一種新型農(nóng)作物智能巡檢小車的設(shè)計

王丹丹，楊 犇，馮付美，趙建周

（安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455000）

0 引言

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)種植上，農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)與種植環(huán)境條件密切相關(guān)。種植環(huán)境可準(zhǔn)確地為科學(xué)種植提供溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，這些參數(shù)的反饋對及時補(bǔ)充植物所需生長素供給，提高集成化種植，實(shí)現(xiàn)自動化管理和作物采摘提供有力的技術(shù)支持。

在農(nóng)業(yè)種植上管理及技術(shù)應(yīng)用方面，據(jù)參考文獻(xiàn)查閱與統(tǒng)計，目前研究較多、應(yīng)用最為廣泛的是有文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]所提的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳感器技術(shù)，但是此種方案需要對種植區(qū)域進(jìn)行鋪設(shè)電路、多個監(jiān)控設(shè)備定點(diǎn)安裝等，需要耗費(fèi)大量的人力物力，且定期保修和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)起來也不太方便[3]。針對以上存在的問題及弊端，并結(jié)合傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，本文設(shè)計出了一輛可廣泛用于各種大棚、果園、田間、溫室等多種農(nóng)作物種植區(qū)的導(dǎo)航智能小車，該小車自帶多類傳感器，可大幅降低監(jiān)控裝置的數(shù)量，且有效提高檢測效率；在田間施工方面，無需對種植區(qū)域進(jìn)行改造，從而有效控制成本。

1 智能小車的外觀及性能設(shè)計

1.1 方案一

在設(shè)計智能小車初期，初步設(shè)計方案如圖1所示。此方案為“二驅(qū)動一從動”式，即頭部為兩個連接直流無刷減速電機(jī)的驅(qū)動輪，尾部為一球形萬向輪，底板為厚度是1.5 cm的木板，智能小車尾部設(shè)計為塔疊式搭載方式，中部為兩塊12 V蓄電池串連而成[4]。設(shè)計完成后，在田間試驗(yàn)時，因配重過重和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等原因，導(dǎo)致驅(qū)動緩慢、越野效果不理想。

圖1 方案一設(shè)計方案

1.2 方案二

后期對方案一的設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，又大膽改進(jìn)將車頭兩輪采用麥克納姆輪，轉(zhuǎn)向靈活、迅速，同時也增高了底盤離地高度；采用厚度為5 mm的亞克力板作為底盤，與初期的木板相比，亞克力板輕、柔韌性好、結(jié)實(shí)；小車殼體部分首先采用3D建模，然后由3D打印制作，其它部分采用硬紙板加工而成，外粘防水迷彩貼紙，增加性能的同時兼具設(shè)計美觀度；驅(qū)動上采用4S航模鋰電池作為電源，搭載24 V直流加速電機(jī)和AQMD驅(qū)動板，提供給小車強(qiáng)大的動力支持，以適用于不同地形地勢。如圖2所示。

圖2 后期改進(jìn)方案

2 智能小車的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示[5]：

圖3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能小車總體分為三大系統(tǒng)：運(yùn)動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與無線收發(fā)系統(tǒng)及圖像傳輸系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動模塊，電源調(diào)制模塊、藍(lán)牙模塊組成。通過運(yùn)動控制系統(tǒng)接收到手機(jī)藍(lán)牙傳送的信號后，智能小車會做出相應(yīng)指令的動作反應(yīng)。信息采集系統(tǒng)與無線收發(fā)系統(tǒng)由GPS模塊、溫濕度傳感器模塊、WiFi模塊、顯示模塊組成，其中主控制器發(fā)出命令后，GPS進(jìn)行搜星工作，溫濕度模塊對農(nóng)作物生長環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行檢測，采集到的信息可反饋顯示在智能小車搭載的LCD屏上，并通過WiFi模塊可將溫濕度信息傳送至手機(jī)APP，同時通過服務(wù)器在手機(jī)或網(wǎng)頁也可以顯示小車的定位信息及行駛軌跡。圖像傳輸系統(tǒng)主要由TS832模塊、攝像頭模塊、雪花屏、內(nèi)存卡構(gòu)成，攝像頭采集到的農(nóng)作物圖像通過TS832發(fā)送傳輸至手持端雪花屏，并實(shí)時儲存在內(nèi)存卡中。

2.1 運(yùn)動控制系統(tǒng)

本設(shè)計采用兩個24V直流減速電機(jī)作為智能小車的動力支持，電機(jī)減速比為4.25，減速機(jī)長度為41.5 mm，每分鐘額定調(diào)速范圍105～830 rpm，額定輸出功率35 W。如圖4和圖5所示?；魻杺鞲衅鲗o刷直流電機(jī)進(jìn)行精確控制，將處理過的霍爾傳感器信號反饋給無刷直流電機(jī)驅(qū)動器，形成了速度、位置雙閉環(huán)控制，保證電機(jī)可實(shí)現(xiàn)急停、多級變速等操作。

圖4 無刷直流電機(jī)安裝示意圖

圖5 智能小車的動力系統(tǒng)示意圖

直流無刷電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停、加速等運(yùn)動動作采用的是PWM電機(jī)調(diào)速的方法進(jìn)行控制。HC-05藍(lán)牙模塊連接MCU上的串口，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動器接受到MCU發(fā)出的信號后，電機(jī)將會產(chǎn)生相應(yīng)動作。手機(jī)藍(lán)牙串口助手向藍(lán)牙模塊發(fā)出的指令主要有以下兩種：

2.1.1 圖傳避障，鍵盤操控

通過圖傳設(shè)備可實(shí)時直觀地反映小車行駛前方路況，操作者能連續(xù)操作藍(lán)牙手機(jī)鍵盤，發(fā)出左右轉(zhuǎn)向、急停、加速等動作指令，進(jìn)行規(guī)避路障和行駛驅(qū)動。

2.1.2 路徑預(yù)設(shè)，自主運(yùn)行

通過藍(lán)牙鍵盤可提前預(yù)設(shè)小車的多種路線方案，每個方案將智能小車行駛的方向、速率、延時時間、轉(zhuǎn)彎等一系列連續(xù)指令封裝到每個對應(yīng)按鍵下，從而每次做重復(fù)檢測時，只需操作對應(yīng)按鍵即可。

2.2 數(shù)據(jù)采集與無線收發(fā)系統(tǒng)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

智能小車在田間、大棚、果園等種植區(qū)域工作時，采集的數(shù)據(jù)為農(nóng)作物生長環(huán)境的實(shí)時溫度參數(shù)、濕度參數(shù)，還有實(shí)時的經(jīng)緯度定位信息、UTC時間、有效搜星數(shù)等。同時在智能小車工作前端，可設(shè)置溫濕度值報警，當(dāng)有效參數(shù)值超過預(yù)警值時，小車上蜂鳴器將會持續(xù)報警。溫濕度采集信息如圖6所示。

圖6 溫濕度前端及手機(jī)端顯示

2.2.2 無線收發(fā)

智能小車在前端采集到的數(shù)據(jù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)及者WiFi兩部分上傳到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示及路徑軌跡突出。其中，一類由溫度傳感器及濕度傳感器DHT11采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)通過ESP8266-WIFI模塊傳輸至手機(jī)端動態(tài)顯示；另一類是由GPSNEO-6M模塊采集到的經(jīng)緯度定位信息、UTC時間等數(shù)據(jù)，通過SIM800模塊發(fā)送至中國移動Onenet服務(wù)器[6-7]，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)頁端GPS路徑軌跡突出

2.3 圖像傳輸系統(tǒng)

圖像傳輸通訊模塊分為發(fā)送和接收兩部分。

發(fā)送部分指智能小車采集前端，由TS832發(fā)射機(jī)、800線高清攝像頭、4S鋰電池及降壓模塊組成。因?yàn)閱纹瑱C(jī)在采集信息及數(shù)據(jù)處理上已經(jīng)占用很大資源，故本設(shè)計采用獨(dú)特的方式—FPV（First Person View）圖傳形式，它與接收機(jī)組成獨(dú)立系統(tǒng)，大大解放資源，且處理能力更強(qiáng)；接收部分指手持設(shè)備端，由一體接收雪花屏和4S鋰電池組成。

3 智能小車的軟件設(shè)計和算法

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

電機(jī)驅(qū)動程序框圖如圖8所示。

圖8 電機(jī)驅(qū)動程序框圖

本設(shè)計運(yùn)用的軟件開發(fā)環(huán)境為MDK-5（又稱keil 5），MDK-5包含了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的keilC編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實(shí)時內(nèi)核等組件，且有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的ARM C/C++編譯工具鏈，完美支持Cortex-M、ARM7、ARM9系列器件，及其他品牌芯片，例如ST、Atmel、Freescale、NXP、TI等眾多大公司的微控制芯片。

3.2 智能小車軟件設(shè)計流程圖

軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

智能小車的軟件設(shè)計采用模塊化思想，由圖9可知，電源模塊供電，圖傳模塊開始工作，連接MCU的模塊按照程序進(jìn)行初始化；初始化正常跳出判斷指令，開始等待傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與處理，藍(lán)牙模塊按手機(jī)串口助手發(fā)出的指令，對AQMD電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出信號，從而電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)動作；當(dāng)藍(lán)牙模塊收到的指令執(zhí)行結(jié)束，跳出判斷，程序執(zhí)行結(jié)束。

3.3 電機(jī)驅(qū)動控制算法

圖10為驅(qū)動輪和從動輪分布圖。

圖10 驅(qū)動輪、從動輪分布

以下列舉已預(yù)設(shè)的鍵盤指令來說明控制算法，見表1。（說明：A和B為后驅(qū)動輪、C和D為前從動輪；PWM1和PWM2數(shù)值模擬電機(jī)速率）

表1 鍵盤控制指令說明

4 設(shè)計總結(jié)

本文設(shè)計了一款可用于田間、果園、溫室、大棚等種植區(qū)域的農(nóng)業(yè)信息服務(wù)智能巡檢小車，結(jié)合目前應(yīng)用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)，智能巡檢小車可檢測農(nóng)作物生物環(huán)境的溫濕度參數(shù)，并且通過WiFi-ESP8266模塊能在手機(jī)端實(shí)時顯示動態(tài)數(shù)據(jù)，小車前端溫濕度參數(shù)超過預(yù)警值時，小車會持續(xù)報警；通過SIM800模塊能將智能小車的定位信息和行駛軌跡在手機(jī)或網(wǎng)頁上實(shí)時顯示；由圖傳模塊可實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的生長狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

經(jīng)過在不同種植區(qū)域的多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的創(chuàng)新設(shè)計可廣泛適用于不同地形的田間、果園、大棚、溫室等，各個傳感器均能有效采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行反饋，互不干擾實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計結(jié)果。本款新型農(nóng)作物智能巡檢小車的設(shè)計可很大程度的解放人力物力，具有一定的推廣價值和實(shí)用價值。