基于STM32单片机的智能激光除草装置_马星野.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023收稿日期:20220817修改日期:20220927Intelligent Laser Weeding Device Based on STM32MA Xingye1，YU Bing1，2*，EN Jiayi1，LU Zhouchao1，HE Yi1(1School of Electronic Information and Engineering，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing Jiangsu 210044，China;2Collaborative Innovation Center for Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing Jiangsu 210044，China)Abstract:Based on the STM32F429IGT6 microcontroller，a device is designed which can intelligently identify weeds and complete laserweeding by turning the steering gear A camera module is used to collect road information and crop images，a WiFi module is used toupload images and send control signals，the steering gear is used to adjust the emission angle of the laser to achieve precise weedingtherefore，the production cost of the weeding robot is greatly reduce，the weeding efficiency is improved，and the automation and intelli-gence of agricultural production are effectively promotedKey words:STM32 microcontroller;laser weeding;agriculture;image recognition;weeding robotEEACC:6250doi:103969/jissn10059490202301046基于 STM32 单片机的智能激光除草装置马星野1，于兵1，2*，任嘉毅1，陆周超1，何一1(1南京信息工程大学电子信息与工程学院，江苏 南京 210044;2大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044)摘要:基于 STM32F429IGT6 单片机，设计出一种能够智能识别杂草，并可通过转动舵机完成激光瞄准、除草的装置。该装置利用摄像头模块采集道路状况信息与农作物图像，利用 WiFi 模块完成图像的上传与控制信号的下达，利用舵机调整激光器的发射角度以实现精准除草。该装置极大地降低了除草机器人的生产制作成本，提高了除草效率，有效助推农业生产的自动化、智能化。关键词:STM32 单片机;激光除草;智慧农业;图像识别;除草机器人中图分类号:TN9195文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01028207目前，广泛采用人工化学除草的方式进行除草，对生态环境、农产品安全以及人体健康都造成了严重威胁。随着人们食品安全意识的日益提高，非化学的自动化除草方法开始受到越来越多的重视1。随着嵌入式技术发展以及智能硬件市场迅速拓展，农业的生产方式开始逐渐走向自动化、智能化，激光除草的方法也逐渐走入人们的视野2。美国智能机械公司 Carbon obotic 研发出一款名叫 Autonomous Weeder 的自动除草机器人，利用自动化机械、人工智能和激光技术，能够让机器安全有效地穿行在农田里，以识别、瞄准和清除杂草3。除草机器人利用高功率激光的热能清除杂草，不会破坏农作物和土壤。但是这样的一台机器，由 8 台150 W 的二氧化碳激光器和 12 个高分辨率相机组成，光售价就高达 120 万人民币。其中，一台高功率激光器的售价就在 3 万左右，激光器成本占据了总成本的四分之一。此外，该除草机器人的体积非常庞大，接近 25 m3，更加适用于 1 000 亩以上大型农田的自动化除草。国外种田是承包一整片地，一个人可以拥有几千甚至上万亩地，所以他们完全可以通过购买这种设备来节约人工成本。而国内与国外的环境不同，很多地方受到地形地貌的限制，农作范围呈小范围聚集，并不适合大型机械化作业4。结合上述背景，本文以 STM32F429IGT6 单片机为控制和数据处理核心，设计一种能够智能识别杂草、成本低、能精准除草的智能激光除草装置。由于可以通过转动舵机控制激光器的发射角度，因此一台除草装置只需配备一个激光发射器，一个识别摄像头和一个定位摄像头即可，可节约 30%的成本。1系统总体方案设计系统整体框图见图 1，智能激光除草装置由4 个组成单元构成，分别是单片机控制单元、图像采集单元(摄像头模块、WiFi 模块)、激光发射单元(舵机模块、继电器和激光器)和驱动单元(电机驱动模块)。第 1 期马星野，于兵等:基于 STM32 单片机的智能激光除草装置图 1系统总体框图该除草装置以 STM32F429IGT6 单片机为核心，通过定位摄像头确保该装置的行驶轨迹正确，将识别摄像头采集到的图像通过 WiFi 模块传送至上位机，进行图像识别，返回杂草的坐标参数。单片机根据返回的结果，控制舵机转动指定角度，再经过继电器控制激光发射，完成智能的激光除草。此外，用户可以使用电子设备连接该 WiFi 模块，查看当前农田的除草状态。相较于现有的激光除草机器人，该装置具有体积小、成本低等特点，适合我国目前某些地区的农业生产环境5。2系统硬件设计21系统硬件整体设计系统硬件整体由主控模块、电机驱动模块、摄像头模块、WiFi 模块、舵机模块、继电器与激光器组成，系统总电路原理图见图 2。其中，主控模块采用STM32F429IGT6 为主控制器，属于中端的 32 位AM 微控制器，其内核是 Cortex-M4，最高主频可达180 MHz，具有 256 KB 的 SAM，相对于 STM32F103拥有更好的图像采集处理能力，符合本设计对图像采集处理能力的需求。图 2系统总电路原理图22电机驱动模块电机驱动模块采用 L298N 作为电机驱动芯片，L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，如图 3 所示。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机，并联时可以驱动四台电机6。本设计将 L298N 配合 STM32 使用，实现对四个马达进行驱动和 PWM调速，通过改变直流电机占空比的电压来改变平均电压的数值，从而改变电机的转速变化来驱动小车运行。382电子器件第 46 卷图 3L298N 电机驱动模块原理图图 5AP6181 WiFi 模块原理图23摄像头模块摄像头模块采用型号为 OV5640 的 CMOS 类型数字图像传感器，其与 STM32 单片机引脚的连接关系如图 4 所示。该摄像头能够输出图像的像素最大可达 500 万，并且可以以 VGA 时序输出数据，支持YUV、YCbCr422、GB565 以及 JPEG 格式7。本设计采用直接输出 JPEG 格式图像的方式，这样做可大大减少数据量，方便网络传输。配置不同的分辨率，传感器输出图像数据的帧率从 15 帧 60 帧可调，工作时功率在 150 mW200 mW 之间。24WiFi 模块WiFi 模块的型号为 AP6181，是一款单频的WiFi 模块，如图 5 所示。本设计将单片机作为服务端，计算机作为客户端，充分利用了 TCP 双向传输的特点。在图像采集时，WiFi 模块将摄像头采集的图像通过 TCP 传输至计算机(上位机)。图像识别后，WiFi 模块再将处理后得到的杂草坐标参数通过TCP 传输至单片机(下位机)。图 4OV5640 与引脚的连接关系图482第 1 期马星野，于兵等:基于 STM32 单片机的智能激光除草装置25舵机模块舵机模块采用 DS3115，该数字舵机内部伺服控制 板 采 用 单 片 机 MCU 控 制，如 图 6 所 示。DS3115 舵机模块采用 PWM 脉宽型调节角度，周期为 20 ms、占空比为 05 ms25 ms 的脉宽电平对应舵机 0180角度范围，且成线性关系。每当给定一次 PWM 脉宽，舵机输出角度可锁定，直到下次给不同的角度脉宽或者断电才可以改变角度8，该款数字舵机的控制精度理论值可达到 009。在设计使用中，转动舵机调整激光的发射角度，一个激光器可完成一整排农作物的除草，大大降低了激光器在设计中所占的成本。图 6DS3115 舵机模块原理图26继电器与激光器杂草的死亡率和激光器的能耗都是衡量激光除草效果的主要指标，其中，激光器的能耗取决于激光器的功率及作用时间，除草效果取决于激光的能量密度 9。对于不同种类的杂草，需要选择的激光照射时间、波长、功率以及光斑大小都大不相同 10。因此，本文提到的智能激光除草装置的设计可以通过图像识别，得到杂草的种类，进而选择合适的激光量，利用激光的热效应完成除草，在保证根除杂草的前提下尽可能地降低能耗并避免误伤其他农作物。其中，激光的能量密度与激光器的能耗具有如下的非线性关系 11:DW=C+DC1+lg(DOSE+1)lg(ED50+1)B+式中:DW 为每株植物的干质量;C 为 DW 形曲线的下限;D 为未经激光作用过的植物的干质量;DOSE为激光能量密度，能量密度=功率速率;ED50为(DC)减少至原来的 50%时的能量密度等级;B 为能量密度曲线的倾角及位置;为反映误差大小的一个独立均值近似零的方差量。3系统软件设计31系统软件主流程设计小车启动后，定位摄像头开始捕获前方道路情况，确保小车行驶在正确的轨迹上。识别摄像头开始采集图像，当采集的图像中识别到杂草后，上位机立即将杂草种类与坐标参数通过 WiFi 模块建立的TCP 传输，传送至单片机。单片机接收到指令后，控制舵机转动指定的角度，并通过继电器控制激光器发射合适的激光量，利用激光的热效应完成除草。系统软件总体流程图如图 7 所示。图 7系统软件主流程图图 8TCP 协议状态转移图12 32TCP 通信协议设计通信协议是指上位机(计算机)和下位机(单片机)通讯的协议，这里采用了 TCP 协议。TCP 作为最常用且最稳定的传输层协议，提供一种面向连接、可靠的字节流传输服务，非常适合本设计中对图像传输的要求。TCP 协议状态转移图见图 8，通过“三次握手”建立连接、“四次挥手”终止连接，TCP 协议完成了可靠的数据传输。上位机利用 TCP 接口接收摄像头模块传来的图像数据，经过图像识别程序，向下位机发送控制信号，转动舵机并控制继电器完成激光发射。这里利用了 TCP 双向传输的特性，图582电子器件第 46 卷像的上传与控制信号的下达都需实时传输，因此上位机软件与下位机需建立两个不同的端口号，防止传输时产生冲突。33舵机控制设计本设计采用 PWM 波控制舵机转动。其中，PWM 初始化 arr(预装载值)为 20 000，psc(预分频系数)为 72，计算的定时器周期为 002 s，定时器频率为 50 Hz，同时计数频率则为 1 M，计数周期为1 s，最大计数周期为 20 000。在 PWM 模式设置下，直接更改 ccr 寄存器，设置对应的 ccr 寄存器值为500 起，对应 PWM 波形高电平持续时间为 500 s，利用公式 500+