沙漠灌溉小車設計方案研究

黎耕 薛琪琪 張鵬兵 陳蕾

摘要：基于目前沙漠植被智能灌溉處于半空白狀態，但是沙漠綠化和防沙治沙工作刻不容緩。沙漠植被在種植初期缺少及時合理的灌溉導致成活率低，種植的大量植被生長緩慢固沙作用不明顯，我們立足于當前形勢下，利用目前所擁有的智能技術結合農業灌溉知識，制作一款依靠太陽能發電、自動按時定量、合理、綠色環保、低人工干預的灌溉方式。并且采用靠近植物根系的節水灌溉方式，真正地做到節能與智能的完美結合。

關鍵詞：智能小車;沙漠灌溉;傳感器;環保

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）29-0256-03

2016年，螞蟻森林上線，用戶可以通過步行、網上繳費等其他行為降低碳排放，將被換算為“綠色能量”，“綠色能量”積累到一定量可以在網上種下一棵樹。網絡上的樹長大之后，公益組織會在沙漠化嚴重的地方種一棵真樹，鼓勵用戶的低碳行為同時達到保護環境的目的。2019年2月，盒馬接入支付寶螞蟻森林，在盒馬門店購物不使用塑料袋即可獲得綠色能量。據盒馬預計，此舉全年有望減少使用1277萬只塑料袋，創造的綠色能量可種植約1.5萬棵梭梭樹。2019年4月22日，支付寶宣布螞蟻森林用戶數達5億，5億人共同在荒漠化地區種下1億棵真樹，種樹總面積近140萬畝。龐大數量的樹苗灌溉是一個困難的問題，根據查閱資料，螞蟻森林目前沒有成型的灌溉體系，因而我們設計的這款小車是通過智能化控制解決植株灌溉問題。

1總體設計

1.1沙漠灌溉小車的機械結構

沙漠灌溉小車主要由機體結構、控制結構和運行結構三部分組成如圖。機體結構由機械臂，履帶底盤和步進電機構成的驅動部件組成。運行結構主要包括超聲波傳感器和顏色識別傳感器。控制結構主要為太陽能電池板，arduino開發板和樹莓派核心主板組成。

本方案產品堅持以“高效、便捷”的設計理念，采用全智能沙漠灌溉小車自動化為一體的控制方式，通過由履帶和步進電機構成的驅動裝置，外搭載超聲波傳感器，Flash-LiderF4激光雷達和GPS模塊來實現多點導航。首先確定需要被灌溉植被的路徑，再利用顏色識別傳感器分辨出灌溉的植株。待灌溉目標明確后，將采用地下滲透的方式進行灌溉。在灌溉工作開始前，需要機械臂在被灌溉植被旁埋下一個可降解且色彩較鮮明的容器，選用此材質和顏色的原因有兩點：一是可降解意味著對環境不會造成污染;二是色彩鮮明便于顏色識別傳感器的辨識。每棵植株定量灌溉，達到預設灌溉量后，灌溉系統停止工作，轉由驅動模塊工作，小車前進，尋找下一棵需灌溉的植株。另外，在灌溉小車運行過程為減少車轉身，小車將搭載一個機械臂來保證其運作機理的正常進行，進而完成灌溉工作。根據查閱資料獲得螞蟻森林種較為整齊，所以我們選用單排劃片灌溉的方式。小車單次所載水量根據多次實驗得出，使其在載水灌溉完之后盡可能地靠近基站，便于其再次載水。

1.2工作部件構成

1.2.1供電系統

供電系統由一塊12V320MA的光伏發電板，光合硅能12V7AH蓄電池和12V全自動充放電太陽能控制器組成。太陽能電池板其作用是將太陽的輻射能力轉換成電能。控制器控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到充放電保護的作用。蓄電池為鉛酸電池，具有將產生的電能儲存的功能，人為控制選擇釋放時間。

1.2.2驅動部件

小車底座采用履帶底座，以便于適應沙漠復雜地形。選用直流步進電機2個，提供雙驅動，以獲得足夠的動力。直流步進電機選用電子開關器件，相較與傳統電機它的優點是高保障性，工作時無轉向電火花，較低的機械噪聲等。

電機驅動模塊選用L298N為控制芯片的模塊，VSS可接4.5-7V電壓。OUT 1，OUT 2之間接電機。輸人控制電平由特定的引腳接入，控制電機的正反轉。

履帶底盤通過卷繞的履帶支撐地面，與地面接觸面積大，具有摩擦大，不易下陷等優點。

2支持灌溉小車的核心部件

2.1超聲波傳感器和FlashLiderF4激光雷達

通過無人機拍攝獲取需灌溉區域地圖。使用FlashLiderF4激光雷達進行繪建地圖。樹莓派運行環境為Ubuntu，indigo版POS，樹莓派3。正常啟動并讓樹莓派與PC正常通訊，樹莓派修改hosts文件，并讓樹莓派獲取PC端的IP與主機名。在建圖前要對激光雷達F4與D1的坐標進行對齊。控制D1掃描地圖。掃描完成后，保存地圖。修改launch文件，引用保存好的地圖。以第一棵樹為起點，下一棵樹為目標點，設置好目標點后，Dashgo會計算路徑，自動控制小車移向目標點。超聲波傳感器負責路徑上的簡單避障。超聲波傳感器先發送一個信號，信號行進途中遇障礙后會反彈回來，再被超聲波傳感器接收，高電平持續時間為傳感器信號發送到接受的時間，所以測試的距離=（高電平時間*聲速）/2，再將距離換算成厘米（所用函數：dis-tance=pulsenlnf接收信號的引腳echo，HIGH）/58;聲速為340m/s）。

2.2pixy顏色識別及處理

Pixy使用的是基于色調過濾算法來識別物體，因而植株旁儲水容器選用色彩鮮亮的顏色。實現過程：首先給pixy供電，pixy的LED燈會規律的閃爍幾下。然后按住pixy頂部按鈕，約1秒鐘，LED會變亮，會按白色到紅色再到其他顏色的順序變化，在LED燈變為紅色時放松按鈕，pixy會進入lightpipe模式，LED的顏色就是pixy攝像頭所看到的圖像中間的部分。通過pixy返回的值定位所植株旁儲水容器，帶動機械臂轉動水泵工作，完成注水。

2.3樹莓派核心主板

小車的主控模塊選用樹莓派。樹莓派運行基于Linux的開源系統。樹莓派3代B型，性能相對于一般的嵌入式系統都較為強大。樹莓派有豐富的外部I/O口，結合樹莓派的I/O口Py-thon庫（GPIO庫），可以滿足發燒友各種奇妙設計的需求。基于樹莓派的上述特點，本系統將其作為遠程控制沙漠灌溉小車的主控模塊。

2.4arduino開發板

選用arduino開發板作為機械臂的控制主板，其原因是該開發板的IDE是免費，開源的，具有13個數字10接口（D10數字輸入輸出口），輸出PWM接口6個，AUTO接口可用做模擬輸出口使用。庫函數種類繁多，選用JAVA開發的編程環境作為開發環境。機械臂選用3個數字舵機調節方向和高度，第一個控制方向，第二個控制高度，第三個搭載于最前端，用于在識別到植株后更進一步的調節。機械臂上連接有從水箱中引出的水管，位置調節完成后，完成灌溉。

2.5小車灌溉系統

小車搭載一個儲水水箱，內置汲水水泵和水位傳感器。水位傳感器監測水箱內水位。小車識別到植株停好后，pixy顏色識別傳感器提供一個脈沖，樹莓派主板識別處理后，控制水泵工作，因為我們提前設置好每次的灌溉量，因而當灌溉一定水量后，停止出水。系統關閉，執行下一前進工作指令。

2.6植株旁儲水容器

容器形狀如圖，選用沙漏型一方面是為了注水方便，且下部分便于儲水，最底部開若干小孔，采用低滲的方式實現根部灌溉，節約水資源的同時還能避免沙土結痂，塊化。顏色選用設定的明亮色，便于顏色傳感器識別。材質用可降解材料，在結束灌溉工作后，自我降解，防止污染還能作為植株生長肥料二次利用。

3成果展示

通過系統組裝，成品如上圖所示，履帶底座確保復雜地形小車可以行走，太陽能電池板、控制器和蓄電池構成供電系統。樹莓派控制小車的行駛，arduino開發板控制機械臂的動作和汲水水泵工作實現灌溉功能。模擬沙漠環境，多次實驗，小車在不同環境下工作正常，能夠完成實驗預設功能，因此該實驗具有可行性。

4結尾

在如今主流社會的趨勢下，環境問題與經濟社會的矛盾逐漸激化，經濟高速發展的同時，一定程度地影響了自然環境。因而發展兩者兼顧的共存模式是勢在必行的。螞蟻森林的出現極大地改善了我國西北環境，但惡劣環境使植株的生長面臨嚴峻的挑戰。因而實行智能高效的科學灌溉是尤為重要的。科學灌溉能夠使泥土中各類元素的狀態保持一種穩定的狀態，其特點是省水，省工等。近年來，人口數量的快速增加，環境所面臨的壓力越來越大，水資源的問題日益顯現，節水灌溉成為必然趨勢。可持續發展需要每個人參與其中。