一種軌道式農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測機器人設計*

楊 輝，張巖松，陳富豪，左建文

（河南科技學院機電學院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國有著數(shù)量豐富的農(nóng)業(yè)種植大棚。眾所周知，農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量會受到溫度、光強、CO2濃度、土壤濕度、蟲害等環(huán)境因素的影響[1-3]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚依靠人工現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，而且農(nóng)業(yè)大棚一般地處偏僻、分布廣闊，用戶一般先要分析環(huán)境參數(shù)，再到現(xiàn)場進行手動調(diào)節(jié)控制，勞動生產(chǎn)效率低，從而影響到大棚作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[4]。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是通過各種傳感器采集農(nóng)業(yè)種植重要參數(shù)，并對這些參數(shù)進行處理而作出相應的環(huán)境調(diào)整，數(shù)據(jù)還可上傳至互聯(lián)網(wǎng)，便于用戶實時查看和分析農(nóng)業(yè)種植的各類參數(shù)，以助于植物生長習性的研究[5]。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)可遠程精確地采集參數(shù)信息，有效地提高勞動生產(chǎn)效率和實現(xiàn)科學種植，引領現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展[6-7]。

1 整體方案設計

圖1 為該機器人的最終外形設計，分為上中下三個部分，上殼體里面為機器人的驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)，中間用來放置各個元器件，下方是全方位監(jiān)控攝像頭和伸縮結(jié)構(gòu)，整體采用鉚釘固定，從外邊觀察不留有一個螺絲，簡單美觀實用。該軌道機器人整體尺寸較小，高度為500 mm、寬度為462 mm、厚度為200 mm，總重量為15 kg。其他配件分別為驅(qū)動器、電機、主控器、行程開關、自動充電結(jié)構(gòu)、伸縮結(jié)構(gòu)等。

圖1 整體建模圖

2 各部分設計

2.1 控制系統(tǒng)

2.1.1 機械運動控制

該機械的運動控制主要分為兩種，一種是機器整體運動路線的往返控制。在機器人運動到軌道的終點時行程開關會接觸到碰撞點，此時碰撞開關會給主控器一個信號，然后主控器會給電機驅(qū)動器一個反向的命令讓電機反轉(zhuǎn)，使機器人實現(xiàn)往返運動。第二種是定點運動，其原理是利用紅外傳感器檢測在云軌上布置好的黑色帶，當紅外傳感器感應到云軌上黑色帶時，主控器給電機驅(qū)動器一個暫停的命令來進行指定作業(yè)。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸控制

該機器人的數(shù)據(jù)控制是通過溫濕度及CO2傳感器對數(shù)據(jù)進行采集，然后主控板對數(shù)據(jù)進行處理，再通過ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務器，云端服務器再發(fā)送到客戶手機APP 上，數(shù)據(jù)的更新可以按照預定義程序進行時間上調(diào)整[8]。機器人系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 機器人系統(tǒng)圖

2.2 機械結(jié)構(gòu)

2.2.1 動力結(jié)構(gòu)

如圖3 所示，該機構(gòu)輪組主要由兩個主動輪、兩個從動輪及四個導向輪組成，其定位安裝在打好定位孔的金屬板上。控制系統(tǒng)使電機帶動小皮帶輪，通過皮帶帶動主動輪轉(zhuǎn)動，從動輪主要負責重心的平衡。為了防止該機構(gòu)在軌道上運動時發(fā)生軌道偏移，該機械增加了四個導向輪用來保證運動的方向性。該機構(gòu)連接主要依靠下面四個較長螺栓，可以在金屬板與螺栓之間添加墊片，從而調(diào)整左右兩側(cè)的寬度。導向輪的固定孔是槽型孔，便于調(diào)節(jié)左右導向輪之間的距離，適應不同寬度的軌道。最下面為連接殼體的結(jié)構(gòu)，為防止重心偏移而導致機器傾斜，整體結(jié)構(gòu)設計對稱[9]。

圖3 動力結(jié)構(gòu)建模圖

2.2.2 軌道

導軌采用鋁合金材質(zhì)，因此其具有硬度高、材質(zhì)輕盈、不易腐蝕等優(yōu)點。初設計導軌采用在驅(qū)動輪兩邊分開支撐的方式，通過實驗發(fā)現(xiàn)該方式不易保持兩邊導軌的高度一致，而且機器行駛的過程中，導軌會受到導向輪的橫向力導致導軌向兩側(cè)變形，且不易平衡此橫向力[10]。修改軌道形狀為T形，該形狀安裝方便，固定簡單。每節(jié)長度為2 m，軌道連接部分采用多孔固定防止軌道連接處不平齊，連接處上方有擋板，為防止軌道不齊添加第二道固定。

2.2.3 外殼體結(jié)構(gòu)

殼體設計整體厚度為1 mm，上殼體的定位孔設計在底面內(nèi)部，四角處均留出邊長為8 mm、圓角半徑為4 mm 的扇形結(jié)構(gòu)，在上面留有直徑為4 mm 的定位孔，設計簡單方便，不會在安裝過程中發(fā)生與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的干涉。中間的凹槽采用激光切割的方式加工，主要是保證導軌無障礙通過的同時增加一定的安全性，防止雜物進入影響運行，還能提供一定的技術保密。

下殼體的上板厚度為3 mm，其余厚度均為1 mm，整體設計思路為分隔式設計，共分為6 個格子，分別放置主控器、傳感器、開關、電池以及電機驅(qū)動器等[11]，格子之間的擋板上都留有對稱的U 型槽，槽口上下兩側(cè)都留有4 mm 的孔，U 型槽主要作用是方便各個電氣元器件之間的排線，小孔用來固定。整個殼體兩側(cè)留有安裝碰撞開關的孔，殼體上方3 mm 厚的板留有定位孔和電機線的排線孔。此殼體為半封閉式殼體，只有前面一處留有封蓋，殼體里側(cè)周圍附有6 個卡扣的凹槽與前蓋連接。底板處留有攝像頭和伸縮結(jié)構(gòu)的定位孔，位于中間對稱分布。

2.3 自動充電裝置

該機器人可根據(jù)客戶的實際需求按自定義預設方案實現(xiàn)定時定點對環(huán)境參數(shù)的檢測，檢測完成后該機器人回到指定地點與充電裝置連接實現(xiàn)自動充電。該裝置極大地提高了機器人的工作效率，實現(xiàn)了24小時不間斷工作。該裝置分為外接部分和機身部分，插頭處為圓錐形，為插頭準確進入插板提供一個誤差空間，避免機器因軌道的微小偏移而出現(xiàn)無法充電的情況，后面留有兩個小型彈簧，是為給機器人停下過程提供一個緩沖空間，避免減速過程發(fā)生碰撞損壞[12]。

2.4 伸縮結(jié)構(gòu)

為方便和準確測量農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)數(shù)據(jù)，課題組為該機器人配備了伸縮機構(gòu)，該伸縮機構(gòu)主要由伸縮板、絲杠結(jié)構(gòu)組成。伸縮板提供該機構(gòu)長度變化的作用，推拉板與電機配合為滾軸絲杠結(jié)構(gòu)，為該機構(gòu)的拉伸壓縮提供動力。該機構(gòu)的運動原理是在定點作業(yè)的基礎下，主控板控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動絲杠結(jié)構(gòu)，通過滾軸絲杠原理和電機正反轉(zhuǎn)控制，使該機構(gòu)實現(xiàn)拉伸和壓縮[13]。該機構(gòu)最小可壓縮為0.175 m，最大可以拉伸為1.8 m，在壓縮狀態(tài)下，可以很好地減少空間占有率，安裝在殼體上對攝像頭的影響極小。該機構(gòu)有三個傳感器分布于拉伸結(jié)構(gòu)的拉伸板上，分別用來測量溫度、濕度、CO2等數(shù)據(jù)，在拉伸的過程中可以解決農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)不同空間高度各項數(shù)值存在差異的問題。

2.5 驅(qū)動元件

42 步進電機是一種兩相混合式電機，該電機為雙繞組電機，繞組分別有兩根線，該電機與驅(qū)動器相連時需準確判斷出每組的兩根線，并分別接入相應的位置[14]。

DM542 型驅(qū)動器為該電機的驅(qū)動器，該驅(qū)動器可以很好地控制電流輸出，還有著過壓和欠壓保護以及短路保護、自動半流等功能，并且相電流的輸出控制分為了8個擋位，還可以細分為15個擋位。

主控板為Arduino2560 編程器PLC 工控板，與普通的Arduino開發(fā)板相比，它有著更多的I/O引腳，強大的儲存空間以及迅速的啟動速度，同時解決了很多問題，如接線復雜，直接應用于工業(yè)傳感器和負載，內(nèi)部的晶體管輸出部分全部隔離，延長使用壽命。在相應的軟件上編輯好程序之后可直接通過RS232 通信接口導入，接入電源即可執(zhí)行輸入程序動作。

2.6 信息采集模塊

機器采集溫濕度的傳感器采用的是DHT11 溫濕度模塊。該模塊的標準工作溫度是25 ℃。DHT11 溫濕度模塊有4 個接口，懸空管腳NC、5 V 電源VCC 接口、接地管腳GND 接口及串行單數(shù)據(jù)總線DATA 接口。該傳感器有精度高，價格低的特點。該機器人采用SGP30 氣體傳感器來檢測農(nóng)場中CO2濃度，該傳感器是通過I2C 進行通信，有4 個接口分別是用于I2C通信的SDA 數(shù)據(jù)傳輸線和SCL 時鐘信號線，5 V 的電源VCC 接口以及接地的GND 管腳[15]。兩傳感器配合運動機構(gòu)在自定義點停下進行該區(qū)域的溫濕度和CO2濃度檢測，主控板接收并處理檢測數(shù)據(jù)，然后通過ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模塊將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務器，最終客戶可用手機APP進行查看。

3 總結(jié)

課題組從一種農(nóng)業(yè)大棚的軌道式機器人的機械結(jié)構(gòu)、工作原理、硬件與軟件、數(shù)據(jù)檢測傳輸?shù)确矫嫒胧?，初步完成了對該機器人樣機的研究設計、組裝和可行性分析，完成了軌道式機器人的基礎外形設計，關鍵部位的設計和組裝調(diào)試。仿真結(jié)果證明，該軌道式機器人可實現(xiàn)對作物全天候的自動巡檢及實時監(jiān)控。