植物多功能自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

洪耀球

摘要：為解決傳統(tǒng)溫室大棚需要人力資源過(guò)多，現(xiàn)有智能溫棚系統(tǒng)管理精細(xì)程度不夠，不能完全取代人工，實(shí)現(xiàn)植物種植培育過(guò)程中的精細(xì)化智能管理等問(wèn)題，研究了一個(gè)植物多功能自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)由機(jī)器園丁端、溫棚環(huán)境監(jiān)控端、服務(wù)器端構(gòu)成。使用溫濕度傳感器、光照度傳感器、色彩傳感器、紅外避障傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫棚內(nèi)植物生長(zhǎng)環(huán)境、條件的自動(dòng)監(jiān)控，查找生長(zhǎng)異常的植物，并進(jìn)行補(bǔ)水、噴藥等處理，同時(shí)具備機(jī)器園丁自動(dòng)加水、加藥，自動(dòng)尋光充電等功能。系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊完成數(shù)據(jù)傳遞，應(yīng)用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信息，并可通過(guò)本地、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：精細(xì)化管理;機(jī)器人;環(huán)境監(jiān)控;自動(dòng)補(bǔ)給

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）11-0034-03

1背景

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展十分迅速，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的農(nóng)作物生產(chǎn)方式，由于它們自身的缺點(diǎn)，無(wú)法改善種植效率，逐步被歷史淘汰，人們?cè)噲D找到完全解放人力資源，更加高效的農(nóng)作物生產(chǎn)方式。隨著農(nóng)業(yè)信息水平的不斷提高，以及物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，人們開(kāi)始利用信息技術(shù)來(lái)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，智能溫棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域不斷得到應(yīng)用，構(gòu)成了我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主力軍。

目前，市場(chǎng)上的智能大棚改良了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植方法，節(jié)約了部分勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；芾砗妥魑锏闹悄芑夹g(shù)監(jiān)測(cè)。但是，現(xiàn)有的智能大棚只能對(duì)植物的生長(zhǎng)進(jìn)行大規(guī)模、粗放式的監(jiān)測(cè)，不能對(duì)個(gè)別植物的缺水、病蟲(chóng)害、果實(shí)成熟程度等進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)者也不能通過(guò)諸如智能手機(jī)之類的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，還不能完全取代人工作用。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套植物多功能自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)，不僅繼承了傳統(tǒng)智能大棚的監(jiān)控、調(diào)整、實(shí)時(shí)信息反饋等優(yōu)勢(shì)，還專門(mén)開(kāi)發(fā)了機(jī)器園丁，按照特定路線，對(duì)植物個(gè)體進(jìn)行生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)，對(duì)生長(zhǎng)異常的植物及時(shí)補(bǔ)充水分、噴灑農(nóng)藥，并自動(dòng)進(jìn)行水、藥、電力補(bǔ)給，完全模仿真實(shí)生產(chǎn)者的工作行為，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)控制。

2系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由機(jī)器園丁端、溫棚環(huán)境監(jiān)控端、服務(wù)器端三部分組成，三部分均使用EasyARM1138開(kāi)發(fā)板外接相應(yīng)模塊進(jìn)行通信和控制，主要包含溫濕度環(huán)境監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害、成熟度植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、機(jī)器人澆水噴藥、自動(dòng)加水加藥充電補(bǔ)給、無(wú)線通信等17個(gè)基本模塊，共同完成農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、生長(zhǎng)異常狀況檢測(cè)處理、機(jī)器園丁自身操控、溫棚監(jiān)控信息反饋等功能，具體架構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

3溫棚環(huán)境監(jiān)控端

溫棚環(huán)境監(jiān)控端通過(guò)環(huán)境溫濕度檢測(cè)模塊采集土壤和環(huán)境溫度濕度信息，并經(jīng)過(guò)EasyARM 1138進(jìn)行先期處理后，再利用NRF無(wú)線傳感器模塊將有關(guān)信息發(fā)送到機(jī)器園丁控制端，以控制機(jī)器園丁進(jìn)行各種監(jiān)控和異常處理工作;液晶屏顯示溫棚溫度和濕度信息;攝像頭可以遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。所有信息將實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器端進(jìn)行統(tǒng)一處理。溫棚環(huán)境監(jiān)控端子系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

4機(jī)器園丁控制端

機(jī)器園丁接收來(lái)自溫棚環(huán)境監(jiān)視終端的信息和來(lái)自服務(wù)器的信息，經(jīng)由黑白線檢測(cè)傳感器進(jìn)行跟蹤，按照設(shè)定的路徑在溫棚內(nèi)移動(dòng)，監(jiān)視并檢測(cè)農(nóng)作物的成長(zhǎng)環(huán)境。通過(guò)溫濕度傳感器、色彩傳感器實(shí)時(shí)掌握果實(shí)成熟程度和害蟲(chóng)情況，根據(jù)實(shí)際需要灌溉，完成噴灑農(nóng)藥等工作。檢測(cè)和操作信息首先由EasyARM 1138處理，然后通過(guò)無(wú)線傳感器模塊和虛擬串行端口傳遞到服務(wù)器。當(dāng)機(jī)器人缺少水和藥物時(shí)，它會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充，并重新回到水和藥物斷點(diǎn)繼續(xù)操作。當(dāng)電力不足時(shí)，可以自動(dòng)檢測(cè)足夠的光源，并且可以使用太陽(yáng)能電池面板充電。如果沒(méi)有足夠的光源，則警告自動(dòng)被反饋給服務(wù)器和用戶的智能手機(jī)。然后它自動(dòng)返回出發(fā)點(diǎn)，等待用戶的手動(dòng)充電。圖3為機(jī)器園丁控制端硬件框圖。

5傳感器模塊

系統(tǒng)使用環(huán)境溫濕度傳感器、環(huán)境光線傳感器、色彩傳感器、壓力傳感器、黑白線傳感器、紅外避障傳感器等來(lái)實(shí)現(xiàn)植物種植培育過(guò)程中數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、動(dòng)作執(zhí)行、信息傳遞等動(dòng)態(tài)管理工作。

5.1黑白線傳感器

采用TK-20黑白線檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)進(jìn)行軌道檢測(cè)，使機(jī)器人按照設(shè)定好的路線移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)方式：在機(jī)器人的移動(dòng)路線中間設(shè)置3 cm的黑線，指引機(jī)器人按照正確的路線移動(dòng)及操作，避免機(jī)器人出現(xiàn)比較大的路線偏移。機(jī)器人的本體采用無(wú)舵機(jī)雙驅(qū)動(dòng)器履帶車(chē)。在履帶車(chē)中間間隔3厘米安裝兩個(gè)TK-20黑白線檢測(cè)傳感器。以履帶車(chē)視角為基準(zhǔn)，左邊傳感器是TK（左），右邊傳感器是TK（右）。具體尋跡方式如表1所示。

5.2紅外避障傳感器

為了能讓機(jī)器人停留在正確的位置，系統(tǒng)使用了E18-D80NK紅外線避障傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)農(nóng)作物位置。

實(shí)現(xiàn)方式：在履帶車(chē)體的兩側(cè)，分別安裝2個(gè)傳感器，以履帶車(chē)視角為基準(zhǔn)，左側(cè)傳感器是E18（左），左側(cè)傳感器是E18（右）。利用紅外避障傳感器上的電位調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整適當(dāng)?shù)臋z測(cè)距離。只要檢測(cè)到農(nóng)作物與傳感器之間的距離在指定的距離范圍內(nèi)時(shí)，則判定有農(nóng)作物，機(jī)器人停留、操作。并且機(jī)器人每次轉(zhuǎn)向后，都會(huì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)向側(cè)紅外避障傳感器，關(guān)閉另一個(gè)紅外避障傳感器，兩個(gè)傳感器交叉打開(kāi)關(guān)閉，以便使所有的植物都能被檢測(cè)到。具體判定方法如表2所示。

5.3色彩傳感器

使用TCS3200色彩傳感器，檢測(cè)病蟲(chóng)農(nóng)作物，識(shí)別成熟掛果作物。

TCS3200是通過(guò)將彩色光轉(zhuǎn)換成不同頻率，達(dá)到識(shí)別色彩目的。用于判別靜態(tài)物體顏色，不同顏色輸出不同頻率?？梢酝ㄟ^(guò)利用S2和S3的不同組合來(lái)選擇，共有紅、藍(lán)、綠、無(wú)信息等四種濾波器類型。如表3所示。

通過(guò)測(cè)量3個(gè)參數(shù)R、G、B的頻率值，可以識(shí)別當(dāng)前農(nóng)作物的顏色，綠色是正常的作物，黃色是病蟲(chóng)害的作物，紅色是有成熟掛果的作物。

5.4環(huán)境光線傳感器

DFR0026環(huán)境光線傳感器用于檢測(cè)周?chē)庹諒?qiáng)度，以此判斷是否有可用的光源為機(jī)器人充電。環(huán)境光線傳感器采用環(huán)境光電二極管，傳感器輸出電壓隨光照強(qiáng)度變化，光照越弱，輸出電壓越低，光照越強(qiáng)，輸出電壓越高。機(jī)器人會(huì)檢測(cè)光線傳感器輸出值，當(dāng)輸出電壓較高，達(dá)到充電需要的光照度，就啟用電力控制模塊的自我充電功能，通過(guò)安裝在機(jī)器人上的太陽(yáng)能電池面板給電池充電。如果不符合要求，則回到起點(diǎn)，向服務(wù)器及生產(chǎn)者移動(dòng)手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，等待手工充電操作。

5.5壓力傳感器

為判斷機(jī)器人附帶的水（藥）罐容量，系統(tǒng)使用FSR402電阻壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。檢測(cè)原理是將壓力傳感器置于水（藥）罐下，F(xiàn)SR傳感器會(huì)把施加到傳感器的膜區(qū)域的壓力轉(zhuǎn)換為電阻值，電阻輸出值因壓力而變化。水（藥）罐的剩余容量越高，壓力越高，電阻值越低，輸出值越小，反之亦然?？赏ㄟ^(guò)檢測(cè)電阻值大小判斷機(jī)器人是否缺水（藥），是否已經(jīng)補(bǔ)充完畢。

5.6NRF無(wú)線收發(fā)模塊

3個(gè)NRF24L01分別連接到機(jī)器園丁控制端、溫棚環(huán)境監(jiān)測(cè)端以及服務(wù)器端的EasyARM1138開(kāi)發(fā)板上，雙向傳輸信息，在系統(tǒng)的三個(gè)部分之間完成信息傳輸和相互控制。

溫棚環(huán)境監(jiān)控端通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊分別向服務(wù)器和機(jī)器人控制端發(fā)送監(jiān)控信息。在機(jī)器園丁根據(jù)信息執(zhí)行了對(duì)應(yīng)的工作之后，任務(wù)執(zhí)行情況信息再次由無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行反饋。服務(wù)器通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊控制整個(gè)系統(tǒng)。NRF24L01無(wú)線模塊數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖4所示。

6服務(wù)器端

服務(wù)器端使用無(wú)線傳感器模塊接收到實(shí)時(shí)信息后，經(jīng)由虛擬串行端口發(fā)送到Cortex A9平臺(tái)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，存儲(chǔ)在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，服務(wù)器端有觸摸式總控程序，生產(chǎn)者也可以通過(guò)服務(wù)器控制整個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息給生產(chǎn)者的手機(jī)，生產(chǎn)者還可以通過(guò)智能手機(jī)人工控制機(jī)器園丁，以完成相應(yīng)的功能。

7結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試，植物多功能自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）具有精細(xì)化管理的特點(diǎn)，能對(duì)每一棵農(nóng)作物進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)控、護(hù)理操作，基本可以模仿真實(shí)工作人員農(nóng)作物作業(yè)。

2）自動(dòng)水藥供應(yīng)、自動(dòng)充電，條件不具備時(shí)，也可以人工操作。

3）系統(tǒng)中心采用模塊結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，有助于項(xiàng)目的階段性實(shí)現(xiàn)和功能進(jìn)一步的完善，且系統(tǒng)功能具有良好的可擴(kuò)充性。