基于树莓派的果园智能喷药车用遥控器设计与实现

基于树莓派的果园智能喷药车用遥控器设计与实现

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摘
能喷药车用遥控器。该遥控器不仅可用于控制果园喷药车的行进方向及动力，还可用于果园喷药车位置点的采集、路径的编辑/下发、模式切换、导航控制功能。实验表明，该遥控器可满足果园智能喷药车的功能需求，工作稳定。

关键词：树莓派;遥控器;智能喷药;无线传输;Arduino;USB

中图分类号：TP391 文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-00-04

0引言

山东省素有“苹果之乡”的美称，其苹果种植面积稳定在30万公顷左右[1-
2]。随着城市化的推进以及人口老龄化进程加剧，果园用工成本不断增加。据有关数据统计，2016年全国苹果种植人工成本和物质成本分别为3.58万元/公顷（2
387元/亩）、3.32万元/公顷（2
213元/亩），相比2015年分别上升4.95%，1.7%，人工成本已
超过总成本的一半[3-6]，达到51.9%。

等高新技术不断发展，为了实现“机器换人”，降低用工成本，果园智能喷药车应运而生。现有的遥控器多用于控制车辆行进方向及动力，但均未涉及车辆自主导航时位置点的采集、路径的编辑/下发、模式切换、导航控制功能[7-
8]。为此，本研究团队研发了一款基于树莓派的果园智能喷药车遥控器。

果园智能喷药车遥控器主要由树莓派、通信模块、显示屏、操纵杆、自复位开关按键和功能指示灯组成。

（1）树莓派为遥控器核心单元，用于总体功能控制。

（2）通信模块采用2.4
GHz无线传输模块，用于实现果园智能喷药车与遥控器间双向数据通信，接收喷药车发送的坐标信息、车辆状态信息，并向喷药车发送模式切换信息、功能信息、路径信息、操纵杆数据。

（3）采用带有触摸功能的3.5英寸显示屏，用于显示遥控器
三种模式的切换，及对路径文件的“编辑”“删除”“下发”操作。

（4）操纵杆用于遥控及学习模式下控制喷药车的行进方向与动力。

（5）自复位开关按键在不同工作模式下功能有所不同：遥控模式下按键无作用;学习模式下为采点功能，按键用于位置信

息采集，按键按下后控制单元识别并生成“采集位置信息命令”，并通过通信模块发送至喷药车端;导航模式下，按键用于导航启停控制。

（6）功能指示灯用于指示喷药车当前功能状态：遥控模式下，指示灯无作用，为开路状态;学习模式下，当有“位置信息”返回时，功能指示灯亮2
s后自行关闭;导航模式下，指示灯开启，表示导航开始，指示灯关闭，表示导航停止。

果园智能喷药车遥控器总体结构拓扑图如图1所示。

2.1 树莓派 2 硬件设计

树莓派作为核心处理单元，各功能模块与之连接：通信模块通过USB口与其连接;操纵杆由Arduino
UNO通过USB口与其连接;触控显示屏通过HDMI接口及多个GPIO引脚与其连接;功能指示灯及自复位开关按键分别通过GPIO引脚与其连接。连接接口见表1所列。

V电压信号。树莓派不具有A/D转换功能[9]，无法直接获取操纵杆数据，因此使用Arduino
UNO[10]作为控制器配合树莓派获取操纵杆数据，其硬件连接如图2所示。Arduino获取到操纵杆两轴数据后，通过USB将其传输至树莓派端。

图2Arduino UNO硬件连接图

2.3电源模块

遥控器使用5 V，3.3
V两种电压类型，系统中树莓派、Arduino及操纵杆为5
V供电;功能指示灯及自复位开关按键为3.3
V供电;遥控器为锂电池供电（12

055.5-2.1，CON2-
2.处接锂电池，通过AMS1117将电压降至3.3V，通过LM2576将电压降至5V。

3软件设计

遥控器有遥控、学习、导航三种工作模式：遥控模式利用遥控器操纵杆控制果园喷药车行进;学习模式下可控制车辆行进，也可采集车辆位置信息点（即GPS坐标）以构建行进路径;

导航模式用于导航路径的编辑、下发以及自主导航控制。遥控器程序采用PyQt开发，所有信息设置通过信号和槽机制更改在系统中的配置。

打开电源总开关，系统启动，系统默认处于遥控模式状态，接收串口2即操纵杆数据后通过通信模块发送至车载端，用以控制车辆行进方向及速度。通过遥控器显示屏可切换工作模式为学习模式（选取学习模式，点击屏幕确认键即可），进入学习模式后，系统自动创建路径文件，用以存储位置点信

功能按键，系统识别后通过通信模块发送位置点采集指令至
息。通过操纵杆控制喷药车前往要采集位置信息点处，按下

如果遥控器功能指示灯亮2
s后熄灭，则位置信息点采集成功，否则需重新按下功能按键采集该点位置信息。通过显示屏切换工作模式至导航模式，若需要编辑或下发（至车辆）路径，则通过点击界面中路径编辑键进入路径编辑界面，在此界面中可编辑或下发路径。编辑/下发完成，点击界面返回键可返回至导航模式界面;按下功能按键可控制车辆自主导航，功能指示灯亮;再次按下功
能按键可控制车辆停止自主导航，功能指示灯灭。具体工作
流程如圖4所示。

树莓派中使用两个USB接口进行串口输入输出，一个接通信模块用于数据通信，一个接Arduino用于获取操纵杆数据。遥控器软件设计中分别创建线程以实现相应功能。首先对相应的串口进行初始化，通过判断接收缓冲区数据长度来判断是否有新数据到达。新数据到达接收并对数据进行解析，发送与之对应的信号，触发相应操作。程序流程如图5、图6所示。

4实验情况

霞及威海两地进行实地测试。果园智能喷药车遥控器实物如
为测试基于树莓派的果园智能车遥控器工作的稳定性，在栖

进行测试，遥控模式下将喷药车移动至工作场地附近，切换工作模式为学习模式，按照需要采集位置点信息，切换工作模式为导航模式，编辑工作路径并下发工作路径至车载端，按下开始导航键，车辆按工作路径自主行进并进行喷药作业，如图8所示，系统工作稳定。

5结语

为了实现“机器换人”，降低用工成本，本文结合果园智能

喷药车功能需求，研究设计了一种基于树莓派的果园智能喷药车用遥控器，该遥控器不仅可用于控制果园喷药车的行进方向及动力，还可用于果园喷药车位置点的采集、路径的编辑/下发、模式切换、导航控制功能，稳定性高，可满足实际生产的需要。

注：本文通讯作者为秦磊磊。

参考文献

[1]王彩峰，史建民.山东省苹果种植面积的时空演变特征分析[J].中国农业资源与区划，2017，38（12）：170-177.
分析[J].农业经济问题，2012，33（10）：36-42.

[3]刘文军，张复宏，史亮.山东苹果种植成本收益变动分析[J].现代农业，2019（8）：6-9.

[4]陶源，史建民.全國苹果种植成本收益分析[J].山东农业

[5]陶源.全国苹果种植成本收益研究[D].泰安：山东农业大学，2017.

[6]王彩峰.山东省苹果生产变动的影响因素研究[D].泰安：山东农业大学，2018.

[7]李格伦，崔天时，刘春莉，等.农用轮式机器人运动控制系统设计与试验[J].农机化研究，2018，40（2）：192-196.

[8]边文超，邱绪云，梁健明，等.电动履带式果园植保机器人虚拟遥控器设计[J].智能机器人，2018（5）：48-51.
与应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（5）：37-41.

[10]胡少兵，黎瑶，詹旺，等.基于Arduino的新型智能导盲杖设计[J].自动化与仪器仪表，2019（9）：8-11.

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