農田信息采集車設計與試驗

姚照勝 劉 濤 劉升平 鄧國強 武 威 孫成明

(1.揚州大學農學院， 揚州 225009； 2.江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心， 揚州 225009； 3.中國農業科學院農業信息化研究所， 北京 100081)

0 引言

獲取農田信息是掌握農田環境和作物生長狀況的必要手段[1]，是利用農田大數據實現精準農業的基礎[2]。農田信息化采集指借助于各類傳感器、通過各項指標判斷環境狀況與作物長勢，比人工調查更具有標準性和規范性。快速高效獲取農田環境與作物長勢信息，可為制定科學合理的施肥、噴藥、灌溉措施提供依據，達到精準施肥、合理施藥、節約灌溉的目的[3]。近年來，利用物聯網和大數據技術獲取農田信息成為研究熱點之一。

物聯網(Internet of Things，IoT)從1998年提出至今，經歷了突飛猛進的發展[4]。物聯網在農業環境監測上的應用主要通過在農田或設施農業中布設各類傳感器、攝像頭及控制系統，實現對農業環境信息的監測[5]。ARAI等[6]將傳感器安裝在黃瓜溫室中，監測空氣濕度、溫度、CO2濃度，并提出適宜黃瓜生長的水肥方案，通過物聯網進行控制。TRILLES等[7]利用物聯網獲取環境數據，與氣象數據結合，預測葡萄園中真菌病害發生的幾率，為農場提前防治病害提供參考。但傳統有線農業物聯網監測系統建設成本高、資金投入大、建設周期長，其所設傳感器一般不可移動，可擴展性低[8]，攝像頭位置固定，不能移動拍攝，更不能獲取作物行間畫面。無線傳感器網絡(Wireless sensor network，WSN)克服了傳統有線物聯網的缺點，WSN利用各傳感器間的通信組成無線傳感器網絡，擁有免布線、低功耗、可擴展性強的優點[9]。但由于自身無線標準的問題，其存在一定的系統安全威脅[10]。低功耗的特性也難免會出現能量限制問題[11]，對環境要求較高。

隨著信息技術的高速發展，集成式芯片功能越來越強，體積越來越小，各類功能強大的機器人(車)被應用于農業生產和管理中[12]。這類機器人體積龐大，只能在寬行距作物和草地上行走，無法進入作物行間。農田信息采集機器人要求行走路線遍布整個農田，但通常路線可行動范圍狹窄[13]。對于以上問題，本文利用低成本部件，搭建一種可移動式田間信息采集車，以實現作物行間農田信息和圖像的采集。

1 總體方案設計

可移動式農田信息采集車系統主要由采集車車體、微控制單元(Microcontroller unit，MCU)系統和控制端組成[14]。為適應田間復雜地況，本研究采用厚度為2 mm的6061高強度鋁合金底盤車身，雙6輪式履帶輪，其中4輪為獨立減振系統。車身重心低，行駛穩定，為安裝在車上的其他部件和傳感器提供了一個穩定的平臺。車身、驅動輪和承重輪均為金屬鋁合金材質，并有表面噴砂氧化處理，可防止生銹，增加智能車的使用壽命。選用STC11F32XE作為主控芯片，車載系統由多個模塊組成，包含電源模塊、LM2596S穩壓模塊、L298P電機驅動模塊、AR9331無線WiFi模塊、KS8A17攝像頭模塊、5自由度機械臂模塊以及傳感器模塊(包括溫濕度傳感器、光照強度傳感器、風速傳感器、CO2濃度傳感器、土壤養分傳感器、土壤溫濕度傳感器和RGB色值傳感器等)組成，總體設計框架如圖1所示。

圖1 采集車總體設計框架Fig.1 Vehicle overall design framework

2 硬件選型及機械臂設計

2.1 硬件選型

(1)主控芯片選型

車載MCU系統是整個采集車的核心，硬件電路包括電機驅動模塊、WiFi模塊、機械臂模塊、各傳感器模塊以及電源模塊等。為了實現預定功能并節約成本，采用性價比較高的STC11F32XE主控芯片。STC11F32XE是新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，但速度是傳統8051單片機的8～12倍，工作電壓4.1～5.5 V，工作頻率0～3 MHz，與8051單片機0～420 MHz的工作頻率相當。采用LQFP44G封裝，內部包含中央處理器(CPU)、程序儲存器(Flash 32 KB)、數據儲存器(SRAM 1 280 B)、定時器/計時器、UART串口、豐富的I/O接口等模塊。具有高速、低功耗、抗干擾的特征，功能和接口數量滿足系統設計的要求。

(2)電機和電機驅動模塊

采用XD-37GB520型電機作為動力輸出，電機工作電壓為12 V，額定功率達10 W，空載轉速為50 r/min，負載轉速45 r/min，變速箱減速比達1∶100，輸出扭力大，能輕松越過障礙，使得小車適應不同地形行駛。

采用L298P雙H橋直流電機驅動芯片，為PowerSO20貼片封裝，能驅動直流電機和步進電機[15]。雖然芯片過熱時具有自動關斷功能，但安裝散熱片能使芯片快速散熱，使驅動電路性能更加穩定。

(3)電源及穩壓模塊

電源使用4 400 mA·h、12 V鋰離子電池，最大輸出電流可達4 A，并在內部配有過充、過放、短路和過流保護等功能的保護電路。LM2596開關電源調節器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性，可調節輸出小于37 V的各種電壓。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150 kHz,與低頻開關調節器相比較，可以使用更小規格的濾波元件。由于該器件只需4個外接器件，所以可使用通用的標準電感。

(4)無線WiFi模塊

目前在物聯網上應用的無線通信技術主要有ZigBee、WiFi、LTE、藍牙等，每種方式均有其優缺點[16-17]。具體來說，ZigBee技術擁有低功耗、傳輸容量大、成本低等優點，但其存在傳輸距離短的缺點。LTE前身是GPRS和3G技術，LTE普及后，后兩者僅保留了基本的通話和少量數據功能，大部分數據流量轉到了LTE網絡。

LTE網絡具有延時短、傳輸距離遠、傳輸速度快等優點，但其成本較高。WiFi是近場通信應用最廣的技術，發展也較為成熟，且成本低。藍牙是另一種短距離通信協議，其具有傳輸速度較快，信號不易受干擾、頻譜全球不受限等優點，在物聯網中應用較為廣泛。用發展的眼光看，LTE(甚至即將到來的5G技術)和WiFi因其高速的傳輸速度、低延遲、抗干擾等優勢成為未來農業物聯網傳輸的主要媒介[18]，也是當前物聯網發展和研究的重要方向，因此選擇AR9331型WiFi模塊實現本項目數據傳輸功能。

將ser2net應用程序寫入WiFi模塊固件，當WiFi模塊啟動后，自動開啟TCP Server服務，監聽2001端口，等待客戶端連接。當手機或計算機等控制設備連接上WiFi模塊的熱點后，打開TCP Client操控軟件，使用2001端口，與TCP Server建立通信。

此時可利用上位機操控客戶端使用write發送觸發指令到2001端口，通過Ser2net推送到WiFi的TTL串口，下位機驅動板接收到指令后進行解析與執行。下位機也可以將各路傳感器的數據利用Read通過串口發送到WiFi模塊，被ser2net程序轉發到2001端口，實現數據在上位機的顯示。

(5)攝像頭模塊

本設計中選擇KS8A17作為攝像頭模塊，使用索尼IMX179方案，800萬像素高清高速自動對焦，分辨率為1 920像素×1 080像素，視頻分辨率為1 080 p，幀速率最高30 f/s，感光尺寸達1/3.2″，暗光和逆光環境下可以保留更多細節信息。

(6)傳感器模塊

本設計采用DHT11型溫濕度二合一傳感器。相對濕度測量范圍為20%～99%，測量誤差為±5%，精度為1%，溫度測量范圍為0～50℃，測量誤差為±1℃，單次測量間隔2 s，范圍和精度符合農田數據采集的要求。

光照強度模塊采用靈敏型光敏電阻傳感器。

采用DS-CO2-20二氧化碳濃度傳感器，此款傳感器基于非分光紅外吸收原理，具有單氣室雙通道，可獲取兩種波長紅外光照射在接收感應器上的光強關系及其變化，根據二氧化碳對兩種波長的紅外光吸收比率函數，計算氣室中實際二氧化碳濃度。有效量程為4×10-4～3×10-3，分辨率為1×10-6，精度±(5×10-5+5%FS)。

風速傳感器采用熱線式風速傳感器模塊，測量范圍為0～30 m/s，精度為±(0.2 m/s+3%FS)。

土壤溫濕度傳感器采用基于FDR原理的ZZ-STHS-B模塊，溫度精度為±1℃，相對含水率精度達±2%，具有熱響應時間短、動態誤差小的優點。

2.2 機械臂構成與運動設計

為使土壤溫濕度傳感器插入土壤中，設計了機械臂模塊。機械臂首尾依次轉動連接的擺臂1、2、3、4，擺臂1底端通過支座與金屬車身連接，另一端與擺臂2連接，各相鄰的擺臂之間均通過與各擺臂垂直的轉軸轉動連接，各轉軸均設有用于驅動轉軸按設定角度轉動的伺服舵機，擺臂4的前端設計了電機和嵌入式土壤信息傳感器鉆頭(圖2)。機械臂是由5個舵機控制，舵機由脈沖寬度調制(PWM)控制，PWM的原理是利用高電平寬度來控制舵機轉動角度(0°～180°)。

圖2 嵌入式土壤信息傳感器鉆頭Fig.2 Sketch of soil information sensor1.鉆柄 2.夾持結構 3.土壤信息傳感器 4.加寬鉆頭

使用Matlab軟件借助機械臂工具箱Robotics Toolbox建立機械臂模型，即可實現簡單的運動學仿真。按照改進D-H法建立機械臂坐標系，簡化坐標系如圖3所示，其中基坐標系和關節1坐標系重合(X0,1，Y0,1，Z0,1)，關節2坐標系與關節1坐標系原點重合，為直觀表示，圖3中將關節2坐標系和關節1坐標系分開。由此得到機械臂連桿參數和關節變量如表1所示，其中，θi為關節角，di為偏置距離，ai-1為桿長，αi-1為扭角。

圖4 各關節角度、角速度、角加速度與時間關系曲線Fig.4 Relationship curves between time and joint angle, velocity and acceleration

圖3 機械臂各關節D-H坐標系 Fig.3 Arm joint coordinate system

設定機械臂初始化關節角為[0 0 0 0 0]，運行程序如下

L1=Link([0 0 0 0],‘modified’); %定義各連桿的D-H參數

L2=Link([0 0 0 -pi/2 ],‘modified’);

L3=Link([0 0 30 0],‘modified’);

L4=Link([0 0 30 0],‘modified’);

L5=Link([0 0 30 0],‘modified’);

b=isrevolute(L1);

robot=SerialLink([L1,L2,L3,L4,L5]); %連接連桿

init_ang=[0,0,0,0,0,0]； %機械臂初始化角度

targ_ang=[0,0,0.6,0.55,0.35,0]; %機械臂終止角度

step=200;%設置步數

[q,qd,qdd]=jtraj(init_ang,targ_ang,step); %利用5次多項式計算軌跡

表1 機械臂D-H參數Tab.1 Robot’s arm D-H parameters

圖5 機械臂三維仿真示意圖Fig.5 3D simulation diagrams of arm

最終得到一個完整周期內每個關節的角位移、角速度和角加速度與時間的關系(圖4)。從圖4可以看出，隨著機械臂的運行，每個關節的角位移、角速度和角加速度變化曲線連續且平滑。圖5為機械臂初始時刻、運行中某一時刻和終止時刻的三維空間位置。經過Matlab仿真模擬和實際運行，機械臂在PWM控制下實際運行時，各關節和部件運行流暢、平穩，最終鉆頭位置垂直于地面。

2.3 農田信息采集車整體結構

將上述所選組件組裝，得到農田信息采集車結構示意圖如圖6所示?？紤]到車身電池和主板等發熱源對傳感器的影響，將溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器和風速傳感器模塊安裝至車身尾部，減小自身發熱源等可能產生的影響。

圖6 農田信息采集車結構示意圖Fig.6 Structural diagram of farmland information collection vehicle1.履帶 2.溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器、風速傳感器 3.WiFi天線 4.電源和控制主板 5.機械臂 6.鉆頭電機 7.土壤信息傳感器鉆頭 8.可轉動高清攝像頭

信息采集車工作流程為：①打開采集車電源，通過WiFi與手機客戶端連接，待各傳感器預熱完成后，開始工作。②采集車行走至第1個采樣點，采集溫濕度、光照強度、CO2濃度和風速數據，用時約5 s。③通過屏幕調整高清攝像頭俯仰角和橫滾角，拍攝所需行間作物莖稈、葉片等圖像，用時約10 s。④發送機械臂控制信號，當機械臂運行完程序達到終態后，手動啟動機械臂前端電機，并操作機械臂緩慢鉆入土壤深5 cm，待穩定后測量土壤溫濕度，用時約30 s。完成所有信息采集后，信息采集車行進至下一個采樣點。

3 MCU程序與控制軟件

3.1 MCU程序

板載程序使用Keil uVision4開發環境和C語言編寫，通過ISP下載到主控芯片中。程序由main主程序、config初始化、selftest自檢、motor電機控制、servo舵機等子程序組成，主程序簡要代碼如下

void main(void)

{

#ifndef DEBUG

{

TestApp_Init();//自檢延時程序

}

#endif

UART_init();//串口初始化

Timer0_Init();//定時器0初始化(舵機定時器)

Timer1_Init();//定時器1初始化

Motor_Init();//電機初始化

Init_Steer();//舵機角度初始化

while(1)

{

Cruising_Mod();//全功能模式功能執行子函數

}

}

3.2 控制軟件

手機客戶端與采集車之間通過WiFi信道基于傳輸控制協議(TCP/IP)的方式通信，使用套接字Socket實現通信功能，滿足手機遙控智能車與傳感器數據回傳的需求，通信框架如圖7所示。其中手機作為客戶端，WiFi模塊作為服務器，其通信過程為：WiFi模塊先聲明一個ServerSocket對象，并且給定端口號，再建立與手機連接的Socket對象，并將其返回。調用ServerSocket的accept()來接收手機客戶端的數據。如果沒有數據請求，accept()一直處于等待狀態，一旦接收到數據，將通過inputstream讀取接收的數據。

圖7 采集車通信框架示意圖Fig.7 Vehicle communication framework scheme

客戶端創建一個Socket 對象，指定服務器的IP地址和端口號(Socket socket=new Socket(“192.168.1.1”，8000)；)，通過inputstream讀取數據，獲取服務器發出的數據(OutputStream outputstream=socket.getOutputStream())，最后將要發送的數據寫入outputstream即可進行TCP協議的Socket數據傳輸，WiFi通信過程如圖8所示。

圖8 采集車WiFi通信過程示意圖Fig.8 Vehicle WiFi communication framework scheme

手機客戶端系統分為4個模塊，分別為視頻組件、控制組件、傳感器數據組件和系統設置，如圖9所示。

圖9 客戶端系統設計方案Fig.9 Client system design scheme

該客戶端以全屏模式第1視角實時顯示車載攝像頭畫面，并可通過滑動屏幕空白部分調整攝像頭角度，通過拍照和攝像按鈕采集視頻數據。傳感器數據框內則顯示傳感器采集到的實時數據，另可查閱歷史數據。農田信息采集車手機客戶端主界面如圖10所示。

圖10 農田信息采集車手機客戶端主界面Fig.10 Mobile client main interface of farmland information collection vehicle

4 田間試驗

經田間試驗，農田信息采集車通過WiFi與手機連接，圖像傳輸信號強，手機遙控操作延時在200 ms內，最大遙控距離45 m。低轉速大扭力電機和寬履帶式車輪可以保持最大0.8 m/s的速度行駛，越障最大傾斜角可達30°，在田間復雜環境下通過性強。車身小巧，能在行間距15 cm以上的作物行間完成前進、倒退、轉向等操作。可以以第1視角觀察到作物行間畫面，視頻畫面流暢、清晰，在勻速行駛狀態下平均幀率為21.3 f/s，視角調整精確。信息采集功能可完整實現，可以獲取環境溫濕度、光照強度、CO2濃度、風速等數據，通過搭載的機械臂和土壤傳感器，獲取土壤溫度、濕度信息，單個采樣點平均采集時間為45 s。

為了驗證農田信息采集車所采集到數據的準確性，采用目前較為公認且精確度高的儀器設備與農田信息采集車采集數據進行對比，使用TES1370型非分散紅外(NDIR)二氧化碳測量儀測量CO2濃度和溫濕度，使用TES1340型熱線式風速儀測量風速，采用TASITA8133型數字光照計測量光照強度，采用順科達TR-6D型多功能土壤溫濕度計測量土壤溫度和濕度[19-20]。同時使用農田信息采集車和上述儀器設備測量8個點位數據，對比結果如表2所示，其中測量值為農田信息采集車所獲數據，參照值為高精度儀器設備所獲數據。

可以看出，農田信息采集車所采集溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、風速、土壤溫度和土壤濕度與高精度儀器設備所測數據相關系數均大于0.90，說明農田信息采集車各傳感器滿足測量需求。

5 結論

(1)針對傳統農業物聯網系統存在傳感器少、投入成本高、建設周期長和對環境不友好等問題，設計了一種以STC11F32XE微處理器為核心，搭載溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器、風速傳感器和土壤溫濕度傳感器等的農田信息采集車，通過WiFi將控制設備與信息采集車連接，實現遠距離遙控行走和農田環境信息采集。

(2)為解決土壤溫濕度采集的需求，設計了鉆頭，將土壤傳感器與加寬鉆頭結合，利用5自由度機械臂與鉆頭電機，實現土壤溫濕度傳感器鉆入土下深度約5 cm，獲取土壤溫濕度信息。

表2 農田信息采集車數據與高精度儀器設備數據對比Tab.2 Comparison of vehicle data and high-precision instrumentation data

(3)田間試驗表明：圖像傳輸畫面流暢、清晰，在勻速行駛狀態下平均幀率為21.3 f/s，視角調整精確；遙控延時在200 ms內，最大遙控距離45 m，最大行駛速度為0.8 m/s，越障最大傾斜角為30°，可在行間距15 cm以上的作物行間行走；所采集溫度、相對濕度、光照強度、CO2濃度、風速、土壤溫度和土壤相對濕度與高精度儀器設備所測數據的相關系數均大于0.90；單個采樣點平均采集時間為45 s。