基于TRIZ的溫室大棚機器人監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

黃曼綺，王 旭

（電子科技大學成都學院計算機學院，成都 611731）

0 引 言

隨著計算機技術(shù)、無線傳感技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)的高速發(fā)展?，F(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用日趨完善，為溫室大棚內(nèi)部的農(nóng)作物提供了優(yōu)質(zhì)的生長環(huán)境，促進了農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升［1-3］。因此，研究溫室大棚現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)具有良好的經(jīng)濟價值。

目前國內(nèi)的農(nóng)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀來看，主要存在兩種方式：①現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)施技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用；②傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作方式。對于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)而言，其核心技術(shù)之一是溫室大棚無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)［4-6］。近年來，國內(nèi)眾多高校以及研究機構(gòu)對現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)開展了大量的研究。趙繼春等［7］為解決傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)部復(fù)雜的線路布局問題，以ZigBee 無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，STM32 為主控系統(tǒng)，并采用MC35i GPRS無線通信模塊，開發(fā)了溫室大棚無線傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的云端采集和系統(tǒng)的低丟包率效果；李明等［8］選擇S3C2440 為主控制芯片，利用Mini2440 開發(fā)板，實現(xiàn)了溫室大棚內(nèi)部數(shù)據(jù)的接收和分析功能，該系統(tǒng)除傳統(tǒng)的溫濕度、光照度、二氧化碳等參數(shù)監(jiān)測外，還考慮到了對惡劣氣候下，溫室大棚的幕布破損情況進行監(jiān)測；畢然等［9］以面向形象設(shè)計法為基本原理，構(gòu)建了溫室大棚的模糊控制數(shù)學模型以及溫度控制模型，提升了控制系統(tǒng)的效率，并確保了系統(tǒng)的高精度控制和高穩(wěn)定性。從上述現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的監(jiān)測系統(tǒng)研究情況來看，高精度參數(shù)監(jiān)測、高效控制以及智能化的趨勢日趨完善。但設(shè)備采用的元器件較多，系統(tǒng)成本較高，而對于傳統(tǒng)的人工耕作模式而言，雖然其比例逐漸減少，但是仍有約40%的種植方式采用傳統(tǒng)人工作業(yè)形式［10］。該模式存在成本低的優(yōu)點，但人工種植方式也存在天氣因素影響大、周期長、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)無法穩(wěn)定輸出的問題。所以，改進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的同時也造成了成本過高的問題，而節(jié)約成本的模式，又造成農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降的問題，故這兩種模式構(gòu)成了一對技術(shù)矛盾。

鑒于以上問題，本文采用基于解決技術(shù)矛盾的萃智發(fā)明原理（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ），采取合理的技術(shù)方案，開發(fā)一種溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)，在為農(nóng)作物提供最優(yōu)生長環(huán)境的同時，解決成本較高的問題，并以10 d 為周期的環(huán)境參數(shù)測試驗證系統(tǒng)對溫室大棚內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)測精度。也為后續(xù)進一步的性能測試和優(yōu)化改進提供數(shù)據(jù)支撐。

1 溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化方案的提出

1.1 TRIZ發(fā)明原理概述

TRIZ 是一種以技術(shù)矛盾解決方案的統(tǒng)計學為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)設(shè)計中存在的矛盾進行解決，并最終獲得解決矛盾的最佳方案，即矛盾解決理論［11］。對于溫室大棚的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計而言，當實現(xiàn)某些參數(shù)的優(yōu)化或系統(tǒng)的改善時，必定造成系統(tǒng)其他方面的惡化。因此，上述改進因素以及惡化因素便組成了對應(yīng)的技術(shù)矛盾。應(yīng)用TRIZ就是為了解決該矛盾的對立面，求得系統(tǒng)的最優(yōu)解。TRIZ的操作流程如圖1 所示。

圖1 TRIZ操作流程

1.2 技術(shù)矛盾矩陣的構(gòu)建

對于溫室大棚內(nèi)部農(nóng)作物種植而言，若要精確監(jiān)測和調(diào)控農(nóng)作物的生長環(huán)境，則最終的結(jié)果是農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)得到了較大的提升，即實現(xiàn)了結(jié)果的優(yōu)化（改進參數(shù)）。但是，為了實現(xiàn)這一目標，系統(tǒng)需要較多的無線傳感器來采集數(shù)據(jù)，同時需要搭建用于龐大數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通信平臺，其結(jié)果是提升了經(jīng)濟成本，卻造成了經(jīng)濟效益的降低（惡化參數(shù)）、同時增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及維護的難度。因此，無線傳感系統(tǒng)的搭建和成本的提升、系統(tǒng)復(fù)雜性的提升、設(shè)備維護難度的增加，構(gòu)成了技術(shù)矛盾。同理，如果選擇人工種植的方式，從種植經(jīng)濟成本的角度來看，無疑是成本最低的。但其結(jié)果，則是農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降。所以，成本的優(yōu)化和農(nóng)作物的質(zhì)量下降，又構(gòu)成了一組技術(shù)矛盾。

在TRIZ中，為了實現(xiàn)不同領(lǐng)域技術(shù)矛盾標準化的目標，方便實現(xiàn)普適性的解決方案，該原理確定了39 個通用工程參數(shù)［12］。監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的第一步，便是在這39 個通用工程參數(shù)內(nèi)，選取合適的工程參數(shù)與引起技術(shù)矛盾的要素進行對應(yīng)，即將監(jiān)測系統(tǒng)的具體矛盾要素轉(zhuǎn)換為通用工程參數(shù)。對于溫室大棚種植方案而言，根據(jù)上述分析可知，搭建無線傳感系統(tǒng)，優(yōu)化的性能轉(zhuǎn)換成通用工程參數(shù)為系統(tǒng)的生產(chǎn)率和自動化程度。而惡化的性能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的復(fù)雜性、物質(zhì)的量以及系統(tǒng)的可維修性等通用工程參數(shù)。具體的參數(shù)變換情況，如表1 所列。

表1 通用工程參數(shù)轉(zhuǎn)換

將表1 所示的通用工程參數(shù)，構(gòu)建對應(yīng)的技術(shù)矛盾矩陣，如表2 所示。其中，表中的數(shù)字為TRIZ 發(fā)明原理所推薦的設(shè)計方案。

表2 技術(shù)矛盾

1.3 系統(tǒng)設(shè)計方案的確定

由表2 可見，每一種矛盾都有多種解決措施。因此，需要結(jié)合系統(tǒng)的實際情況對各發(fā)明原理進行分析和采納。其中，表2 中所示的發(fā)明原理，按照解決該矛盾的概率大小進行先后順序編排。在具體的方案選擇中，由于表提出的方案較多，限于篇幅，本文僅選取生產(chǎn)率、自動化程度以及系統(tǒng)的復(fù)雜性之間的技術(shù)矛盾解決方案進行分析說明。

為解決生產(chǎn)率和系統(tǒng)復(fù)雜性之間的矛盾，TRIZ提出了12（等勢原理）、17（空間維數(shù)變化）、28（機械系統(tǒng)替代）以及24（借助中介物）這4 種解決方案。結(jié)合溫室大棚的特點，分別對應(yīng)的解決方案如表3 所示。

表3 生產(chǎn)率與系統(tǒng)復(fù)雜性技術(shù)矛盾解決方案

同理，再分析自動化程度和系統(tǒng)復(fù)雜性這對技術(shù)矛盾的解決措施?？紤]到表2 所示的推薦方案10（預(yù)先作用原理）與本系統(tǒng)的特點不匹配，無法根據(jù)該原理提出監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)作用設(shè)計方案，故最后確定技術(shù)矛盾的改進參數(shù)方案為：15（動態(tài)特性）、24（借助中介物）。再綜合矩陣中其他技術(shù)矛盾的解決方案推薦，生產(chǎn)率與系統(tǒng)復(fù)雜性的具體方案情況為：在溫室大棚里面設(shè)計一個移動機器人（24 借助中介物），對大棚環(huán)境參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測（15 動態(tài)特性），為了實現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測的均勻性（12 等勢原理），在溫室大棚中按照規(guī)劃的路勁設(shè)置滑軌（28 機械系統(tǒng)替代），引導機器人沿滑軌運行并在指定點完成數(shù)據(jù)采集。該移動機器人監(jiān)測系統(tǒng)的方案，替代了原系統(tǒng)多點布置無線傳感器的系統(tǒng)設(shè)計思路。機器人僅需要攜帶少量傳感器便能夠進行數(shù)據(jù)采集，大大降低了成本，解決了生產(chǎn)率、自動化成都和物質(zhì)的量的矛盾；同時，機器人運行路徑設(shè)計滑軌，進一步降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和可維修性，解決了自動化程度和系統(tǒng)復(fù)雜性、可維修性之間的技術(shù)矛盾，達到了預(yù)期的效果。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的布局

根據(jù)TRIZ發(fā)明原理得到了溫室大棚移動機器人設(shè)計方案，實現(xiàn)該系統(tǒng)的設(shè)計。按照該方案，需要在溫室大棚內(nèi)部設(shè)置一個均勻的軌道，引導機器人運行，構(gòu)建系統(tǒng)的三維模型，如圖2 所示。

圖2 移動機器人運行和軌道三維模型

從系統(tǒng)的基本功能來看，主要是實現(xiàn)溫室大棚內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測及調(diào)控。故系統(tǒng)的基本模塊包括主控制器模塊、各環(huán)境參數(shù)檢測模塊以及移動機器人模塊等，系統(tǒng)模塊的整體布局如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)整體布局

2.2 硬件設(shè)計

溫室大棚移動機器人監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計，主要包括機器人的基本結(jié)構(gòu)、溫室大棚內(nèi)部移動的驅(qū)動模塊以及輔助循跡的紅外模塊等。機器人的三維實體模型如圖4 所示。在驅(qū)動模塊的設(shè)計中，考慮到移動速度的準確控制和無級調(diào)速，控制電動機的類型確定為直流電動機。驅(qū)動模塊選擇為L298N［13］。移動機器人以STM32 為主控制器［14］，其系統(tǒng)電路如圖5 所示。

圖5 主控系統(tǒng)電路

2.3 軟件設(shè)計

為使機器人沿著設(shè)定軌跡運動，本文進行了軟件設(shè)計：采用黑色軌道，應(yīng)用紅外傳感器可識別路徑并驅(qū)動機器人移動；在某些特殊情況下，也可使用智能手機來操作設(shè)備。系統(tǒng)軟件的主要程序流程如圖6 所示，圖中x，y為移動機器人的位置坐標，x0和y0分別為移動機器人在x和y方向的初始坐標，y0＝110。

圖6 系統(tǒng)軟件運行流程

3 系統(tǒng)性能測試

較之于傳統(tǒng)的無線傳感系統(tǒng)靜態(tài)測試，溫室大棚移動機器人監(jiān)測系統(tǒng)的測試效果，也是驗證TRIZ 發(fā)明原理推薦的技術(shù)矛盾解決方案是否合理的關(guān)鍵。其核心問題歸納為：與多點布置的無線傳感系統(tǒng)相比，移動機器人的測試數(shù)據(jù)是否準確；二者的精度偏差是否穩(wěn)定［15］。由此，本文對系統(tǒng)的性能進行了測試。設(shè)立的步驟為：①建立一個3D打印的模擬溫室大棚模型；②以10 d為周期，分別進行靜態(tài)和動態(tài)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集；③比較二者之間的偏差，驗證測試精度。限于篇幅，本文僅以光照度為例，測試的具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 光照度測試數(shù)據(jù)對比

由圖的測試數(shù)據(jù)比較可知：

（1）與傳統(tǒng)的無線傳感器靜態(tài)測試結(jié)果對比。移動機器人測試系統(tǒng)的測試結(jié)果與靜態(tài)測試結(jié)果存在一定的偏差。整體而言，移動機器人測試的動態(tài)數(shù)據(jù)要明顯高于無線傳感器靜態(tài)測試的結(jié)果。

（2）從偏差狀況比較。二者的偏差值基本穩(wěn)定。因此，在采用移動機器人進行溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時，需要對測試的數(shù)據(jù)進行修正。以光照度為例，修正值設(shè)定為－60 lx 較為合理。如此一來，最終獲得的測試結(jié)果就可以確保在一個比較高的精度范圍內(nèi)，基本能夠滿足系統(tǒng)的使用。

綜上所述，本文根據(jù)TRIZ 的推薦方案設(shè)計而成的溫室大棚移動機器人監(jiān)測系統(tǒng)，測試精度基本能夠滿足要求，性能良好。且該設(shè)計方案在提升生產(chǎn)率和自動化程度的基礎(chǔ)上，可以有效解決傳統(tǒng)無線傳感系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜以及維護困難等問題，即比較良好地解決了該技術(shù)矛盾，達到了預(yù)期目標，該設(shè)計方案也獲得2 項［16-17］發(fā)明專利授權(quán)。

4 結(jié) 語

本文主要采用TRIZ對溫室大棚機器人監(jiān)測系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，并開展了以10 d 為周期的環(huán)境參數(shù)測試試驗研究。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，移動機器人測試結(jié)果均高于靜態(tài)測試值；每天的測試值偏差基本保持在60 lx左右的范圍。因此，可以通過修正機器人動態(tài)采集的數(shù)據(jù)，來提升溫室大棚環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度；并利用TRIZ的推薦方案，能夠有效解決溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中的技術(shù)矛盾，設(shè)計方案達到了預(yù)期的目標，解決了因優(yōu)化溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)而導致的高成本、系統(tǒng)復(fù)雜以及維修困難等問題，為后續(xù)相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。