基于物聯(lián)網(wǎng)的小型智能移動灌溉系統(tǒng)研究

彭麗紅,盧海鑫,羅 柱,蔣明君

(1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué),廣西 南寧 530007;2.東莞高標(biāo)電子科技有限公司,廣東 東莞 523000)

0 引言

經(jīng)濟發(fā)展帶動科技創(chuàng)新,新時代科學(xué)技術(shù)又可以促進經(jīng)濟高速發(fā)展。智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用,使得新一代農(nóng)業(yè)人工智能機械應(yīng)運而生,為綠色產(chǎn)業(yè)、生態(tài)環(huán)保和智慧農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)提供了有力保障。新一代農(nóng)業(yè)人工智能機械需要價格低廉、服務(wù)功能性強、靈活多變的小型農(nóng)業(yè)機械投入市場?；谖锫?lián)網(wǎng)的小型智能移動灌溉系統(tǒng),利用先進的科學(xué)技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集和計算處理,再根據(jù)作物需水情況進行智能移動澆灌。該系統(tǒng)在節(jié)約人力的同時,自動為作物補水,改善土壤環(huán)境,實現(xiàn)增產(chǎn)、增質(zhì)、節(jié)水、節(jié)能目標(biāo)。

1 智能移動灌溉系統(tǒng)總體構(gòu)架

智能移動灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括感知電器、控制系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、物理硬件4個部分。各模塊在網(wǎng)關(guān)的控制下,相互協(xié)調(diào)工作,能夠保證智能移動灌溉系統(tǒng)各種功能的實現(xiàn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能移動灌溉系統(tǒng)主要由互聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊、土壤數(shù)據(jù)采集模塊、無人駕駛農(nóng)用小車控制模塊和云端控制模塊組成?；ヂ?lián)網(wǎng)傳輸模塊通過采用ZigBee與5G技術(shù)相結(jié)合的方式組建無線通信網(wǎng)絡(luò)。土壤濕度傳感器采集土壤水分比例,由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺控制中心,再由控制中心對接收到的土壤濕度信息進行智能分析與模擬運算。如果土壤水分比例低于設(shè)定范圍,云平臺控制中心將通過互聯(lián)網(wǎng)反饋到移動終端,提醒農(nóng)業(yè)技術(shù)員控制無人駕駛灌溉車對植物進行灌溉,從而實現(xiàn)智能移動灌溉管理[1]。

無人駕駛灌溉車包含整車控制單元、環(huán)境感知系統(tǒng)、車輛運行系統(tǒng)。環(huán)境感知模塊通過車域網(wǎng)向智能移動整車控制單元采集視覺傳感器、激光雷達、毫米波雷達等模塊的信號。智能移動整車控制單元和土壤濕度采集模塊通過網(wǎng)關(guān)和無線網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_控制中心。云平臺控制中心通過無線網(wǎng)絡(luò)與手機、電腦、平板連接。農(nóng)業(yè)技術(shù)人員可通過手機、電腦、微信程序等通信終端對無人駕駛農(nóng)用灌溉車進行遠(yuǎn)程控制。

此外,該系統(tǒng)還可以由大屏顯示視頻監(jiān)控,由視頻采集模塊采用5G技術(shù)無線傳輸超清視頻圖像數(shù)據(jù),幫助農(nóng)業(yè)技術(shù)員觀察系統(tǒng)的執(zhí)行情況,及時調(diào)整灌溉策略?？傮w結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2 智能移動灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)移動通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)移動通信系統(tǒng)主要由無線網(wǎng)關(guān)、土壤濕度傳感器節(jié)點和車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點組成。模塊化網(wǎng)關(guān)設(shè)計不僅極大地提高了兼容性,還可以兼顧不同場景數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｈ缇W(wǎng)關(guān)能夠接收無人駕駛農(nóng)用車的節(jié)點數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)并進行轉(zhuǎn)換,然后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄芤苿庸喔认到y(tǒng)控制平臺或智能手機。同時,智能移動系統(tǒng)控制平臺向無線節(jié)點發(fā)送控制指令,整車控制單元控制執(zhí)行機構(gòu)運轉(zhuǎn),對農(nóng)作物進行噴灌。網(wǎng)關(guān)軟件與軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)的軟件及軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要包括感知層、傳輸層、控制層、應(yīng)用層。其中,感知層中的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和基礎(chǔ)服務(wù)模塊對系統(tǒng)中各種傳感器和攝像頭采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行整合,通過數(shù)據(jù)處理模塊解析指令,并將數(shù)據(jù)實時上傳給網(wǎng)關(guān)傳輸層。傳輸層將感知節(jié)點數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換,將傳輸中的數(shù)據(jù)包解析為統(tǒng)一格式,由網(wǎng)關(guān)上的5G模塊和以太網(wǎng)模塊進行節(jié)點數(shù)據(jù)和管理指令的網(wǎng)絡(luò)傳輸,云端控制中心接收到數(shù)據(jù),進行分析計算,由客戶控制下發(fā)管理指令[2]。同時傳輸層的命令映射解析控制層下發(fā)管理指令,并進行正確的指令轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)接收控制層下發(fā)的指令,分發(fā)到應(yīng)用層。應(yīng)用層接收到指令后,控制應(yīng)用節(jié)點駕駛無人農(nóng)用車進行智能灌溉。

云平臺控制中心位于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制層,控制管理存儲感知節(jié)點數(shù)據(jù),為網(wǎng)絡(luò)的管理操作界面提供接口。云平臺控制中心和網(wǎng)關(guān)之間使用傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 無人駕駛農(nóng)用車車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)(Internet of Vehicles,IoV)是以汽車為移動終端,通過遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)構(gòu)建的汽車與互聯(lián)網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò),在汽車移動互聯(lián)網(wǎng)上傳輸汽車與服務(wù)信息,實現(xiàn)汽車的自動駕駛,如圖3所示。

圖3 無人駕駛農(nóng)用車車域網(wǎng)結(jié)構(gòu)

無人駕駛農(nóng)用車車域網(wǎng)主要使用以CAN數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為主的總線技術(shù)。CAN 通信技術(shù)為車輛提供通信支持,其中包括驅(qū)動線控系統(tǒng)、底盤線控系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driving Assistance System,ADAS)。

車載移動互聯(lián)主要由“端”“管”“云”3層架構(gòu)組成,“端”包括帶通信功能的車載單元(On Board Unit,OBU)、帶感知功能的攝像頭、雷達等?！肮堋笔侵笇崿F(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)支持根據(jù)需求靈活配置?！霸啤笔菂R集數(shù)據(jù)計算、分析、決策、存儲以及基本運維管理功能的平臺,根據(jù)需求可部署在邊緣側(cè)或中心云。在“端-管-云”架構(gòu)下,形成底層和頂層的數(shù)字化映射,實現(xiàn)環(huán)境感知、數(shù)據(jù)整合計算、決策掌控[3]。

2.3 土壤濕度檢測技術(shù)

智能移動灌溉系統(tǒng)主要利用 DHT11 濕度傳感器完成大棚內(nèi)土壤環(huán)境水分信息的采集和處理,溫室土壤的不同位置均勻地布置了濕度傳感器,各對應(yīng)1個位置坐標(biāo)。土壤水分比例采集單元每 4 h 采集 1 次數(shù)據(jù),由 AD 轉(zhuǎn)換后將土壤濕度信息傳遞至網(wǎng)關(guān)進行分析處理,再由傳輸層上傳至控制層。每個階段土壤濕度的最佳范圍都儲存于控制層中的數(shù)據(jù)庫中,云控制中心首先接收來自溫室土壤的土壤水分比例數(shù)據(jù),根據(jù)溫室作物的生長周期,將接收到的數(shù)據(jù)與土壤濕度的最佳范圍進行對比,若低于最低值,則需要灌溉[4]。

通過土壤水分比例變化模型,計算出局部需水量,并向相應(yīng)的無人駕駛農(nóng)用灌溉車輛發(fā)送位置和需水量信息,控制到預(yù)定坐標(biāo)進行噴灌作業(yè),完成后返回原點等候命令,做到有的放矢,使大棚土壤整體土壤水分比例達到均衡,全程無需人為參與,既節(jié)約了人力,又節(jié)約了水資源。

3 無人駕駛技術(shù)

如圖4所示,以無人駕駛農(nóng)用小車為終端載體,以視覺傳感器、毫米波雷達、激光雷達為環(huán)境感知系統(tǒng),通過智能移動整車控制單元對車輛運行狀態(tài)進行信息融合、決策規(guī)劃控制執(zhí)行機構(gòu)運轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)智能移動。

圖4 無人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 智能移動環(huán)境感知技術(shù)

3.1.1 視覺傳感器

視覺傳感器是指通過攝像頭采集道路信息,運用先進的人工智能算法進行圖像處理和目標(biāo)檢測的傳感器。視覺傳感器主要由光源、鏡頭、影像感應(yīng)器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、影像處理器、數(shù)據(jù)存儲器等組成,主要功能是獲取機器視覺系統(tǒng)所需的未經(jīng)處理的圖像數(shù)據(jù)。無人駕駛農(nóng)用小車采用單目攝像頭采集圖像信息,通過圖像匹配對圖像進行識別,然后根據(jù)圖像的大小和高度進一步估計障礙物。

3.1.2 毫米波雷達

毫米波雷達系統(tǒng)主要包括天線、收發(fā)組件(發(fā)射機和收發(fā)機)、數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)和控制電路,其中天線和前端雷達收發(fā)組件是毫米波雷達最核心的硬件部分,如圖5所示。雷達收發(fā)前端的信號發(fā)生器生成雷達信號,通過發(fā)射天線向外發(fā)射毫米波,毫米波遇到障礙物表面反射信號,由接收天線接收,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳至DSP處理計算,VCU接收運算信息可快速準(zhǔn)確地獲取小車與其他物體之間的相對速度、相對距離、位置、方向等,進而結(jié)合車輛的行駛信息進行數(shù)據(jù)融合,對所探知的物體信息進行目標(biāo)追蹤識別、反饋調(diào)整[5]。

圖5 毫米波雷達電路

毫米波雷達具有3個主要的測量能力,即與物體的距離、方位角和相對徑向速度。毫米波雷達通過發(fā)射和接收高頻電磁波探測大棚田道信息,通過將毫米波信號發(fā)送到指定目標(biāo)并分析發(fā)射信號頻率與反射信號頻率之間的差異來實現(xiàn)目標(biāo)探測,識別無人駕駛小車的行走路線,對目標(biāo)與毫米波雷達的相對距離、速度、角度等信息進行精確測量,從而對目標(biāo)進行測距和測速,探測范圍可達 200 m以上。

3.1.3 激光雷達

激光雷達通過向目標(biāo)發(fā)射激光束并接收從目標(biāo)反射回來的信號(即目標(biāo)回波),再將其與發(fā)射信號比較并進行適當(dāng)?shù)奶幚?可以精確測量目標(biāo)的位置(距離和角度)、運動狀態(tài)(速度、振動和姿態(tài))以及檢測目標(biāo)的形狀,實現(xiàn)識別分辨和跟蹤。

激光測量模塊根據(jù)發(fā)射前后的激光信號處理三維坐標(biāo)、距離、方位角、反射強光等數(shù)據(jù),其中,由于不同物體的反射率不同,激光雷達可以根據(jù)回波的反射光強(0～255級)來區(qū)分物體的不同區(qū)域,其精度可達毫米級,如圖6所示。

圖6 激光雷達工作原理

無人駕駛小車?yán)靡曈X傳感器、毫米波雷達和激光雷達監(jiān)測車輛行走路徑狀況,提取道路障礙物信息、小車行走車道信息等。嵌入高性能算法控制板,實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合算法,實現(xiàn)多傳感器功能互補效果。

3.2 無人駕駛小車運動控制技術(shù)

無人駕駛農(nóng)用小車線控運動技術(shù)主要由驅(qū)動線控、制動線控、轉(zhuǎn)向線控等組成。將驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動操作從機械結(jié)構(gòu)操控改為使用電子信號和電機實現(xiàn)對小車的操控。云端控制中心設(shè)計無人駕駛農(nóng)用小車的運動軌跡,通過互聯(lián)網(wǎng)向無人駕駛農(nóng)用小車整車控制器(Vehicle Control Unit,VCU)發(fā)送行駛指令,整車控制器將接收到的指令進行計算和轉(zhuǎn)換,通過線束將控制信號發(fā)送給驅(qū)動電機控制單元、制動控制單元、轉(zhuǎn)向控制單元,如圖7所示。驅(qū)動機電、轉(zhuǎn)向電機、制動電機控制無人駕駛農(nóng)用小車自動行駛。

圖7 無人駕駛農(nóng)用小車運動控制流程

3.2.1 線控轉(zhuǎn)向技術(shù)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向控制單元(Steering Control Unit,SCU)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)、傳感器等組成。轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)包括轉(zhuǎn)向電動機、轉(zhuǎn)向機械傳動機構(gòu)、角位移傳感器等。無人駕駛農(nóng)用小車執(zhí)行轉(zhuǎn)向時,VCU向SCU發(fā)送轉(zhuǎn)向指令,SCU分析計算轉(zhuǎn)向信號,控制轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向橫拉桿實現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向。角位移傳感器測量轉(zhuǎn)向角數(shù)據(jù)信號反饋到SCU,修正轉(zhuǎn)向偏差如圖8所示。

3.2.2 線控制動技術(shù)

整車控制單元通過環(huán)境感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算出車輛的制動場景,產(chǎn)生制動電控信號并傳遞給控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu),產(chǎn)生制動力。

無人駕駛農(nóng)用小車采用電子液壓制動系統(tǒng)(Electronic Hydraulic Brake,EHB)。與傳統(tǒng)制動方式不同,EHB以電子元件替代了原有的部分機械元件,將電子系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)相結(jié)合。如圖9所示,EHB 主要由制動電控單元(Brake Electronic Control Unit,EBCU)、輪缸制動電機和液壓執(zhí)行機構(gòu)組成。VCU檢測到農(nóng)用小車制動需求信號,將制動需求信號轉(zhuǎn)化成電信號發(fā)動至EBCU,EBCU控制各個輪缸電動機驅(qū)動輪缸液壓執(zhí)行機構(gòu)進行制動。

圖9 線控制動技術(shù)

3.2.3 線控驅(qū)動系統(tǒng)

線控驅(qū)動系統(tǒng)(Drive By Wire,DBW)是無人駕駛農(nóng)用小車實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù),為無人駕駛農(nóng)用小車實現(xiàn)自主行駛提供了良好的硬件基礎(chǔ)。如圖10所示,VCU的主要功能是通過接收車速信號、加速度信號和農(nóng)用技術(shù)員的使用意圖信號進行一系列的信息融合和扭矩需求的計算,向驅(qū)動電機控制單元輸出轉(zhuǎn)矩指令,完成電機轉(zhuǎn)矩控制[6]。

圖10 線控驅(qū)動系統(tǒng)控制原理

4 系統(tǒng)運行與測試

4.1 系統(tǒng)運行程序

系統(tǒng)運行程序設(shè)計主要實現(xiàn)對土壤濕度信息的采集與處理,并通過LCD1602進行顯示,當(dāng)作物或植物需要澆灌時,打開手機上的App軟件,點擊屏幕上相應(yīng)的開關(guān)按鈕,可以啟用軟件程序,通過無線Wi-Fi實現(xiàn)云端平臺對小車整車控制器的遠(yuǎn)程指令傳輸。無人駕駛小車整車控制器接收到指令后控制執(zhí)行機構(gòu)按照既定路線進行灌溉。系統(tǒng)運行流程如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)運行流程

4.2 試驗實測分析

在蔬菜大棚里,測試人員使用智能移動灌溉系統(tǒng)進行灌溉。云端通信設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)控制無人駕駛小車的行駛動作。視覺傳感器觀察無人駕駛小車的運行狀態(tài),隨時收集小車的位置信息和環(huán)境傳感器信息,調(diào)整小車的運動路線,提高自動化控制能力。

在蔬菜大棚中預(yù)先設(shè)定無人駕駛灌溉車的運動軌跡,小車沿著預(yù)定路線對蔬菜進行澆灌,測試小車灌溉作業(yè)的運動軌跡控制情況如圖12所示。

圖12 無人駕駛灌溉車運動軌跡

本文對小車的運動軌跡進行4次測試,測試結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明,無人駕駛灌溉車行駛軌跡和預(yù)設(shè)軌跡切合程度較高,可以按照設(shè)定的路線完成灌溉任務(wù)。300 m設(shè)定軌跡平均橫向誤差控制5 cm左右,運行效果良好,為提高農(nóng)業(yè)大棚灌溉的效率和自動化程度提供了有價值的借鑒。

表2 無人駕駛灌溉小車作業(yè)軌跡誤差

5 結(jié)語

智能移動灌溉系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)與無人駕駛汽車的結(jié)合。土壤濕度傳感器模塊采集濕度參數(shù),云端服務(wù)器接收并計算來自無線Wi-Fi上傳的數(shù)據(jù),農(nóng)業(yè)技術(shù)員可通過手機或計算機對大棚農(nóng)作物的土壤水分比例進行實時監(jiān)測,操控?zé)o人駕駛農(nóng)用灌溉車實施灌溉。采用移動式的澆灌方式,路徑可以按需設(shè)置,不僅可以根據(jù)農(nóng)作物需求進行局部灌溉,還可以將肥料或者農(nóng)藥溶入水中,進行施肥和噴藥,方式靈活多變。