控制紅薯葉旺長(zhǎng)的智能裝置

◆湖南省汨羅市第二中學(xué) 陳耀星 周添一 郭騏嘉 黃佳豪

圖/圖蟲創(chuàng)意

“中國(guó)有條汨羅江，江邊有個(gè)紅薯鄉(xiāng)?！逼渲械摹凹t薯鄉(xiāng)”就是汨羅市桃林寺鎮(zhèn)。這里的人們利用得天獨(dú)厚的紅土地，大力發(fā)展紅薯深加工產(chǎn)業(yè)，提高農(nóng)產(chǎn)品附加值，拓寬了增收的渠道，開啟了“致富之門”。放假或課余時(shí)間，我們?cè)诩t薯地里翻藤時(shí)了解到：紅薯葉子旺長(zhǎng)會(huì)使土壤肥力下降,遏制根莖的膨大，使紅薯的單產(chǎn)減少。

于是，我們想發(fā)明一種控制紅薯葉旺長(zhǎng)的智能裝置。當(dāng)監(jiān)測(cè)到紅薯藤蔓分枝增多、葉片覆滿時(shí)，裝置能自動(dòng)將藤蔓往上提起，使其側(cè)根脫離土壤，不影響光合效能，從而抑制藤葉旺長(zhǎng)，使薯塊膨大，產(chǎn)量增加。

在本次探究中，黃佳豪負(fù)責(zé)做科學(xué)實(shí)驗(yàn)。陳耀星負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制作裝置。郭騏嘉主要負(fù)責(zé)查閱、收集、整理文獻(xiàn)資料，撰寫查新報(bào)告。周添一主要負(fù)責(zé)咨詢專家、購(gòu)買器材、組裝并調(diào)試裝置。

一、設(shè)計(jì)思路

通過圖像識(shí)別傳感器監(jiān)測(cè)紅薯葉的生長(zhǎng)情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)到紅薯葉開始旺長(zhǎng)時(shí)，單片機(jī)將收到的數(shù)據(jù)加工后，發(fā)送指令讓伺服電機(jī)啟動(dòng)機(jī)械手工作，然后通過無線通信模塊傳輸給手機(jī)App。

無線遠(yuǎn)程監(jiān)控單元具備在線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的所有功能，用戶通過手機(jī)App或電腦實(shí)時(shí)查看紅薯葉的疏密度、長(zhǎng)勢(shì)等情況，還能根據(jù)不同的紅薯品種，分別設(shè)置工作參數(shù)。

二、裝置組件

硬件包括5 個(gè)模塊，即紅薯葉疏密度監(jiān)測(cè)與控制模塊、機(jī)械手的抓藤工作及力度控制模塊、液晶顯示及界面操作模塊、無線通信模塊、裝置移動(dòng)模塊。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

圖2 工作流程圖

需要的配件有太陽(yáng)能電池組件、控制器、機(jī)械手、繼電器組、攝像頭、伺服電機(jī)、地磁傳感器、圖像識(shí)別傳感器、視覺傳感器、Wi-Fi 模塊、OLED液晶顯示器、單片機(jī)、紅外對(duì)管、云服務(wù)器、雙向數(shù)據(jù)無線傳送模塊。

軟件包括控制代碼、手機(jī)App 遠(yuǎn)程控制程序等。

三、工作原理

用Prote199 軟件設(shè)計(jì)一塊印刷電路板，將單片機(jī)、OLED 液晶顯示器、開關(guān)等弱電部分全部焊接在該電路板上。單片機(jī)負(fù)責(zé)收集信息，綜合判斷并發(fā)出控制指令。圖像識(shí)別傳感器對(duì)紅薯葉疏密度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)高于設(shè)定值時(shí)，通過單片機(jī)控制機(jī)械手抓藤。

視覺傳感器捕獲圖像，并將其與存儲(chǔ)的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較分析。若視覺傳感器被設(shè)定為紅薯莖可見，判為葉疏；若傳感器感知紅薯莖不可見，則判為葉密。

葉面積儀測(cè)定紅薯葉的面積，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算出葉面積指數(shù)。如果超出設(shè)定值，單片機(jī)就可據(jù)此對(duì)伺服電機(jī)下達(dá)工作指令。

圖3 陳耀星（上）、周添一（下）修改作品零部件

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和無線遠(yuǎn)程監(jiān)控可將紅薯葉疏密度的實(shí)時(shí)狀況直觀地顯示在液晶屏上。

程序采用C 語(yǔ)言，基于Keil 編譯環(huán)境。開發(fā)的App 基于手機(jī)安卓平臺(tái)，根據(jù)設(shè)定紅薯葉疏密度參數(shù)，通過該App 可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置對(duì)紅薯葉的抓藤情況。

四、測(cè)試過程

利用葉片圖像分析儀掃描紅薯藤旺長(zhǎng)情況，記錄每行紅薯藤的坐標(biāo)，同時(shí)反饋給單片機(jī)進(jìn)行處理。在掃描過程中，光線穿透葉片的表面，反射出不同程度的光波，經(jīng)過光學(xué)透鏡成像后，形成具有特定灰度值的圖像。

通過圖像處理技術(shù)，我們可以識(shí)別葉片表面的輪廓、密度等詳細(xì)信息，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，通過軟件進(jìn)行處理和分析，最后形成高清圖像。

設(shè)計(jì)機(jī)械手，使它實(shí)現(xiàn)抓放以及上下移動(dòng)。編寫與機(jī)械手相關(guān)的18 個(gè)串口對(duì)應(yīng)的參數(shù)。編寫機(jī)械手工作代碼,利用DMA 控制程序，使其按照設(shè)計(jì)要求工作。申請(qǐng)一個(gè)BMP文件的內(nèi)存，將機(jī)械手的運(yùn)算值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的BMP文件，并存儲(chǔ)到SD 卡中。設(shè)計(jì)每隔5秒機(jī)械手“抓—放”工作的循環(huán)程序。

把上述子程序打包匯總到一個(gè)程序中，反復(fù)調(diào)試，直到裝置能成功運(yùn)行。

圖4 測(cè)試控制紅薯葉旺長(zhǎng)的智能裝置

五、創(chuàng)新點(diǎn)

（一）設(shè)置圖像識(shí)別傳感器監(jiān)測(cè)紅薯葉的疏密度，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)、傳感器相互配合，控制裝置邊移動(dòng)邊抓藤。

（二）通過App 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紅薯的生長(zhǎng)情況，并根據(jù)設(shè)定的疏密度，自動(dòng)進(jìn)行抓藤，減輕農(nóng)戶的勞動(dòng)量。農(nóng)戶能隨時(shí)隨地觀察紅薯的生長(zhǎng)情況，并實(shí)時(shí)掌控裝置自動(dòng)抓藤，抑制側(cè)根生長(zhǎng)，提高紅薯產(chǎn)量。

作者心聲

陳耀星：我在制作抓藤機(jī)械手的過程中，先將其整體懸掛在桁架上，一端懸掛于橫向模組上，另一端有手腕和手指，手腕可多個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)，手指可以抓放紅薯藤。接著安排三個(gè)伺服電機(jī)：一個(gè)控制前后移動(dòng)的抓藤機(jī)械手，一個(gè)控制機(jī)械手橫向抓藤，一個(gè)則控制機(jī)械手上下移動(dòng)。

最難的是如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的自動(dòng)抓取、放下的建模。機(jī)械臂由多個(gè)元器件構(gòu)成，主要包括可視化系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行器和控制系統(tǒng)?？梢暬到y(tǒng)通常是一個(gè)三維立體顯示器，用于顯示機(jī)械臂的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器、減速機(jī)、傳動(dòng)帶和傳動(dòng)鏈構(gòu)成。執(zhí)行器主要由夾具、氣動(dòng)夾具、真空吸盤、機(jī)械手和機(jī)械手套構(gòu)成。把這些零配件一一買來組裝再進(jìn)行調(diào)試，過程十分曲折，也將平時(shí)學(xué)的動(dòng)力機(jī)械與計(jì)算機(jī)知識(shí)進(jìn)行了一次系統(tǒng)的融合訓(xùn)練，動(dòng)手又動(dòng)腦，收獲滿滿。

黃佳豪：我負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)比較棘手。在購(gòu)置了元器件后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖連接，結(jié)果并未實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在空間內(nèi)的任意旋轉(zhuǎn)、抓放！我懊惱極了。經(jīng)過反復(fù)琢磨、多次修改設(shè)計(jì)方案才發(fā)現(xiàn)，原來是父鏈節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)影響了子鏈節(jié)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。我想，如果最終能找到一個(gè)符合要求的姿態(tài)，那么一定要滿足所有父鏈節(jié)點(diǎn)與末端節(jié)點(diǎn)的連線均指向目標(biāo)點(diǎn)！接著我就趕緊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)我第五次完成每個(gè)節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后，起始端與末端節(jié)點(diǎn)的連線分毫不差地指向目標(biāo)點(diǎn)！我高興極了。

在多次失敗之后，我依托電子學(xué)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理，通過機(jī)械手控制每個(gè)自由度的電機(jī)完成了既定動(dòng)作。同時(shí)，機(jī)械手接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制，圓滿實(shí)現(xiàn)了設(shè)定的各種功能。

圖5 作者與指導(dǎo)老師曾尚文（中）在第九屆全國(guó)青年科普創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)暨作品大賽湖南賽區(qū)現(xiàn)場(chǎng)合影

專家點(diǎn)評(píng)

控制紅薯葉旺長(zhǎng)的智能裝置是一個(gè)富有前瞻性的發(fā)明項(xiàng)目。

常言道，“民族要復(fù)興，鄉(xiāng)村必振興”。只有把飯碗牢牢端在自己的手里，才能應(yīng)對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)并贏得主動(dòng)。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展正處于由追求數(shù)量向追求質(zhì)量轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，用人工智能等方式，把綠色、低碳的理念貫穿于鄉(xiāng)村振興的各個(gè)環(huán)節(jié)，很有必要。這個(gè)項(xiàng)目的出現(xiàn)，充分體現(xiàn)幾位同學(xué)已具備一定的創(chuàng)新視野與創(chuàng)新能力，同時(shí)，它將引發(fā)一系列相關(guān)農(nóng)業(yè)方面人工智能原創(chuàng)性作品的誕生。

值得指出的是，這個(gè)項(xiàng)目只是一個(gè)雛形，離實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。這是因?yàn)樵诩t薯的生長(zhǎng)中，就“控旺”這一個(gè)環(huán)節(jié)，不僅有提蔓這道工序，常規(guī)的還有翻秧、打尖、化學(xué)控旺等。

希望這幾位同學(xué)在提升各學(xué)科核心素養(yǎng)的同時(shí)，繼續(xù)探究，努力成長(zhǎng)為紅薯現(xiàn)代化生產(chǎn)領(lǐng)域的拔尖創(chuàng)新人才。