基于多網(wǎng)融合和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的無(wú)線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).pdf

書書書牛萍娟，程 崢，田海濤，等基于多網(wǎng)融合和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的無(wú)線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，（）：基于多網(wǎng)融合和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的無(wú)線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)牛萍娟，程 崢，田海濤，徐芳海，李舒舒（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津；天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津；天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程中心，天津）摘要：針對(duì)目前溫室大棚環(huán)境調(diào)控方式落后、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線溫室監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由終端設(shè)備、智能網(wǎng)關(guān)、手機(jī)這個(gè)部分組成。采用完成智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，將溫室內(nèi)各種設(shè)備如電燈、卷簾機(jī)、加熱器、加濕器、各類傳感器等通過(guò)、紅外連接起來(lái)，并設(shè)計(jì)一種基于安卓（）平臺(tái)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。提出指紋庫(kù)定位方法的改進(jìn)策略，在終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)的協(xié)議棧中加入卡爾曼濾波算法，在線定位階段加入貝葉斯概率定位法，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)內(nèi)定位功能。說(shuō)明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、靈敏度高、數(shù)據(jù)傳輸丟包率低、性價(jià)比高，能較好地滿足溫室智能監(jiān)控的應(yīng)用需求。關(guān)鍵詞：溫室；智能網(wǎng)關(guān)；多網(wǎng)融合；安卓（）；定位；手機(jī)；智能監(jiān)控系統(tǒng)中圖分類號(hào)：； 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 文章編號(hào)：（）收稿日期：基金項(xiàng)目：國(guó)家火炬計(jì)劃（編號(hào)：）；中小企業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金中歐國(guó)際合作項(xiàng)目（編號(hào)：）。作者簡(jiǎn)介：牛萍娟（），女，河北石家莊人，博士，教授，主要從事新型半導(dǎo)體發(fā)光器件、驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)等研究。：。通信作者：程 崢（），男，河北唐山人，碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究。：。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，溫室環(huán)境監(jiān)控成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。溫室大棚作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的輔助手段，不僅可以改善溫室氣候、減少外界季變化和惡劣氣候?qū)厥掖笈飪?nèi)植物的影響，還可以調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境為植物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)日新月異，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也趨于廣泛，設(shè)備的控制方式逐漸脫離了傳統(tǒng)的人工控制，趨向于無(wú)線控制。溫室內(nèi)擁有眾多的智能設(shè)備，如電子顯示屏、各類傳感器、電燈開(kāi)關(guān)、門禁電磁鎖等，各設(shè)備之間的相互獨(dú)立，給溫室管理員帶來(lái)了極大的不便。多網(wǎng)融合的溫室監(jiān)控系統(tǒng)可以兼容各種網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備，對(duì)室內(nèi)各種設(shè)備進(jìn)行集中控制，并且具備無(wú)線網(wǎng)內(nèi)定位功能。本系統(tǒng)融合通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等技術(shù)為一體，集服務(wù)性、管理性于一體，溫室管理員能夠更便捷地通過(guò)手機(jī)控制溫室內(nèi)的各種設(shè)備，并掌握設(shè)備的使用狀況。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)由終端設(shè)備單元、智能網(wǎng)關(guān)單元、系統(tǒng)管理單元個(gè)部分組成。終端設(shè)備包括室內(nèi)照明設(shè)備、卷簾機(jī)、加熱器、智能傳感器等，它們通過(guò)、紅外、的接口向智能網(wǎng)關(guān)傳送環(huán)境信息或者接收各類指令，傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為室內(nèi)定位的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在室內(nèi)檢測(cè)盲點(diǎn)的位置。智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)上傳室內(nèi)環(huán)境信息，解析來(lái)自的控制信息，向各個(gè)終端設(shè)備發(fā)送控制指令，并與室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成星形網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)接口將室內(nèi)的環(huán)境信息、設(shè)備使用狀態(tài)通過(guò)上傳到溫室設(shè)備管理中心。系統(tǒng)管理單元包括安卓（）手機(jī)和室內(nèi)觸摸平板，它們運(yùn)行的均為基于平臺(tái)的上位機(jī)軟件，用戶可根據(jù)界面操控室內(nèi)各個(gè)設(shè)備，并獲得室內(nèi)的環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)方便快捷的管理功能。整個(gè)系統(tǒng)如圖所示。 指紋庫(kù)定位方法及其改進(jìn) 指紋庫(kù)定位方法在個(gè)擁有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)里，所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置都是已知的。盲點(diǎn)信息須要獲取大量的已知節(jié)點(diǎn)和盲點(diǎn)與其之間的信號(hào)強(qiáng)度（），并根據(jù)特定的測(cè)距公式和定位算法綜合估算出盲點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息。定位過(guò)程主要有個(gè)部分，即測(cè)距、定位、修正。指紋庫(kù)定位方法過(guò)程如下：第步是建立離線定位系統(tǒng)的指紋庫(kù)，在定位區(qū)域內(nèi)劃分成若干個(gè)網(wǎng)格，每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)接收幾個(gè)固定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的值作為該點(diǎn)的指紋特征。第步為線上定位操作，采集該盲點(diǎn)在定位區(qū)域內(nèi)接收各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的值。然后將采集的實(shí)際坐標(biāo)與指紋庫(kù)內(nèi)的坐標(biāo)作對(duì)比，找到個(gè)與指紋庫(kù)最接近的定位點(diǎn)。 改進(jìn)的指紋庫(kù)定位方法指紋庫(kù)定位方法雖然在一定程度上大大地提高了定位精度，但是定位的穩(wěn)定性和可靠性仍然有明顯的不足。定位環(huán)節(jié)主要有個(gè)點(diǎn)須要改進(jìn)：首先，在室內(nèi)，由于存在非視距、多重干擾，盲點(diǎn)接收來(lái)自信標(biāo)點(diǎn)的值可能不準(zhǔn)確。若想提高定位的準(zhǔn)確性，在建立指紋庫(kù)的過(guò)程中必須對(duì)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的信號(hào)作濾波處理。只有建立一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的指紋庫(kù)，才可以使后期的在線定位具有可靠性。指紋庫(kù)建立過(guò)程中存在多種噪聲干擾，因此在建立庫(kù)的過(guò)程中加入卡爾曼濾波算法江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第卷第期網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2019-07-29 08:55:44網(wǎng)絡(luò)出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/32.1214.S.20190729.0855.113.html消除噪聲，從而提高系統(tǒng)的定位精度。其次，在線定位階段，在將測(cè)得的盲點(diǎn)的值與指紋庫(kù)的值作對(duì)比這個(gè)過(guò)程中加入貝葉斯定位算法，根據(jù)試驗(yàn)可得定位誤差大大減少。 試驗(yàn)以及性能分析筆者采用個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，分別對(duì)指紋庫(kù)建立階段進(jìn)行卡爾曼濾波操作和不進(jìn)行處理，以及在在線定位階段采取貝葉斯定位算法和最鄰近定位算法進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果（表）表明，在指紋庫(kù)建立階段加入卡爾曼濾波算法和貝葉斯定位算法可以有效地減小定位誤差，提高系統(tǒng)的整體定位精度。使用卡爾曼濾波和貝葉斯定位算法的平均偏差為，而建立指紋庫(kù)的過(guò)程不采取任何措施、定位方法為最鄰近算法的平均偏差為，誤差極大。由此可以看出，改進(jìn)的指紋庫(kù)定位方法效果改善明顯，具有實(shí)際的推廣意義。表 種處理方法定位結(jié)果的比較處理辦法定位算法最大偏差（）最小偏差（）平均偏差（）不處理 鄰近算法不處理 貝葉斯法卡爾曼濾波鄰近算法卡爾曼濾波貝葉斯法 硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件由傳感器模塊、通信模塊、智能網(wǎng)關(guān)模塊、電源模塊組成。傳感器模塊采集的環(huán)境信息包含室內(nèi)溫濕度、光照度、濃度、土壤溫濕度等。模塊分為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)種，終端節(jié)點(diǎn)留有傳感器接口，負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息，并且作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)盲點(diǎn)的值，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總轉(zhuǎn)發(fā)。智能網(wǎng)關(guān)模塊采用的是基于的內(nèi)核的，搭載系統(tǒng)，包含模塊、射頻發(fā)射模塊、紅外信號(hào)發(fā)射模塊、紅外接收模塊、協(xié)調(diào)器模塊。電源模塊分為部分：傳感器結(jié)點(diǎn)模塊和智能網(wǎng)關(guān)模塊，傳感器結(jié)點(diǎn)模塊采用和干電池供電種模式，智能網(wǎng)關(guān)采用電源和供電種方案，供電均為調(diào)試備用供電。 通信模塊通信模塊分為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。本次選用的是的芯片，該芯片是一個(gè)集成的射頻模塊和內(nèi)核的微控制器，具備的和的，開(kāi)發(fā)工具為編譯器。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖所示，各個(gè)模塊電路有機(jī)地組成了一個(gè)整體發(fā)揮作用。作為一個(gè)集成協(xié)議棧的微控制器，通過(guò)接口采集傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)射頻電路將信號(hào)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。該設(shè)備同時(shí)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)配合增益天線檢測(cè)盲點(diǎn)的值，在的內(nèi)核中植入定位算法，確定盲點(diǎn)的位置。 智能網(wǎng)關(guān)模塊智能網(wǎng)關(guān)是以基于的內(nèi)核的為核心。該芯片的為、為江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第卷第期，擁有個(gè)基本定時(shí)器、個(gè)通用定時(shí)器、路（共個(gè)通道）、個(gè)、個(gè)接口、個(gè)串口、個(gè)接口、個(gè)接口、個(gè)位的和個(gè)接口。芯片主頻可達(dá)，指令周期為微秒級(jí)別，處理速度塊。支持的在線仿真調(diào)試。芯片外設(shè)與集成度高，性能穩(wěn)定，因此選擇此款芯片作為智能網(wǎng)關(guān)的。智能網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖所示，此處的作為協(xié)調(diào)器與進(jìn)行串口通信，采集傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的環(huán)境變量以及盲節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度。射頻電路采用上海漢楓電子科技有限公司的工業(yè)通信解決方案。為一個(gè)集成的模塊，內(nèi)部的集成了協(xié)議，自帶通信固件，與進(jìn)行串口通信。紅外驅(qū)動(dòng)電路由紅外接收管、紅外發(fā)射管、信號(hào)放大電路等組成。根據(jù)紅外通信相關(guān)協(xié)議，軟件編碼解碼并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路收集和發(fā)送紅外信息。的接口電路由集成的編碼解碼電路、外部接收和發(fā)送天線電路組成。 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由下位機(jī)程序和上位機(jī)程序部分組成。下位機(jī)程序主要包含各傳感器節(jié)點(diǎn)的程序和智能網(wǎng)關(guān)的程序，各傳感器節(jié)點(diǎn)的程序采用針對(duì)的編程實(shí)現(xiàn)，智能網(wǎng)關(guān)的程序采用搭載的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)程序主要是基于的人機(jī)交互界面，采用進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有良好的可遷移性和可擴(kuò)展性。 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)傳感器終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖所示。本系統(tǒng)中共設(shè)置個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)，它們承擔(dān)著采集環(huán)境變量（溫濕度、光照度、濃度、土壤溫濕度）、組網(wǎng)、采集盲點(diǎn)、整理數(shù)據(jù)包并根據(jù)協(xié)議上傳至協(xié)調(diào)器幾大任務(wù)。作為終端節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)后就進(jìn)入待命狀態(tài)，在待命狀態(tài)下，除值獲取，所有傳感器停止執(zhí)行采集任務(wù)，利用定時(shí)中斷調(diào)用（），定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為，將采集到的盲點(diǎn)進(jìn)行次去極值均值濾波，再調(diào)用（）將盲點(diǎn)的進(jìn)行卡爾曼濾波。傳感器節(jié)點(diǎn)接收到智能網(wǎng)關(guān)指令時(shí)觸發(fā)事件，此事件中包含傳感器數(shù)值讀取函數(shù)、協(xié)議打包函數(shù)、串口發(fā)送緩存函數(shù)。最后調(diào)用（）向智能網(wǎng)關(guān)上傳環(huán)境變量信息、設(shè)備序列號(hào)、盲點(diǎn)等。在空閑時(shí)刻，為了保障各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和信道連接穩(wěn)定，須要互相發(fā)送空閑心跳包。在上傳數(shù)據(jù)之前還須對(duì)節(jié)點(diǎn)上的各個(gè)硬件模塊電路進(jìn)行檢測(cè)，如有故障、供電不足、傳感器數(shù)據(jù)失真等故障須要上傳對(duì)應(yīng)的故障碼給智能網(wǎng)關(guān)。 智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)智能網(wǎng)關(guān)軟件流程圖如圖所示。首先初始化系統(tǒng)外設(shè)接口，然后構(gòu)建系統(tǒng)，設(shè)計(jì)初始任務(wù)。初始任務(wù)中創(chuàng)建了各個(gè)等待任務(wù)，主要根據(jù)客戶端指令執(zhí)行設(shè)備控制等任務(wù)。這些任務(wù)在中作為一個(gè)并行的線程執(zhí)行。它們之間的信息通過(guò)信號(hào)量和郵箱互發(fā)信息，協(xié)調(diào)處理。整個(gè)過(guò)程構(gòu)成了多網(wǎng)融合的智能網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)。 客戶端軟件設(shè)計(jì)客戶端為多網(wǎng)融合的溫室監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，如圖所示，分別為登錄界面、控制模式界面、環(huán)境監(jiān)測(cè)界面、定位界面。登錄界面的作用為設(shè)定智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的和端口號(hào)，建立連接；控制模式界面是針對(duì)室內(nèi)的各個(gè)設(shè)備的操作界面；環(huán)境監(jiān)測(cè)界面顯示傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的環(huán)境信息；定位界面是顯示室內(nèi)盲點(diǎn)的坐標(biāo)信息。 系統(tǒng)測(cè)試 控制指令下發(fā)測(cè)試本次測(cè)試選取的地點(diǎn)是天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院植物照明實(shí)驗(yàn)室，以此來(lái)模擬溫室大棚的環(huán)境。在與智能網(wǎng)關(guān)建立連接的情況下，分別測(cè)試加熱器指令（紅外）、電燈指令（的）、卷簾機(jī)指令（紅外）、任意種組合指令、種組合指令、次，計(jì)算指令碼失效的次數(shù)，其中失效率為失效次數(shù)占測(cè)試次數(shù)的百分比。對(duì)于相同的紅外指令來(lái)看，加熱器指令的失效率比卷簾機(jī)的失效率要高，因?yàn)榧訜崞骷t外感應(yīng)的位置距離智能網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)。相比之下，電燈的失效率要低一些。組合指令的失效率也明顯高于單個(gè)指令的失效率，可能的原因?yàn)榻M合指令之間互相有干擾。江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第卷第期 組網(wǎng)通信測(cè)試多網(wǎng)融合的智能網(wǎng)關(guān)布置在室內(nèi)的中央，個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)布置在室內(nèi)的個(gè)角落，如圖所示，主要測(cè)試不同設(shè)備在不同距離的丟包率和誤包率，測(cè)試結(jié)果如表所示。隨著距離的增加，同一設(shè)備的丟包率和誤包率均有所增加，網(wǎng)絡(luò)趨向于不穩(wěn)定，但總體上滿足溫室大棚的應(yīng)用需求。 定位精度測(cè)試本次測(cè)試選取的環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)個(gè)的空間，該空間放置長(zhǎng)桌，個(gè)拐角為個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)?？臻g表 連接穩(wěn)定性測(cè)試類別設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備丟包率（）誤包率（）丟包率（）誤包率（）丟包率（）誤包率（）丟包率（）誤包率（）劃分為的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格間距，在網(wǎng)格點(diǎn)放置路由器，即盲點(diǎn)，在個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)中采樣個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。定位的坐標(biāo)以及實(shí)際位置分布圖如圖所示。小江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第卷第期櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄星星點(diǎn)為定位坐標(biāo)，黑色的小線段為定位坐標(biāo)與實(shí)際網(wǎng)格點(diǎn)的誤差距離。經(jīng)計(jì)算，選取的個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的平均定位距離為。因此可以判定該系統(tǒng)的定位精度為。 結(jié)語(yǔ)本研究立足于溫室大棚的應(yīng)用環(huán)境，不僅利用了多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)融合的技術(shù)，將溫室內(nèi)常用的設(shè)備集中管理，還將網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了具備室內(nèi)定位和采集環(huán)境信息雙重功能的節(jié)點(diǎn)，與智能網(wǎng)關(guān)結(jié)合共同構(gòu)成了無(wú)線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試證明，該系統(tǒng)丟包率低、穩(wěn)定性高，具有一定的使用價(jià)值，為未來(lái)溫室的建設(shè)提供了理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)：高 尚，陳景波智能溫室控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，（）：韓力英，楊宜菩，王 楊，等基于單片機(jī)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，（）：，廖建尚基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，（）：侯啟真，史秉鑫，劉衍帆基于的定位技術(shù)研究計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，（）：劉小康，郭 杭基于室內(nèi)定位系統(tǒng)的指紋庫(kù)優(yōu)化算法計(jì)算機(jī)工程，（）：安 雷，張國(guó)良，湯文俊基于的機(jī)器人室內(nèi)卡爾曼濾波定位算法研究計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，（）：羅 利，黃 平基于的室內(nèi)定位貝葉斯算法仿真分析產(chǎn)業(yè)與科技論壇，（）：宋文波，王 健基于多網(wǎng)融合技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，（）：高浩天，朱森林，常 歌，等基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)化研究，（）：武 征，花新峰基于的校園能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，（）：，雷嘵暉，呂曉蘭，李 雪，等噴桿噴霧機(jī)撥禾板固定支架優(yōu)化設(shè)計(jì)江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，（）：噴桿噴霧機(jī)撥禾板固定支架優(yōu)化設(shè)計(jì)雷嘵暉，呂曉蘭，李 雪，張美娜，顧 煬，（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，江蘇南京；南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京）摘要：噴桿噴霧機(jī)是目前普遍使用的一種大田植保機(jī)械，為了增加農(nóng)藥有效利用率和減少霧滴飄失，噴桿多加裝罩蓋裝置。針對(duì)噴桿噴霧機(jī)生產(chǎn)研發(fā)中出現(xiàn)的損壞問(wèn)題，以山東綠田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的罩蓋導(dǎo)流式噴霧機(jī)撥禾板固定支架為研究對(duì)象，利用有限元理論找出固定支架應(yīng)力集中部位，并在其原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在受損情況最為嚴(yán)重的大豆田中，拓?fù)鋬?yōu)化后固定支架最大應(yīng)力由原來(lái)的降至，降了，機(jī)械抗振性也有大幅度的增強(qiáng)。該結(jié)果為企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的撥禾板式噴桿噴霧機(jī)提供技術(shù)支持。關(guān)鍵詞：噴桿噴霧機(jī)；撥禾板；固定支架；拓?fù)鋬?yōu)化；應(yīng)力分析；數(shù)字模型；仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 文章編號(hào)：（）收稿日期：基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金編號(hào)：（）。作者簡(jiǎn)介：雷嘵暉（），男，河南焦作人，碩士，助理研究員，主要從事植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究。：（）；：。通信作者：呂曉蘭，博士，研究員，主要從事植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究。：（）；：。田間施藥是大田作物種植管理中最重要的環(huán)節(jié)，可有效地預(yù)防田間作物病蟲(chóng)草害的發(fā)生。目前國(guó)內(nèi)大田施藥機(jī)械主要有種：一種是以無(wú)線遙控多旋翼飛行器為載體的航空植保機(jī)械，一種是高地隙噴桿噴霧機(jī)。航空植保機(jī)械多適用于山區(qū)丘陵地區(qū)，以作業(yè)速度快、地形適應(yīng)性強(qiáng)為特點(diǎn)，缺點(diǎn)是農(nóng)藥?kù)F滴易飄失、價(jià)格高昂且載藥量少。高地隙噴桿噴霧機(jī)以平原作業(yè)為主，高地隙底盤設(shè)計(jì)可有效減少機(jī)具作業(yè)過(guò)程中對(duì)作物的碾壓傷害，為提高農(nóng)藥的有效利用率及減少農(nóng)藥?kù)F滴的飄失，噴霧機(jī)噴桿多加裝風(fēng)幕裝置和罩蓋裝置。撥禾板導(dǎo)流式噴霧屬于罩蓋噴霧，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較風(fēng)幕式噴霧價(jià)格便宜、可減少霧滴飄失的噴霧方法。它對(duì)高稈和低矮作物都適用。當(dāng)裝載撥禾板的噴霧機(jī)作業(yè)于低矮作物時(shí)，撥禾板底端緊貼作物頂部，傾斜噴出的農(nóng)藥藥液會(huì)穿透作物冠層；當(dāng)機(jī)具作業(yè)于高稈作物時(shí)，撥禾板可以撥開(kāi)作物冠層，減少上部冠層對(duì)農(nóng)藥藥液的攔截，使藥液直接噴施于冠層下部。文獻(xiàn)對(duì)撥禾板的安裝傾角及寬度都有詳細(xì)的定義，山東綠田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司參考文獻(xiàn)研發(fā)設(shè)計(jì)一款撥禾板式噴桿噴霧機(jī)，但撥禾板與噴桿之間的固定支架作業(yè)時(shí)強(qiáng)度效果欠佳。本研究以山東綠田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)的撥禾板固定支架為研究對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化理論對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 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