在农业领域的优点，从整体上介绍了本智能喷药系 统的实现可行性；其次重点介绍了基于ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２的视觉处理技术在硬件平 台的实现和对葡萄叶子稀疏度提取的图像处理算法的实现；然后论述了多路传感器信号 的采集和处理，并且对驱动电路的设计做了说明；最后主要是对整个系统的通信协议和 自适应式的控制方法做了详细的论述，在文章的结尾还对本系统提出了比较有建设性的 结论和建议。 关键词：智能喷药，嵌入式系统，图像处理，自适应控制 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｈｉｎａｉｓ ｌａｒｇｅａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｃｏｕｎｔｒｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ＇ｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄｏｗｅｌｌ ｍｏｄｅｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ．Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆｏｕｒ ｃｏｕｎｔ巧 ｍｏｄｅｍｉｚａｔｉｏｎ，ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎｈａｓｉｓ ａｌｓｏ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ．Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍｏｄｅｍｉｚａｔｉｏｎｉｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙｅｑｕｉｐａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｂｙｕｓｉｎｇｍｏｄｅｍ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ． Ｗｉｔｈ ｔｏｄａｙ’ｓａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｔ ｇｒａｄｕａｌｌｙｂｅｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ ｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅ ｉｄｅａｓｗｈｌｃｈｄｅｓｌｇｎｓ ｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｐｒａｙｉｎｇｉｎｓｅｃｔｉｃｉｄｅｓａｓａｎ ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒａ ｌ盯ｇｅ ｓｃａｌｅ ｇｒａｐｅｇｒｏｗｉｎｇａｒｅａｓ． Ｗｉｔｈｔｈｅｖｉｅｗｏｆｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｒｃｈａｒｄ ｓｐｒａｙｉｎｇｔｒｅｌｌｉｓｅｄ，、ｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄａｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｐｒａｙｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｕｓｉｎｇ ａｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｍｏｄｅｍｅｍｂｅｄｄｅｄｓＶｓｔｅｍｓａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｓｅｎｓｏｒ ｓｉｇｎａｌ ｆｕｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｓｐｒａｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｄｒｕｇｗａｓｔｅ ａＩｌｄｅｎＶｌｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｙｐｅ．Ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｐｒａｙｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃｏｍｒ０１１ｅｒ ｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｈｒｅｅ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ｎａｍｅｌｙ￥３Ｃ２４ １０ｆｏｒ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ，ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２ｆｏｒ ｌｍａｇｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄＴＭＳ３２０Ｆ２８０６ｆｏｒｍｕｌｔｉ．ｓｅｎｓｏｒ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｌｏｎ。Ｔｈｅｓｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ ａｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，ｔｈｕｓｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ陀ａｌｔｉｍｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｈｅｔｒｅｌｌｉｓｅｄ ｔｙｐｅ ｃｒｏｐｓ． Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｔａｒｔｆｒｏｍｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎｔｒｅｌｌｉｓｅｄ ｔｙｐｅｃｒｏｐｓ ｓｐｒａｙｍｇｓｙｓｔｅｍ，ｆｉｒｓｔｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｏｆｔｒｅｌｌｉｓｅｄ ｔｙｐｅｓｐｒａｙｉｎｇｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｓｌｇｎｉｆｉｃａｎｃｅａｎｄｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｅｄｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｏｖｅｒａｌｌｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｈｌｓＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｔｍｃｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｖｉｓ砌ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈ功ＤｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎＴＭＳ３２０ＤＭ６４２ｉｎｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｇｒａｐｅｌｅａＶｅｓ ｓｐａｒｓｅｄｅｇｒｅｅｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌｓｅｎｓｏｒ ｓｉｇｎａｌｃｏｉｌｅｃｔｉｏｎａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｍｇ，ａｎｄｔｏｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｔｈｅｄｒｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ．Ｆｉｎａｌｌｙｄｏｅｓａｄｅｔａｉｌｅｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎａｂｏｕｔ ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ａｄａｐｔｉｖｅｔｙｐｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｔ ｔｈｅｅｎｄ ｏｆｔｈｅａｒｔｉｃｌｅａｌｓｏ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄａｍｏｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｎｄｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｐｒａｙｉｎｇ，ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 农业科技是农业现代化的重要支撑。近年来，我国农业科技迅速发展，农机化加速 推进，支撑能力明显增强。但２００９年农业科技进步贡献率仍只有５１％，农业耕种收综 合机械化率仅为４９％，远低于发达国家水平【ＪＪ。因此，利用现代科学技术发展我国的农 业技术，特别是农业机械植保这个农业科技的重要载体具有重要的意义。 １．１智能喷药的国内外现状 １．１．１国外现状 从２０世纪中期开始，西方一些发达的农业国家就已经逐步发展形成了以大农场为 主的专业化、系列化、规模化经营，农业的机械化和自动化程度得到了很大的发展１２Ｊ。 这些机械化和自动化的程度主要表现在多学科知识的综合运用上。伴随着现代信息技 术、现代微电子技术、仪器及控制技术等现代高科技技术在农业中的广泛应用，并且朝 着智能化、光机电一体化的方向快速的发展，实现了病虫害防治的高质量、高效率和低 成本以及安全舒适的操作环境。 这些现代技术的应用表现在喷药技术的各个环节上。这主要表现在：一、重视发展 低量喷雾技术，所谓低量喷雾是指单位面积叶面农药量在不变的前提下减少农药原液的 稀释倍数，并且通过小雾滴的良好穿透性来使叶面的药物总量不改变的一种方法。针对 不同的作业对象和工作环境专门研究了一系列的低量喷头，从而在根本上减少了农药的 浪费。欧美等国已经有了专门的生产系列化低量喷头的大公司，比较有名的如美国的喷 雾系统公司、德国的Ｌｅｃｈｌｅｒ公司、丹麦的哈迪公司等。二、积极采用机电一体化的技 术，将智能控制技术和微电子技术紧密结合起来，把喷药机械的喷杆距离、载体行进速 度、药液量等模拟量通过各种传感器采集并显示在屏幕上实现实时的控制，系统再通过 智能的控制算法对喷药作业进行及时的调整和控制，提高了喷药的效率同时也更加直接 的显示了作业过程的参数。这种技术主要是利用了机械装置、传感器技术和主控芯片有 机的结合起来来实现的。三、采用自动对靶施药技术，在国外的发展过程中这种技术主 要是通过两种途径来实现的，一种是基于嵌入式技术发展的视觉采集技术，通过摄像头 采集施药对象后做进一步的图像处理，从而分辨出目标对象和干扰对象以达到对目标对 象进行精确施药。另外一种是采用叶色素光学传感器技术，该技术的核心是由独特的叶 色素光学传感器、控制电路和一个阀体组成１３】。四、防止药液的漂移，它是指在施药过 程中尽量避免外界环境对药液从喷头送到农作物叶子上的影响，从而提高药物的附着率 第～章绪论 并且减少了农药的流失和药液对环境的污染。发达的农业国家在这方面的技术成熟度上 主要体现在采用了风幕技术、防漂喷头、静电喷雾技术和雾滴回收技术等。据美国的有 关数据表明，仅仅使用静电技术就可以可以减少药液损失达６５％以上【３】。五、采用小型 飞机喷洒技术。六、ＧＩＳ和ＧＰＳ技术在喷药系统中的应用。 从上面对国外用到喷雾技术的概述，总的来说是从单一简单的学科向多学科高级学 科的融合过程。然而我国在这方面的起步比较晚，要想赶上发达国家还有一个很长的过 程。我国的施药和植保机械技术大概从２０世纪３０年始【２】，到了新中国成立后才有 了一定程度的发展，为发展适合我国特有的农业生产模式打下了基础。但是从总体上来 讲，现在的施药技术和植保机械性能已经远远不能满足我国当今农业的生产和对环境保 护的要求。 １．１．２国内现状 虽然我国在精确施药方面起步晚于西方发达的农业大国，但是随着我国近几年加大 了与国外的学习交流，在此方面也有了很大的发展，设计了一些符合我国农业特征的现 代化、高度集成的精密施药设备。 南京林业大学的赵茂程等设计了一种基于树木特征图象的农药实时精确对靶可变 量喷雾控制系统１４１。该系统最主要的特点是利用了ＣＣＤ的摄像头对树木标靶进行了采 集，通过对采集的图像信息进行分析后，由主控芯片控制喷头进行精确的对靶喷雾。此 系统中的变量喷雾控制主要包括两个方面的控制和反馈，分别是喷雾控制和反馈系统以 及流量控制和反馈系统，通过这两组反馈系统可以实现对喷头状态的实时调整。 南京农业大学邓巍等人开发了基于ＰＷＭ技术的连续式变量喷雾装置设计，它是通 过调节电磁比例调节阀来实现精密施药过程【５】。此种喷雾流量控制装置的流量调节范围 很宽，流量的变化对雾滴粒径谱的影响较小，实现了电子装置电路产生控制设备所需的 驱动信号而且还可以与典型农用喷雾喷嘴头相兼容。 何雄奎等研制的果园自动对靶静电喷雾机，使用了红外传感探测技术和静电喷雾技 术【６】。红外传感探测技术来实现自动对靶控制喷雾，红外技术是用来判断靶标的有无。 通过这种自动控制方法改变了传统的连续喷雾，这样大大的节省了药液。同时应用高压 静电使药液喷雾带电，带电的喷雾滴可以很好的附着在靶标上提高了药液的沉积率。自 动对靶静电喷雾系统的原理图如图１．１所示。 植株探测器植株探测器 图１．１ 自动对靶静电喷雾系统 虽然近年来我国在这方面取得了一定的发展，但是从农业植保整个发展来说还存在 着很大的缺陷，这主要表现在以下几方面： 施药植保机械和施药技术没有很好的有机结合起来，没有最大程度化的发挥两者的作用； 植保机械和施药技术比较简单落后； 产品没有形成系列化、专业化； 产品开发滞后，开发周期过。