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 要：为了实现“机器换人”，降低用工成本，结合果园智能喷药车功能需求，文中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。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%。
现代信息科技突飞猛进，无人驾驶、人工智能、专用机器人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。
1 总体架构
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，用于显示遥控器控制界面，通过控制界面实现“遥控”“学习”“导航”
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 硬件设计
2.1 树莓派
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。
2.2 操纵杆
遥控器采用OM901-H52型操纵杆，它输出0～5 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2 Arduino 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 V），且带有自充电功能。如图3所示，系统设计有充电口DC0055.5-2.1，CON2-2.54处接锂电池，通过AMS1117将电压降至3.3 V，通过LM2576将电压降至5 V。
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，用以存储位置点信息。通过操纵杆控制喷药车前往要采集位置信息点处，按下功能按键，系统识别后通过通信模块发送位置点采集指令至车载端，车载端获取坐标并返回位置点相关信息至遥控器，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
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图7所示。在测试过程中，按照喷药车实际操作需求对遥控器进行测试，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
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[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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