基于機器人的溫室大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)

劉艷昌　孫華　吳紀紅

摘要：針對溫室大棚有線監(jiān)控系統(tǒng)存在布線困難、勞動力成本高和無線監(jiān)測點移動性差等問題，設計一種以機器人為移動監(jiān)測點，以Kingview 655軟件為上位機開發(fā)平臺的溫室大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用現(xiàn)場可編程門陣列（（field-programmable gate array，簡稱FPGA）控制板作為采集控制終端，結(jié)合多路傳感器實現(xiàn)對機器人的行走控制和各環(huán)境參數(shù)的實時采集、處理、顯示、存儲及監(jiān)測報警等功能，并通過APC220無線模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳給上位機，上位機根據(jù)用戶設定參數(shù)范圍值，通過APC220無線模塊發(fā)送相關(guān)設備的啟/?？刂泼睿瑢崿F(xiàn)環(huán)境參數(shù)的遠程控制。同時，管理人員也可以借助通用分組無線服務（general packet radio service，簡稱GPRS）模塊和手機終端，實現(xiàn)查詢環(huán)境參數(shù)和控制設備等功能。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、采集精度高、易于控制、成本低廉等優(yōu)點，能滿足溫室大棚監(jiān)控的智能化需求。

關(guān)鍵詞：機器人；現(xiàn)場可編程門陣列；溫室監(jiān)控；通用分組無線服務；組態(tài)技術(shù)；手機終端；智能化

中圖分類號： TP273+5文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2017）16-0214-05

[HJ14mm]

收稿日期：2016-04-13

基金項目：河南省科技攻關(guān)計劃（編號：132102310030）；河南省高等學校重點科研項目（編號：15A413014、16A510017）；河南科技學院大學生創(chuàng)新訓練項目（編號：2015CX062）。

作者簡介：劉艷昌（1979—），男，河南鶴壁人，碩士，講師，主要從事智能控制與信息檢測技術(shù)研究。E-mail：523401923@qqcom。

通信作者：李國厚，博士，教授，主要從事計算機控制、無損檢測、信號處理技術(shù)研究。E-mail：527636704@qqcom。[HJ]

隨著計算機、電子、人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對反季節(jié)蔬菜、水果、花卉等農(nóng)產(chǎn)品提出了更高的要求，并且隨著農(nóng)業(yè)低效高耗的增長方式的轉(zhuǎn)變，對生產(chǎn)溫室的需求逐年上升[1-2]。但隨著社會的不斷進步，勞動力成本的不斷上升，這就要求轉(zhuǎn)變溫室的生產(chǎn)和管理模式，積極引導傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向智能化、科技化、信息化方向發(fā)展，提高傳統(tǒng)溫室產(chǎn)業(yè)的科技含量[3]，而溫室機器人的應用改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動方式，克服了傳統(tǒng)溫室大棚有線監(jiān)控系統(tǒng)存在布線困難、生產(chǎn)勞動力不足、水資源浪費、無線監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測點多、移植性差、成本高等問題。因此，筆者設計開發(fā)一套以機器人為移動終端，以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）控制器、傳感器、無線傳輸模塊和執(zhí)行機構(gòu)為硬件核心，以Kingview 655軟件為開發(fā)平臺的機器人溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1溫室大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)主要由移動機器人平臺、執(zhí)行機構(gòu)平臺和人機交互平臺組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)以移動機器人為監(jiān)測點，具有手動和自動2種控制方式。在手動控制方式下，工作人員可以通過紅外遙控器、現(xiàn)場觸摸屏、手機短信或監(jiān)控室個人計算機（personal computer，簡稱PC）的手動控制畫面上相關(guān)操作按鍵對機器人行走和現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)進行啟/停控制，進而改變溫室環(huán)境參數(shù)，達到滿足植物最佳的生長條件。在自動控制方式下，采用安裝在車載上的避障傳感器（攝像頭、超聲波、紅外、接觸傳感器）獲取溫室內(nèi)障礙物信息，經(jīng)FPGA控制器對獲得的障礙物信息進行分析判斷后，根據(jù)避障控制策略和算法作出相應的避障決策，從而實現(xiàn)機器人的行走避障功能，同時無線模塊ACP220將獲得的障礙物信息發(fā)送給PC，以便用戶操作和查詢；采用安裝在車載上的溫室環(huán)境檢測傳感器（溫濕度、光照、二氧化碳傳感器）獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)值， 并將獲得的參數(shù)信息通過無線模塊ACP220發(fā)送給PC，PC將接收到的參數(shù)值與管理技術(shù)人員預先設定的植物最佳生長環(huán)境參數(shù)范圍進行比較，若在設定范圍內(nèi)，則執(zhí)行各機構(gòu)維持當前狀態(tài)，若有參數(shù)在設定范圍之外，則發(fā)出相關(guān)超限報警信號，同時PC通過帶串口APC220無線傳輸模塊將相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)的啟/停控制指令傳給執(zhí)行機構(gòu)平臺中的FPGA控制器來實現(xiàn)溫室環(huán)境的智能控制。

11溫室大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

111控制器

該系統(tǒng)FPGA控制器采用杭州康芯電子有限公司推出的KX2C5F+型開發(fā)板，核心芯片為EP2C5T144，具有內(nèi)部各功能模塊相互獨立、引腳豐富、編程靈活、并行處理數(shù)據(jù)快、易于設計電路擴展等優(yōu)點。

112環(huán)境采集電路設計

該系統(tǒng)主要對大棚溫室內(nèi)溫濕度、CO2濃度和光照度進行實時采集。其中，溫濕度傳感器采用1-Wire總線接口、數(shù)字輸出溫度和濕度集為一體的DHT11傳感器；光照度傳感器采用兩線式串行總線接口、數(shù)字信號輸出的GY-30型檢測模塊傳感器；CO2濃度傳感器采用紅外MH-Z14型傳感器，數(shù)據(jù)傳輸采用UART通信協(xié)議，為使發(fā)送和接收采集數(shù)據(jù)線閑置時狀態(tài)為高電平，通信線上須外接51 kΩ的上拉電阻[4]。環(huán)境采集電路框架如圖2所示。

113移動機器人終端控制電路設計

為提高機器人在溫室內(nèi)的移動靈活性、快速性、穩(wěn)定性，移動機器人采用前后2個萬向輪和左右2個驅(qū)動輪的四輪輪式結(jié)構(gòu)。在機器人的左右2個輪上分別安裝2個獨立的驅(qū)動電機，通過控制左右輪的速度差來實現(xiàn)車體轉(zhuǎn)向，通過改變步進電機的輸入脈沖頻率控制調(diào)速，實現(xiàn)機器人的前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退以及調(diào)頭等功能。采用避障傳感器來獲取機器人周邊的障礙物信息，其中安裝在機器人前端的1路超聲波傳感器KS109和左右兩側(cè)各安裝3路等間距的紅外傳感器RPR220用來獲取機器人前方障礙物距離和兩側(cè)障礙物的方位信息，以便于實現(xiàn)路徑的合理規(guī)劃；安裝在機器人左前、左后、右前和右后方4路接觸傳感器OTH8084將獲取任一個方向上的碰撞信息反饋到

FPGA[CM（235]控制器，以便作出避障決策；安裝在機器人上的APC220-43無線模塊將檢測溫室環(huán)境參數(shù)和障礙物信息發(fā)送到監(jiān)控室PC上，以便于技術(shù)人員查閱環(huán)境信息以及對現(xiàn)場設備啟/停和機器人行走控制。為增強FPGA控制器輸出端的驅(qū)動能力，在現(xiàn)場FPGA控制器的輸出端接74HC06芯片；為避免驅(qū)動電路對FPGA控制器輸出信號的干擾，在FPGA控制器與電機驅(qū)動電路LN298N之間加入光電耦合器TLP521[5-6]；為消除電機在啟停、制動及換向時產(chǎn)生的反電動勢對電機的損壞，在驅(qū)動電路L298N和電機之間串入4個（D1～D4）高速大電流肖特基二極管；為改變驅(qū)動輪電機的調(diào)速控制，可以改變FPGA控制器引腳Pin_137輸出的PWM脈沖占空比來實現(xiàn)。機器人移動終端控制電路如圖3所示。

114驅(qū)動電路

執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路如圖4所示。光耦TLP521能夠有效抑制繼電器觸點通斷時線圈兩端產(chǎn)生的較大感應電動勢對FPGA控制器的輸出信號干擾；續(xù)流二極管IN4007為JQC-3FF-S-HZ繼電器斷電時提供釋放回路，避免反向電動勢過高擊穿驅(qū)動三極管Q1[8]；為延長繼電器觸

點壽命在其兩端并聯(lián)由R14和C2構(gòu)成阻容電路，同時串入保險絲F1防止電流過大燒壞執(zhí)行設備和觸點[9]。

12溫室大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

121下位機軟件設計

利用Quartus Ⅱ 90軟件開發(fā)平臺和verilog HDL編程語言實現(xiàn)避障傳感器、環(huán)境檢測傳感器、APC220-43無線傳輸模塊和各執(zhí)行設備控制的模塊化編程。溫室控制系統(tǒng)流程如圖5所示。

122上位機軟件設計

溫室環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖6所示。上位機監(jiān)控室PC采用Kingview 655組態(tài)軟件實現(xiàn)對上位機監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)分析的設計，該監(jiān)控畫面能準確實時顯示采集到的溫室環(huán)境參數(shù)值和執(zhí)行機構(gòu)的運行狀況，當參數(shù)值不在設定范圍，則對應報警指示燈閃爍，并將相關(guān)設備的啟/?？刂浦噶钔ㄟ^APC220-43發(fā)送至下位機，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境的自動控制（圖6）。同時，管理人員也可在手動或自動控制模式下實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)設置，具有查詢實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等功能。

溫室機器人移動終端監(jiān)控界面如圖7所示。管理人員結(jié)合監(jiān)控室PC上組態(tài)軟件和視頻監(jiān)控，通過點擊機器人控制界面相關(guān)按鈕或在現(xiàn)場借助紅外遙控器相關(guān)按鍵，實現(xiàn)機器人的自動和手動運行控制功能。當現(xiàn)場控制狀態(tài)為0時，上位機可以控制機器人的運行狀態(tài)，而現(xiàn)場遙控器不起作用；反之，當現(xiàn)場控制狀態(tài)為1時，現(xiàn)場遙控器可以控制機器人的運行狀態(tài)，而上位機機器人控制界面不起作用。

除在監(jiān)控室和現(xiàn)場對溫室環(huán)境參數(shù)實時檢測和執(zhí)行機構(gòu)啟/停控制外，管理人員也可借助GPRS模塊、移動網(wǎng)絡和手機終端實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)進行數(shù)據(jù)查詢、范圍設定、執(zhí)行設備控制等功能。當用戶通過手機向PC連接的GPRS模塊DTP_S09發(fā)送“環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)查詢”指令后，即可收到當前環(huán)境參數(shù)值，如圖8短信發(fā)送和接收信息界面中“發(fā)信內(nèi)容”所示[CM（25]。 管理人員也可發(fā)送“濕簾水泵啟/停”等執(zhí)行設備控制指令來實現(xiàn)溫室環(huán)境的遠程監(jiān)控等功能，同時管理人員也可通過選擇索引號刪除對應短信或點擊查詢?nèi)堪粹o在數(shù)據(jù)庫中查詢以前收到的短信時間和內(nèi)容。

2結(jié)果與分析

為驗證該系統(tǒng)的可行性、有效性、實用性，該系統(tǒng)以種植蝴蝶蘭中苗期為研究對象，在校產(chǎn)學研花卉溫室種植基地進行測試。

從表1可知，白天（08：00—19：00）溫度變化范圍為 250～300 ℃，平均值為274 ℃，波動范圍為-24～26 ℃；夜里（20：00至次日07：00）溫度變化范圍為183～228 ℃，平均值為201 ℃，波動范圍為-18～27 ℃；與蝴蝶蘭生長所需最佳白天溫度為27 ℃、夜間溫度為20 ℃相比，上下波動較小，且晝夜溫差保持在5～8 ℃之間，有利于蝴蝶蘭所需養(yǎng)分的積累、健壯生長和葉色純正；24 h內(nèi)空氣相對濕度變化范圍為652%～750%，平均相對濕度為705%，波動范圍在-53%～45%之間，能自動維持溫室內(nèi)空氣相對濕度在65%～75%之間，有利于蝴蝶蘭植株生長、保持葉面水分、防止病害發(fā)生等；24 h內(nèi)溫室CO2濃度控制在 8136～1 8606 mg/m3之間，且CO2平均濃度為1 4022 mg/m3，有利于促進蝴蝶蘭光合作用，提高產(chǎn)量和增加抗病性能；24 h內(nèi)溫室光照度控制在10 042～20 000 lx之間，平均光照度為15 5484 lx，與蝴蝶蘭中苗（待緩苗）生長發(fā)育最適宜的光照度 15 000 lx 處相比，上下波動較小，光照度比較穩(wěn)定，有利于蝴蝶蘭獲取充足養(yǎng)分、生根和葉片生長。

3結(jié)論

針對溫室環(huán)境參數(shù)較難控制、勞動強度高和養(yǎng)殖員工對高溫高濕環(huán)境不適應等問題，設計開發(fā)一種以機器人為移動監(jiān)測點，以組態(tài)軟件為上位機開發(fā)平臺的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過移動機器人、執(zhí)行機構(gòu)和人機交互三大平臺，結(jié)合路徑規(guī)劃、避障、多傳感器融合和環(huán)境參數(shù)超限4種算法實現(xiàn)機器人合理行走、數(shù)據(jù)處理、傳輸和現(xiàn)場設備遠程控制等功能，有效提高了溫室環(huán)境監(jiān)控的智能化、信息化管理水平。同時，管理人員也可以借助上位機數(shù)據(jù)庫或手機終端隨時查詢不同季節(jié)、不同品種、不同階段植物的生長特點和管理規(guī)律，為種植戶來年獲得更高的經(jīng)濟效益提供科學依據(jù)。經(jīng)該河南科技學院產(chǎn)學研花卉溫室種植實驗基地實測結(jié)果表明，智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有工作性能穩(wěn)定可靠、采集數(shù)據(jù)

實時性、準確性好、操作簡單、抗干擾能力強、成本低等特點，相比以往種植蝴蝶蘭產(chǎn)量提高23%、能源成本節(jié)約10%、死亡率降低15%、人力成本節(jié)約70%，證實了該系統(tǒng)的可行性和實用性，避免了人工操作的主觀性和隨意性，在農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域具有較高的推廣應用價值。

[HS25]參考文獻：[HJ187mm]

張衛(wèi)東 我國溫室發(fā)展的現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J] 科技信息，2013（10）：439

胡剛毅，榮劍，岳曉光 基于FPGA的農(nóng)林業(yè)環(huán)境監(jiān)測機器人系統(tǒng)設計[J] 農(nóng)機化研究，2013（7）：124-126

[3]賈士偉，李軍民，邱權(quán)，等 溫室自動化與機器人的應用[J] 北方園藝，2015（14）：194-196

[4]溫竹，李士軍，張文軍，等 基于JN5148的溫室CO2濃度監(jiān)測系統(tǒng)[J] 中國農(nóng)機化學報，2014，35（2）：259-262

[5]李運國 基于FPGA的兩輪機器人運動控制系統(tǒng)設計[D] 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013

[6]于笑凡 基于FPGA的中央空調(diào)管道清洗機器人設計[J] 儀表技術(shù)，2011（11）：37-39

[7]錢思 清潔機器人系統(tǒng)設計與智能避障問題的研究[D] 武漢：華中科技大學，2009

[8]仲會娟 基于FPGA的太陽能熱水器全功能控制器的研究[D] 天津：河北工業(yè)大學，2012

[9]潘書俊，賈蘭英，李麗花，等 基于nRF905的雞舍溫濕度采集系統(tǒng)[J] 農(nóng)機化研究，2012（6）：173-175，214