劉雙喜　范連祥　李現(xiàn)道等

摘要：為解決煙草種植過程中人工澆水成本高、勞動強(qiáng)度大、水資源浪費嚴(yán)重等問題，設(shè)計了一種基于ARM系統(tǒng)的煙草智能定量澆水機(jī)，該機(jī)可實現(xiàn)煙草的自動化定量澆水。煙草智能定量澆水機(jī)主要由行走系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)、光箱、電磁閥等組成。該機(jī)在行走系統(tǒng)作用下前進(jìn)時，由攝像頭檢測壟上煙草位置，將采集的數(shù)據(jù)傳遞給ARM系統(tǒng)，ARM系統(tǒng)再向電磁閥控制電路輸出一個控制信號，控制電磁閥打開，完成澆水作業(yè)。通過ARM系統(tǒng)中的程序控制電磁閥打開時間的長短，從而確定澆水量。試驗結(jié)果表明，煙草智能定量澆水機(jī)的檢測準(zhǔn)確率為98%，澆水準(zhǔn)確率為97%，效果能夠滿足煙草栽培管理的農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：煙草；澆水機(jī)；檢測；控制；定量

中圖分類號：S274.4 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2015）01-0124-06

Abstract In order to solve the problems present in tobacco planting process such as high cost of artificial watering， large labor intensity and serious waste of water resource， a kind of tobacco intelligent quantitative watering machine based on the ARM system was designed. This machine could complete the automatic and quantitative tobacco watering. This machine consists of walking system， detection and control system， light box and electromagnetic valve. When the watering machine moved forward controlled by the walking system， the camera detected the position of tobacco plant on the ridge and transferred the data to the ARM system， and then the ARM system outputted a control signal to the control circuit of electromagnetic valve to open the electromagnetic valve and complete the watering operation. The programs in the ARM system could determine the watering quantity by controlling the opening time of electromagnetic valve. The test results showed that the detection accuracy of tobacco intelligent quantitative watering machine reached to 98%， and the watering accuracy reached to 97%， so it could meet the agronomic requirements of tobacco cultivation.

Key words Tobacco； Watering machine； Detection； Control； Quantification

煙草是我國主要經(jīng)濟(jì)作物之一，種植煙草已成為增加農(nóng)民收入和財政稅收的重要組成部分[1]。在煙草的生長期間，水分直接影響著煙草的生長發(fā)育、生理生化代謝以及產(chǎn)量和品質(zhì)[2～5]，適時、適量的澆水是保證煙農(nóng)獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)煙葉的重要環(huán)節(jié)。

目前，以美國、日本為代表的煙草生產(chǎn)技術(shù)發(fā)達(dá)國家，其煙草田間管理已基本實現(xiàn)高度機(jī)械化[6]。如美國移栽機(jī)公司（Mechanical Transplanter）生產(chǎn)的吊杯式膜上移栽機(jī)，作業(yè)時能完成膜上移栽、注水、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)，由于對育草的要求低，因此在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用；但由于采用四桿機(jī)構(gòu)吊杯，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。加拿大研制的煙葉“轉(zhuǎn)植機(jī)”可實現(xiàn)集挖穴、栽煙、澆水、施肥、封土為一體，但需要的人力較多。日本文明農(nóng)機(jī)公司生產(chǎn)的AP—1型煙草田間管理車與其他配件組合后，可以較好地完成田間管理作業(yè)[7]。雖然國外的煙草種植機(jī)械化程度較高，但針對澆水這一項作業(yè)還沒有專門的成品機(jī)械來完成。

我國的煙草機(jī)械還處在起步階段，特別是在澆水這一環(huán)節(jié)費時費力，大多數(shù)地方還是以人工或畜力為主，機(jī)械化程度低，無法做到按需澆水，既浪費了水資源，又無法將澆水量控制在煙草生長所需要的最佳范圍。因此，實現(xiàn)煙草的機(jī)械化、自動化澆水是保障煙農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益的有效措施。

針對這一現(xiàn)象，筆者研制出一種基于ARM控制系統(tǒng)的煙草智能定量澆水機(jī)，該機(jī)可實現(xiàn)煙草的自動化定量澆水。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

煙草智能定量澆水機(jī)采用自走式，主要由行走系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)、光箱、電磁閥等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光箱通過光箱懸掛架固定在澆水機(jī)后方，檢測控制系統(tǒng)安裝在光箱上方，儲水罐固定在光箱后方中間位置，其底部與電磁閥相連。

1.2 工作原理

澆水前，首先調(diào)正煙草智能定量澆水機(jī)，使攝像頭位于煙壟中心線正上方。調(diào)節(jié)光箱懸掛架使光箱在機(jī)器行進(jìn)過程中不碰觸煙草，且能隔絕外界大部分光線。endprint

煙草智能定量澆水機(jī)工作時，打開行走離合，變速箱將來自發(fā)動機(jī)的動力傳遞給行走機(jī)架，從而帶動澆水機(jī)的前進(jìn)。打開ARM系統(tǒng)開關(guān)和潛水泵開關(guān)，安裝在ARM系統(tǒng)上的攝像頭在行走過程中檢測煙草位置，獲取圖像數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳遞給ARM系統(tǒng)，ARM系統(tǒng)將攝像頭取得的數(shù)據(jù)與原始設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍作比較，如果攝像頭所獲取的數(shù)據(jù)在所設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，則認(rèn)為檢測到煙草位置。此后ARM系統(tǒng)將向電磁閥控制電路輸出一個持續(xù)時間固定的低電平信號，電磁閥控制電路接收到該信號后，電路中繼電器電控開關(guān)閉合，電磁閥得電導(dǎo)通，開始澆水；當(dāng)?shù)碗娖叫盘柦Y(jié)束后，繼電器電控開關(guān)斷開，電磁閥斷電關(guān)閉，結(jié)束澆水。

澆水量可以通過電磁閥打開的時間長短來控制，電磁閥打開時間通過ARM系統(tǒng)中設(shè)定的程序控制。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

依據(jù)煙草澆水農(nóng)藝和澆水機(jī)功能特征要求，確定智能煙草澆水機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 主要部件設(shè)計和參數(shù)的確定

2.1 光箱

光箱是煙草智能定量澆水機(jī)的重要部件。澆水機(jī)工作時，光箱可以最大限度地屏蔽外界光線的干擾，防止外界光照強(qiáng)度的變化對圖像的采集產(chǎn)生影響，為攝像頭采集數(shù)據(jù)提供一個穩(wěn)定的視覺采集環(huán)境。該部分主要由光箱外殼、燈條安置架和攝像頭懸掛架組成。光箱外殼的形狀和煙壟形狀相似，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

光箱的高度可通過光箱懸掛架進(jìn)行調(diào)節(jié)。光箱外殼由一個矩形頂面、兩個矩形側(cè)面和兩個梯形側(cè)面共五個板組成。光箱外殼頂面開有矩形孔，用以安裝檢測控制系統(tǒng)；兩個梯形側(cè)面底部中心開有限位孔，該限位孔用于防止?jié)菜畽C(jī)行進(jìn)過程中對煙草有所損傷。

在光箱的兩個矩形側(cè)面內(nèi)部共固定著8個燈條安置架，用來固定LED燈條和漫射板，為圖像的采集提供恒定光源，防止光線變化對圖像的采集產(chǎn)生影響。8個LED白燈條采用并聯(lián)的方式與12 V電源連接，所有負(fù)極接地。漫射板安裝在燈條前端，用來穩(wěn)定、均勻光源發(fā)出的光線，為數(shù)據(jù)的采集提供一個光照穩(wěn)定、光線均勻的視場。燈條安置架截面簡圖如圖3所示。

光箱頂部內(nèi)側(cè)焊接有實心圓柱形鐵桿，將攝像頭懸掛架上的套筒套入上述鐵桿中，通過調(diào)節(jié)套筒的上下固定位置來調(diào)整攝像頭懸掛架的高度，從而實現(xiàn)攝像頭的高度調(diào)節(jié)。攝像頭懸掛架上設(shè)有懸掛板，在懸掛板上開有多對攝像頭固定孔，通過改變攝像頭的固定位置來改變攝像頭的前后位置，從而實現(xiàn)攝像頭前后方向的調(diào)節(jié)。

作業(yè)時保證攝像頭在煙壟中心的正上方，且與壟頂平面的垂直距離為10～15 cm，與電磁閥的水平距離為12～15 cm，從而保證獲取大小合適的視場范圍，確保澆水位置的準(zhǔn)確性。攝像頭懸掛架如圖4所示。

2.2 檢測控制系統(tǒng)

檢測控制系統(tǒng)是煙草智能定量澆水機(jī)的核心部分，用以實現(xiàn)煙草位置的檢測、電磁閥開閉的控制和澆水量大小的控制。

檢測控制系統(tǒng)主要由攝像頭、ARM系統(tǒng)和電磁閥控制電路組成，ARM系統(tǒng)型號為Real 6410，主頻為667 M。檢測控制系統(tǒng)固定在光箱頂部的檢測控制系統(tǒng)安裝口上。ARM系統(tǒng)和電磁閥控制電路由兩個12 V電瓶串聯(lián)后，通過電源轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換成5 V供電，所有負(fù)極接地。其工作流程如圖5所示。

該澆水機(jī)選用百萬像素面陣攝像頭作為信號采集設(shè)備。工作時攝像頭固定在光箱中的攝像頭懸掛架上面，可實現(xiàn)攝像頭前后方向和上下方向的位置調(diào)節(jié)，攝像頭尾部通過數(shù)據(jù)線與ARM系統(tǒng)相連，并通過數(shù)據(jù)線將所獲取的數(shù)據(jù)傳遞給ARM系統(tǒng)。

不同物質(zhì)的顏色在圖像中所表示的數(shù)據(jù)范圍不相同。采用進(jìn)入攝像頭面陣視場的第一行圖像（圖6A）作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析，所得數(shù)據(jù)分布圖如圖6B所示。其中g(shù)代表某像素點G通道數(shù)值大小，b代表某像素點B通道數(shù)值大小，以g-b作為區(qū)分土壤和煙草的特征?？梢钥闯?，土壤在色彩分布中的數(shù)據(jù)范圍為5～18，煙草在色彩分布中的數(shù)據(jù)范圍為18～31。所以設(shè)定23～28作為代表煙草顏色的最終數(shù)據(jù)范圍。

ARM系統(tǒng)接收到攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，當(dāng)所獲取的數(shù)據(jù)在23～28范圍內(nèi)時，則認(rèn)為檢測到煙草位置，此時ARM系統(tǒng)通過GPIO口向電磁閥控制電路輸出一個持續(xù)時間固定的低電平信號，以控制繼電器中電控開關(guān)的閉合。通過設(shè)定的程序可以控制低電平信號持續(xù)時間的長短，從而確定繼電器中電控開關(guān)的閉合時間和電磁閥打開時間。

電磁閥控制電路用來控制電磁閥的打開和關(guān)閉，該電路原理圖如圖7所示。

當(dāng)電磁閥控制電路接收到ARM系統(tǒng)發(fā)出的低電平信號后，通過光電耦合器使該信號完成“電—光—電”的轉(zhuǎn)變，從而控制繼電器中電控開關(guān)得電閉合，此時電磁閥得電導(dǎo)通，完成澆水。當(dāng)?shù)碗娖叫盘柦Y(jié)束時，繼電器中的電控開關(guān)打開，電磁閥關(guān)閉，結(jié)束澆水。

2.3 攝像頭安裝位置和澆水量的確定

攝像頭與電磁閥的水平距離決定著澆水位置的準(zhǔn)確性，該距離的確定與機(jī)器的行走速度和電磁閥的安裝高度有關(guān)。

煙草智能定量澆水機(jī)的行走系統(tǒng)傳動簡圖如圖8所示。

發(fā)動機(jī)將動力傳遞給變速箱，然后變速箱通過輸出軸2將動力傳遞給行走輪軸3，從而帶動澆水機(jī)前進(jìn)。已知發(fā)動機(jī)和變速箱輸入軸的傳動比為i0，變速箱前進(jìn)1檔傳動比為i1，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，齒輪齒數(shù)Z1=Z2=26，所以軸3的轉(zhuǎn)速等于軸2的轉(zhuǎn)速，為：

以最大澆水量為1 L為例，完成一次澆水作業(yè)的最大時間為1 s<1.09 s，所以在攝像頭檢測到下一株煙草前，澆水作業(yè)已經(jīng)完成。當(dāng)需要更大澆水量時，選用流量更大的潛水泵即可滿足要求。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

煙草智能定量澆水機(jī)（見圖9）田間作業(yè)性能試驗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)煙田試驗基地進(jìn)行，試驗用地為1.2 hm2，地表平整，試驗條件如表2所示。endprint

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗過程中樣機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作安全可靠，能夠有效地完成自動化定量澆水，工作過程協(xié)調(diào)通暢，澆水量的大小和澆水位置滿足農(nóng)藝要求。采集1 000株樣本進(jìn)行分析，試驗結(jié)果如表3所示，滿足設(shè)計要求。

在試驗過程中，偶爾出現(xiàn)不澆水或者澆水位置不準(zhǔn)確現(xiàn)象，分析其原因有：①煙草生長異常，葉子變黃，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)出錯。②煙草移栽時株距過小，導(dǎo)致檢測控制系統(tǒng)處理時間不足。③機(jī)器行進(jìn)過程中偶爾出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，導(dǎo)致攝像頭檢測異常。

4 結(jié)論

（1）針對我國水資源短缺，煙草澆水機(jī)械化程度低等問題，設(shè)計出一種適用于煙草移栽后澆水的煙草智能定量澆水機(jī)，該機(jī)可完成自動化定量澆水，澆水量可根據(jù)季節(jié)情況調(diào)節(jié)。

（2）煙草智能定量澆水機(jī)的試驗表明該機(jī)滿足設(shè)計要求，作業(yè)性能穩(wěn)定，運行平穩(wěn)，噪聲低，易于操作，安全和調(diào)整維護(hù)方便簡單，作業(yè)效率和質(zhì)量較高，是較理想的煙草澆水機(jī)。

（3）本設(shè)計有效解決人工澆水勞動強(qiáng)度大，成本高，浪費嚴(yán)重等問題，澆水準(zhǔn)確率高達(dá)97%，作業(yè)過程中無傷草現(xiàn)象，澆水效果能夠滿足農(nóng)藝要求。

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