無(wú)線傳感系統(tǒng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王旭，敬濯瑄，姚園園，岳凈

（電子科技大學(xué) 成都學(xué)院智能制造工程系，四川成都，611731）

0 引言

隨著社會(huì)的智能化程度越來(lái)越高，無(wú)線傳感系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的情況也越來(lái)越廣泛。由于該系統(tǒng)能夠適時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境（溫度、濕度、光照度、二氧化碳等），并判斷是否處于最佳生長(zhǎng)環(huán)境中，從而進(jìn)行參數(shù)的有效調(diào)控，達(dá)到優(yōu)化農(nóng)作物質(zhì)量以及提升產(chǎn)量的目的。因此，該領(lǐng)域的研究具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

近年來(lái)，越來(lái)越多的高校和企業(yè)開展了設(shè)施農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感系統(tǒng)研究。例如：2019年，成都市農(nóng)林科學(xué)院曹亮團(tuán)隊(duì)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，將大量傳感器布置于設(shè)施農(nóng)業(yè)中，構(gòu)建了良好的環(huán)境監(jiān)測(cè)體系[1]；2020年，楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院熊剛團(tuán)隊(duì)以STM32為主控系統(tǒng)，結(jié)合無(wú)線傳感技術(shù)提升了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)精度[2]；2021年，石河子大學(xué)徐夢(mèng)穎團(tuán)隊(duì)采用群智能算法優(yōu)化了無(wú)線傳感系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，降低了能耗[3]。從上述研究的情況來(lái)看，其側(cè)重點(diǎn)不同，且均在一定程度上優(yōu)化了設(shè)施農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感系統(tǒng)的性能。但是，目前的無(wú)線傳感系統(tǒng)主要是采取在溫室大棚中多點(diǎn)布置靜態(tài)傳感器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。通常情況下，溫室大棚具有較大的尺寸，這就意味著靜態(tài)傳感器的數(shù)量需求巨大，且數(shù)據(jù)傳輸量也較高。不僅對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的壓力較大，且經(jīng)濟(jì)成本較高。因此，開發(fā)能夠在溫室大棚內(nèi)部移動(dòng)機(jī)器人，搭載少量傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，不僅能夠有效減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，還可以極大地節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

1 無(wú)線傳感系統(tǒng)選擇

溫室大棚無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種實(shí)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)信息的采集、傳輸、調(diào)整以及監(jiān)控等功能的綜合性系統(tǒng)[4]。在本課題中，通過(guò)三維建模、3D打印技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)長(zhǎng)度為1m的溫室大棚模型作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)分析Zigbee、NFC以及藍(lán)牙三種無(wú)線傳感通信技術(shù)的作用范圍、傳輸速度等特點(diǎn)，藍(lán)牙的通信范圍為0~10m，傳輸速度為1Mbps[5]，與該模型的尺寸匹配度較高，故本課題選擇藍(lán)牙通信作為無(wú)線傳感系統(tǒng)的通信技術(shù)。

當(dāng)選擇藍(lán)牙作為無(wú)線通信方式后，溫室大棚模型的無(wú)線傳感系統(tǒng)，主要通過(guò)搭載無(wú)線傳感器的移動(dòng)機(jī)器人在大棚中采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)反饋至手機(jī)APP進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)與調(diào)整，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與框架如圖1所示。

圖1 無(wú)線傳感系統(tǒng)框架

2 移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行原理

在溫室大棚中，移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本運(yùn)行原理為：由機(jī)器人搭載溫濕度傳感器、光照傳感器以及二氧化碳傳感器等監(jiān)測(cè)裝置在溫室大棚中按照既定路線運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送至控制端，由控制端（手機(jī)APP）根據(jù)獲取的信息進(jìn)行環(huán)境系統(tǒng)的判斷和參數(shù)調(diào)整操作，監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.2 溫室大棚移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

溫室大棚移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，主要是采取功能與結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原理[6]。即先擬定機(jī)器人的基本功能，然后根據(jù)功能確定其結(jié)構(gòu)。在本課題中，移動(dòng)機(jī)器人主要是通過(guò)快速移動(dòng)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)部的溫濕度、光照度等參數(shù)。結(jié)合溫室大棚的特點(diǎn)，擬采取輪式結(jié)構(gòu)[7]；同時(shí)，為使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；為適時(shí)調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行路徑、速度，機(jī)器人的主控系統(tǒng)選擇為單片機(jī)；機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙控制其路徑、方向、速度。移動(dòng)機(jī)器人的部分主要部件設(shè)計(jì)情況，如圖3~6所示。

圖3 移動(dòng)機(jī)器人主控制系統(tǒng)

圖4 移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖5 電源

圖6 藍(lán)牙串口

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證溫室大棚移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)測(cè)試精度，本課題采取將移動(dòng)機(jī)器人測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)的無(wú)線傳感系統(tǒng)靜態(tài)傳感器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試的參數(shù)包括：溫度、濕度、光照度。

3.1 路徑規(guī)劃

移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行路徑，主要根據(jù)溫室大棚內(nèi)部種植的農(nóng)作物分布和土壤的情況來(lái)規(guī)劃。在本課題的溫室大棚模型中，規(guī)劃了3種路徑分別是：直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)路徑、S型路徑、橢圓路徑。

3.2 測(cè)試結(jié)果比較

為采集足夠多的數(shù)據(jù)參數(shù)，此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試周期為10天。測(cè)試步驟為：（1）移動(dòng)機(jī)器人數(shù)據(jù)采集。編寫程序讓移動(dòng)機(jī)器人分別按三種路徑每天運(yùn)行2小時(shí)，記錄動(dòng)態(tài)采集的環(huán)境參數(shù)；（2）靜態(tài)數(shù)據(jù)采集。在溫室大棚中按照傳統(tǒng)的無(wú)線傳感系統(tǒng)布置多個(gè)靜態(tài)傳感器，并與移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)測(cè)試環(huán)境參數(shù)；（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。記錄10天實(shí)驗(yàn)測(cè)試周期的全部數(shù)據(jù)，并進(jìn)行比較，篩選測(cè)試精度最高的運(yùn)行路徑；（4）修正結(jié)果。根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人測(cè)試值與靜態(tài)傳感器測(cè)試值的平均偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并設(shè)定修正參數(shù)，提升檢測(cè)的精度。限于篇幅，以濕度為例，第10天的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，以靜態(tài)傳感器的測(cè)試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值。移動(dòng)機(jī)器人在三種路徑下測(cè)試的結(jié)果均與靜態(tài)值存在偏差。其中，直線往復(fù)路徑的測(cè)試結(jié)果偏差最小，10天的平均誤差率在2%左右；而S型路徑和橢圓路徑的測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比，偏差率較高，約5%。由此可知，直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的路徑，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度最佳，但仍需要進(jìn)行修正，才能保持較高的精度。

表1 濕度測(cè)試數(shù)據(jù)比較

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，溫度、濕度、光照度修正值如表2所示。

由表2所示的溫度、濕度以及光照度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果修正數(shù)據(jù)來(lái)看，在溫室大棚中，移動(dòng)機(jī)器人可以根據(jù)農(nóng)作物種植的情況，選擇與之匹配的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行測(cè)試結(jié)果修正。最終，可以將精度的誤差率控制在0.5%以內(nèi)，達(dá)到一個(gè)比較高的精度標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感系統(tǒng)采用多個(gè)位置布置靜態(tài)傳感器相比，移動(dòng)機(jī)器人搭載的傳感器數(shù)量大為減少，在測(cè)試結(jié)果達(dá)到滿意精度的同時(shí)，極大地節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

表2 移動(dòng)機(jī)器人測(cè)試結(jié)果修正

4 結(jié)論

以藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)為傳輸媒介，采用移動(dòng)機(jī)器人搭載無(wú)線傳感器的方式檢測(cè)溫室大棚中的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)并進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。將移動(dòng)機(jī)器人在不同路徑下的測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)多點(diǎn)布置無(wú)線傳感器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，雖然移動(dòng)機(jī)器人在各路徑下的測(cè)試結(jié)果均存在一定偏差，但由于偏差值基本穩(wěn)定，因此可以通過(guò)對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行修正的形式，讓移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)試結(jié)果達(dá)到一個(gè)較高的精度，節(jié)約了元器件材料，節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本。下一步，將對(duì)溫室大棚參數(shù)調(diào)控系統(tǒng)及人機(jī)交互進(jìn)行研發(fā)。