CN107743937B - 一种用于温室自主喷雾机的可预约按需加药装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及植保机械技术领域，具体涉及一种温室自主喷雾机的可预约按需加药装置和方法。加药装置包括水源提供模块、药液提供模块、混药模块、通信控制模块、加药装置对位模块；自主喷雾机包括喷雾机对位模块、药液储存模块、喷雾机通信控制模块、轮式移动平台；预约按需加药方法包括以下步骤：1)请求加药；2)信息确认；3)清洗判别、混药完成；4)到达加药；5)完成返回。所提出的加药系统和加药方法，节约了温室自主喷雾机的加药时间、提高了温室自主喷雾机的作业效率、解决了温室自主喷雾机药液预约按需加药问题。
Description
技术领域
本发明涉及植保机械技术领域，具体涉及一种用于温室自主喷雾机的可预约按需加药装置和方法。
背景技术
温室可用于生产蔬菜、花卉、瓜果等多种经济作物，取得良好的经济效益。温室具有温度高、湿度大、相对密闭等特点容易导致作物病虫害的发生，增加了温室的施药次数和难度，而且，由于温室高温、高湿、密闭的环境使农药对人体健康产生极大的威胁。利用自主喷雾机完成施药可以保护施药人员，而且，可以提高农药的利用率，提高作业效率，减少环境污染，从而使自主喷雾机的相关设备成为了温室植保的关注热点。
现有技术中，申请人未发现为温室轮式自主喷雾机预约按需加药的装置。对相近的专利进行检索时发现，申请日期为2010.07.16，申请号为201010233074.1的中国专利《一种自动加药装置及具有该自动加药装置的温室喷雾机》公开了一种有轨喷雾机及其加药装置，该装置主要由自动加药装置、操作控制装置、喷雾装置和行走机构，自动加药装置用于在轨加药，操作控制装置的接线盒设置有进药、排药、喷雾和行走命令按钮，喷雾装置和行走机构用于完成喷雾机的喷雾和移动功能。该专利的温室自动加药装置，虽然考虑了避免施药人员直接接触农药的问题和温室有轨喷雾机难于进行加药和排药问题，但是仍需人工混药、操作启停加药装置，尚未解决温室轮式自主喷雾机全自动加药问题。与其主要区别为以下几点：1、加药装置固定在温室的特定地点，各个自主喷雾机可以预约加药，按不同药液配比，不同浓度需求申请混药，自主加药；2、以无线通信和自动对位装置为基础，可以实现不同喷雾机与加药装置的交互加药，按需加药；3、完全自主按需加药，可节省劳动力，实现自动化精确配比加药，提高农药利用率。
发明内容
本发明的目的是设计一种加药系统及加药方法，应用于温室自主喷雾机，能自动完成混药、可预约按需加药、自动清洗、可节约加药时间、提高喷雾机喷药安全性。
本发明的装置的技术方案是：
一种温室自主喷雾机的可预约按需加药装置，包括自动加药装置和自主喷雾机两个部分，两者通过对位模块和无线通信连接；
所述自动加药装置包括水源提供模块、药液提供模块、混药模块、通信控制模块、加药装置对位模块；水源提供模块包括水箱、水源过滤器、水量控制电磁阀、水量流量计；所述水箱、水源过滤器、水量控制电磁阀和水量流量计依次通过管路连接到混药箱左端口，所述水量控制电磁阀、水量流量计与加药装置控制器通过线路连接；药液提供模块包括药箱、药液控制电磁阀、药液流量计；药箱、药液控制电磁阀和药液流量计依次通过管路连接到混药箱上侧端口，所述药液控制电磁阀、药液流量计与加药装置控制器通过线路连接；混药模块包括搅拌装置、混药箱、混药箱液位传感器、出药口过滤器、出药控制电磁阀和出药口流量计，搅拌装置和混药箱液位传感器位于混药箱内；所述搅拌装置、混药箱液位传感器、出药控制电磁阀和出药口流量计与加药装置控制器通过线路连接；所述出药口流量计、出药控制电磁阀和出药口过滤器依次通过管路连接到混药箱下侧端口，管路的另一端固定在加药装置对位模块的三维对位机械臂上；通信控制模块包括加药装置无线通信模块和加药装置控制器；所述加药装置无线通信模块与加药装置控制器通过线路连接；加药装置对位模块包括步进电机1、步进电机2、步进电机3、滚珠丝杠副导轨、两坐标移动平台、安装平台、红外发射接收管的发射管、出药管路固定端、步进电机驱动器；所述步进电机1、步进电机2和步进电机3输入端通过线路连接至步进电机驱动器，步进电机驱动器通过线路连接至加药装置控制器，红外发射接收管的发射管与加药装置控制器通过线路连接，步进电机1输出轴与滚珠丝杠副导轨一端通过联轴器连接，滚珠丝杠副导轨的螺母与两坐标移动平台的一端焊接，两坐标移动平台的另外三端分别与步进电机2输出轴通过联轴器连接、与步进电机3输出轴通过联轴器连接、与安装平台焊接。
所述加药装置控制器设有温湿度传感器、显示屏，温湿度传感器、显示屏与加药装置控制器通过线路连接。
所述自主喷雾机包括喷雾机对位模块、药液储存模块、喷雾机通信控制模块、轮式移动平台、喷雾装置；喷雾机对位模块包括承接杯、红外发射接收管的接收管；所述承接杯通过连接管路与储药箱的进药口连接，所述红外发射接收管的接收管与喷雾机控制器通过线路连接，并固定在承接杯上；药液储存模块包括搅拌装置、储药箱，搅拌装置位于储药箱内，储药箱的出药口与喷雾装置连接；所述搅拌装置与喷雾控制器通过线路连接；喷雾机通信控制模块包括喷雾机无线通信模块、储药箱液位传感器、喷雾机控制器；所述喷雾机无线通信模块、储药箱液位传感器与喷雾机控制器通过线路连接。
轮式移动平台承载着其他模块；喷雾装置完成药液的雾化功能。
进一步，加药装置对位模块包括至少一个红外接收发射管；三维对位机械臂的步进电机与步进电机驱动器通过电路连接，三位对位机械臂可以实现上下为2m，左右为1.5m，前后1.5m的范围调整，三维对位机械臂的安装平台通过出药管路固定端安装着出药管路；
进一步，所述红外接收发射管的参数为：峰值波长为940nm，光谱半波宽为45nm，半功率角为10度；
进一步，所述加药装置控制器是以ATmega2560为核心的控制板。
进一步，所述加药装置无线通信模块和喷雾机无线通信模块的参数为：工作电压为3.0-3.6V，通信频率为2.4-2.4835GHz，发射功率为20dBm，通信接口为UART。
进一步，所述搅拌装置包括驱动装置和搅拌机构，驱动装置为直流电机，直流电机输出与搅拌机构通过联轴器连接，直流电机输入与直流电机驱动器通过线路连接，直流电机驱动器与加药装置控制器通过线路连接。
本发明的方法的技术方案是：
一种用于温室自主喷雾机预约按需加药的过程控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，请求加药：喷雾机控制器通过喷雾机无线通信模块发出请求加药指令。
步骤2，信息确认：加药装置控制器通过加药装置无线通信模块接收到加药指令，验证接收到指令的格式，分析数据提取信息，安排喷雾机加药时序并发送给相应的喷雾机；
步骤3，清洗判别、混药完成：加药装置控制器判断此次加药所需的药液种类与前一次药液是否相同，若不同，进入加药装置清洁程序；若相同，依据混药指令向水量控制电磁阀、各个药液控制电磁阀发出混药指令，完成后向自主喷雾机发送混药完成指令，等待喷雾机响应；
步骤4，到达加药：喷雾机应答，按照加药时序到达加药装置处并发送到达指令，加药装置控制器通过加药装置对位模块寻找到承接杯位置，开启出药控制电磁阀，当药箱液位为零时，开启水量控制电磁阀加入5L水，清洗混药箱。
步骤5，完成返回：关闭所有药液控制电磁阀，完成加药。自主喷雾机回到加药中断位置，继续施药，直至下次加药请求。
进一步，所述步骤1中喷雾机控制器请求加药时间节点为喷雾机的储药箱的药液不足5L，请求加药指令的格式为喷雾机的编号、药液种类、药液浓度、药液体积、到达加药装置的时间、药液喷完所需时间、承接杯高度。
进一步，所述步骤2中加药装置控制器接收到多台喷雾机加药请求时，依据请求时间为喷雾机排队，其排队原理采用队列线性表，加药响应指令的格式为喷雾机的编号、加药排队时间。
一种用于温室自主喷雾机预约按需加药的药量控制方法，如下：
药液i(i＝1,2,3)控制电磁阀与药液i(i＝1,2,3)流量计之间的药液体积为Vc，所需药液的体积为Va，流过流量计的体积为Vb，当流过流量计体积达到Va-Vb时，就关闭控制药液控制电磁阀，为了使Vc体积药液流出，平衡管路内外气压，药液控制电磁阀与药液流量计之间的管路由防水透气材料制成；水量的控制方法与药液的控制方法相同。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明由于采用了加药装置控制器、无线通信模块和对位模块可以实现在无人值守的情况下完成为温室喷雾机自主加药。
2、本发明可以利用清洗流程清理混药箱和喷雾机药箱里留下的农药残留，避免影响下次喷药提高施药过程的安全性。
3、由于本发明加药装置和自主喷雾机可以相互配合工作完成温室的喷药任务，所以大大降低施药人员的工作强度。
4、本发明所述加药装置控制器所需电量来源于太阳能电池板，充分利用温室里的光照条件。
本发明解决了温室自主喷雾机在无人值守情况下，为其加药和加药系统及喷雾机的农药残留问题，也避免了施药人员接触农药，提高了施药安全性，适用于多个温室自主喷雾机作业。
附图说明
图1是本发明加药装置结构示意图。
图2是本发明温室喷雾机结构示意图。
图3是本发明多台喷雾机与加药装置交互、加药流程图。
图4是本发明清洗混药箱和喷雾机的流程图
图5是本发明的加药装置对位模块组成示意图。
图中，101-水箱、102-药箱1、103-水源过滤器、104-水量控制电磁阀、105-水量流量计、106-管路、107-搅拌装置、108-混药箱液位传感器、109-混药箱、110-加药装置无线通信模块、111-加药装置对位模块、112-加药装置控制器、113-药液1控制电磁阀、114-药液1流量计、115-药液2控制电磁阀、116-药液2流量计、117-药液3控制电磁阀、118-药液3流量计、119-出药口过滤器、120-出药控制电磁阀、121-出药口流量计、122-药箱3、123-药箱2、124-显示屏、125-温湿度传感器。201-承接杯、202-红外发射接收管的接收管、203-喷雾机无线通信模块、204-储药箱、205-喷雾机控制器、206-管路、207-轮式移动平台、208-储药箱液位传感器、209-搅拌装置、210-喷雾装置。501-步进电机1、502-、滚珠丝杠副导轨、503-两坐标移动平台、504-步进电机2、505-步进电机3、506-安装平台、507-红外发射接收管的发射管、508-出药管路固定端、509-步进电机驱动器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明的加药装置包括水箱101、药箱1 102、药箱2 123、药箱3 122、水源过滤器103、水量控制电磁阀104、水量流量计105、管路106、药液1控制电磁阀113、药液1流量计114、药液2控制电磁阀115、药液2流量计116、药液3控制电磁阀117、药液3流量计118、出药口过滤器119、出药控制电磁阀120、出药口流量计121、混药箱109、混药箱液位传感器108、加药装置控制器112、加药装置对位模块111、加药装置无线通信模块110、搅拌装置107部分；水源提供模块连接为：水箱101通过管路106与混药箱109相连，管路的开关状态由与加药装置控制器112连接的水量控制电磁阀104控制；药液1提供模块连接为：药箱1102通过管路与混药箱109相连，管路的开关由与加药装置控制器112线路连接的药液1控制电磁阀113进行控制，药液2和3提供模块连接方式同药液1提供模块；加药装置对位模块111用来检测图2中红外发射接收管的接收管202的位置，红外发射接收管的接收管202固定在承接杯201边缘，加药装置对位模块111可调整出药口的位置以正对承接杯201；通信控制模块连接为：加药装置无线通信模块110通过线路与加药装置控制器112连接；混药模块连接为：搅拌装置107、混药箱液位传感器108通过线路与加药装置控制器112连接。
如图2所示，本发明的喷雾机结构示意图包括承接杯201、红外发射接收管的接收管202、喷雾机控制器205、喷雾机无线通信模块203、储药箱204、管路206、轮式移动平台207、储药箱液位传感器208、搅拌装置209、喷雾装置210；承接杯201固定在喷雾机的顶端通过管道与储药箱204的左端口相连，储药箱204中有通过线路与喷雾机控制器205连接的液位测量传感器208；无线通信模块203与喷雾机控制器205通过线路连接，用来与加药装置控制器112进行无线通信的设备；全部的装置都被固定在轮式移动平台207上；喷雾装置210通过管路与储药箱204的右端口相连。本发明的轮式移动平台207包括4个步进电机，步进电机的输入端电连接喷雾机控制器205。步进电机的输出端直接连接到轮胎上，驱动4个轮胎转动在温室的路面上行走，进而使整个喷雾机在温室移动。步进电机所需的电源由48V的蓄电池提供。上述实施例中，加药装置控制器112控制一块电子显示屏，显示所需配置和当前药液的种类、浓度、体积等信息。
上述实施例中，无线通信模块的通信参考距离为100米。
上述实施例中，储药箱204的容积为50L。
上述实施例中，加药装置对位模块平行于地平面的平面内可调整范围为2.25m2。
上述实施例中，加药装置的制药速度为8L/min-10L/min，出液速度为15L/min-20L/min。
如图3所示，本发明的多台喷雾机与加药装置交互、加药流程图。控制器接收到数据后进行数据分析得出控制信息并放入请求加药队列(按时间排序)，由于两种不同成分的药相互影响，故需要与上次药液种类相对比，若相同，则直接按照请求加药队列中的时间顺序进行混药，开始时刻为T1；若不同药液，则需要启动清洗流程清洁整个系统再混药；因为混药时间为7分钟，所以相同种类的药液请求可以在T1-7<0时得到响应，待混药完成时，喷雾机到达加药地点，向加药装置发送到达命令，加药装置对位模块调整出药口以正对承接杯，开启加药电磁阀，进行加药；当混药箱没有药液时，开启水量控制电磁阀，对混药箱进行初次清洗，之后关闭加药电磁阀，提升加药管路，加药完成回到喷雾机原始位置。
如图4所示，本发明清洗混药箱和喷雾机的流程图。清洗混药箱和喷雾机的思想是将浓度低的药液喷到作物上，避免造成环境污染。喷雾机到达加药地点，向加药装置发送到达命令，加药装置对位模块调整出药口以正对承接杯，开启加药电磁阀和水量控制电磁阀，当开启三分钟之后关闭加药电磁阀和水量控制电磁阀，提升加药管路，加药完成回到喷雾机原始位置。
如图5所示，本发明的加药装置对位模块组成示意图，上图为主视图下图为俯视图。包括步进电机1 501、滚珠丝杠副导轨502、两坐标移动平台503、步进电机2 504、步进电机3 505、安装平台506、红外发射接收管的发射管507、出药管路固定端508、步进电机驱动器509；步进电机1输出轴与滚珠丝杠副导轨502一端通过联轴器连接，滚珠丝杠副导轨502的螺母与两坐标移动平台503的一端焊接，且两坐标移动平台503与丝杠垂直，两坐标移动平台503的另外三端分别与步进电机2 504输出轴通过联轴器连接、步进电机3 505输出轴通过联轴器连接、安装平台506焊接；其中红外发射接收管的发射管507和出药管路固定端508通过螺栓连接固定在安装平台506，三个步进电机与步进电机驱动器通过线路连接。
下面结合图1-图4对一种用于温室自主喷雾机预约按需加药系统的工作过程。
1)当储药箱204的药液低于5L，与储药箱204内储药箱液位传感器208电路连接的输入输出接口会产生高电平，会在喷雾机控制器205中产生中断，执行编写的中断服务函数，通过喷雾机上的无线通信模块203发送请求加药相信息。
2)加药装置的无线通信模块110接受到数据后存入加药装置控制器112的寄存器，加药装置控制器112开始分析数据并将信息存储到队列中，判断是否清洗整个系统，若清洗，则执行图4的流程图，然后向水量控制电磁阀104和相应药液电磁阀发出控制指令，开始配制队列中第一种药液，实时检测混药箱的状态使其显示到显示屏。
3)完成药液配制时，等待对应的喷雾机。喷雾机到达后加药装置对位模块进行加药装置出药口与承接杯相对位置的调整，调整完成出药口位置再进行加药并计量药液体积。
4)储药箱204内储药箱液位传感器208监测其液位的状态防止药液溢出，完成加药。
5)自主喷雾机返回到中断加药的位置，重新开始进行施药。
6)完成喷药后，在控制器的指令下，完成清洗储药箱4、混药箱9内的药液残留，整个过程结束。
以上对本发明所提供的一种用于温室自主喷雾机的预约按需加药系统和加药方法进行了详细的说明，本文应用了具体个例对本发明的装置和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于温室自主喷雾机的可预约按需加药装置，其特征在于，所述加药装置包括自动加药装置和自主喷雾机两个部分，两者通过对位模块和无线通信连接；
所述自动加药装置包括水源提供模块、药液提供模块、混药模块、通信控制模块、加药装置对位模块；水源提供模块包括水箱、水源过滤器、水量控制电磁阀、水量流量计；所述水箱、水源过滤器、水量控制电磁阀和水量流量计依次通过管路连接到混药箱左端口，所述水量控制电磁阀、水量流量计与加药装置控制器通过线路连接；药液提供模块包括药箱、药液控制电磁阀、药液流量计；药箱、药液控制电磁阀和药液流量计依次通过管路连接到混药箱上侧端口，所述药液控制电磁阀、药液流量计与加药装置控制器通过线路连接；混药模块包括搅拌装置、混药箱、混药箱液位传感器、出药口过滤器、出药控制电磁阀和出药口流量计，搅拌装置和混药箱液位传感器位于混药箱内；所述搅拌装置、混药箱液位传感器、出药控制电磁阀和出药口流量计与加药装置控制器通过线路连接；所述出药口流量计、出药控制电磁阀和出药口过滤器依次通过管路连接到混药箱下侧端口，管路的另一端固定在加药装置对位模块的三维对位机械臂上；通信控制模块包括加药装置无线通信模块和加药装置控制器；所述加药装置无线通信模块与加药装置控制器通过线路连接；加药装置对位模块包括步进电机1、步进电机2、步进电机3、滚珠丝杠副导轨、两坐标移动平台、安装平台、红外发射接收管的发射管、出药管路固定端、步进电机驱动器；所述步进电机1、步进电机2和步进电机3输入端通过线路连接至步进电机驱动器，步进电机驱动器通过线路连接至加药装置控制器，红外发射接收管的发射管与加药装置控制器通过线路连接，步进电机1输出轴与滚珠丝杠副导轨一端通过联轴器连接，滚珠丝杠副导轨的螺母与两坐标移动平台的一端焊接，两坐标移动平台的另外三端分别与步进电机2 输出轴通过联轴器连接、与步进电机3 输出轴通过联轴器连接、与安装平台焊接；
所述自主喷雾机包括喷雾机对位模块、药液储存模块、喷雾机通信控制模块、轮式移动平台、喷雾装置；喷雾机对位模块包括承接杯、红外发射接收管的接收管；所述承接杯通过连接管路与储药箱的进药口连接，所述红外发射接收管的接收管与喷雾机控制器通过线路连接，并固定在承接杯上；药液储存模块包括搅拌装置、储药箱，搅拌装置位于储药箱内，储药箱的出药口与喷雾装置连接；所述搅拌装置与喷雾控制器通过线路连接；喷雾机通信控制模块包括喷雾机无线通信模块、储药箱液位传感器、喷雾机控制器；所述喷雾机无线通信模块、储药箱液位传感器与喷雾机控制器通过线路连接。
2.如权利要求1所述的一种用于温室自主喷雾机的可预约按需加药装置，其特征在于，所述加药装置控制器设有温湿度传感器、显示屏，温湿度传感器、显示屏与加药装置控制器通过线路连接。
3.如权利要求1所述的一种用于温室自主喷雾机的可预约按需加药装置，其特征在于，加药装置对位模块包括至少一个红外接收发射管；三维对位机械臂的步进电机与步进电机驱动器通过电路连接，三位对位机械臂可以实现上下为2m，左右为1.5m，前后1.5m的范围调整，三维对位机械臂的安装平台通过出药管路固定端安装着出药管路。
4.如权利要求3所述的一种用于温室自主喷雾机的可预约按需加药装置，其特征在于，所述红外接收发射管的参数为：峰值波长为940nm，光谱半波宽为45nm，半功率角为10度。
5.如权利要求1所述的一种用于温室自主喷雾机的可预约按需加药装置，其特征在于，所述加药装置控制器是以ATmega2560为核心的控制板。
6.如权利要求1所述的一种用于温室自主喷雾机的可预约按需加药装置，其特征在于，所述加药装置无线通信模块和喷雾机无线通信模块的参数为：工作电压为3.0-3.6V，通信频率为2.4-2.4835GHz，发射功率为20dBm，通信接口为UART。
7.如权利要求1所述的一种用于温室自主喷雾机的可预约按需加药装置，其特征在于，所述搅拌装置包括驱动装置和搅拌机构，驱动装置为直流电机，直流电机输出与搅拌机构通过联轴器连接，直流电机输入与直流电机驱动器通过线路连接，直流电机驱动器与加药装置控制器通过线路连接。
8.采用如权利要求1所述装置实施预约按需加药的过程控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，请求加药：喷雾机控制器通过喷雾机无线通信模块发出请求加药指令；
步骤2，信息确认：加药装置控制器通过加药装置无线通信模块接收到加药指令，验证接收到指令的格式，分析数据提取信息，安排喷雾机加药时序并发送给相应的喷雾机；
步骤3，清洗判别、混药完成：加药装置控制器判断此次加药所需的药液种类与前一次药液是否相同，若不同，进入加药装置清洁程序；若相同，依据混药指令向水量控制电磁阀、各个药液控制电磁阀发出混药指令，完成后向自主喷雾机发送混药完成指令，等待喷雾机响应；
步骤4，到达加药：喷雾机应答，按照加药时序到达加药装置处并发送到达指令，加药装置控制器通过加药装置对位模块寻找到承接杯位置，开启出药控制电磁阀，当药箱液位为零时，开启水量控制电磁阀加入5L水，清洗混药箱；
步骤5，完成返回：关闭所有药液控制电磁阀，完成加药；自主喷雾机回到加药中断位置，继续施药，直至下次加药请求。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤1中，喷雾机控制器请求加药时间节点为喷雾机的储药箱的药液不足5L，请求加药指令的格式为喷雾机的编号、药液种类、药液浓度、药液体积、到达加药装置的时间、药液喷完所需时间、承接杯高度；步骤2中，加药装置控制器接收到多台喷雾机加药请求时，依据请求时间为喷雾机排队，其排队原理采用队列线性表，加药响应指令的格式为喷雾机的编号、加药排队时间。
10.采用如权利要求1所述装置实施预约按需加药的药量控制方法，其特征在于具体步骤如下：药液i控制电磁阀与药液i流量计之间的药液体积为Vc，所需药液的体积为Va ，流过流量计的体积为Vb，当流过流量计体积达到Va -Vb时，就关闭控制药液控制电磁阀，为了使Vc体积药液流出，平衡管路内外气压，药液控制电磁阀与药液流量计之间的管路由防水透气材料制成；水量的控制方法与药液的控制方法相同。
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