植物多功能自動維護系統研究與設計

洪耀球

摘要：為解決傳統溫室大棚需要人力資源過多，現有智能溫棚系統管理精細程度不夠，不能完全取代人工，實現植物種植培育過程中的精細化智能管理等問題，研究了一個植物多功能自動維護系統，系統由機器園丁端、溫棚環境監控端、服務器端構成。使用溫濕度傳感器、光照度傳感器、色彩傳感器、紅外避障傳感器，實現對溫棚內植物生長環境、條件的自動監控，查找生長異常的植物，并進行補水、噴藥等處理，同時具備機器園丁自動加水、加藥，自動尋光充電等功能。系統通過無線收發模塊完成數據傳遞，應用SQLite數據庫技術存儲實時信息，并可通過本地、手機網絡實現遠程控制。

關鍵詞：精細化管理;機器人;環境監控;自動補給

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）11-0034-03

1背景

目前，物聯網技術發展十分迅速，以計算機技術、自動控制技術為基礎的物聯網技術在農業領域得到越來越廣泛的應用。傳統的農作物生產方式，由于它們自身的缺點，無法改善種植效率，逐步被歷史淘汰，人們試圖找到完全解放人力資源，更加高效的農作物生產方式。隨著農業信息水平的不斷提高，以及物聯網的持續發展，人們開始利用信息技術來提高農業生產效率，智能溫棚在農業生產領域不斷得到應用，構成了我國現代農業的主力軍。

目前，市場上的智能大棚改良了傳統的農業種植方法，節約了部分勞動力，實現了農業生產規模化管理和作物的智能化技術監測。但是，現有的智能大棚只能對植物的生長進行大規模、粗放式的監測，不能對個別植物的缺水、病蟲害、果實成熟程度等進行詳細的監測，生產者也不能通過諸如智能手機之類的移動設備進行遠程控制，還不能完全取代人工作用。為解決上述問題，設計了一套植物多功能自動維護系統，不僅繼承了傳統智能大棚的監控、調整、實時信息反饋等優勢，還專門開發了機器園丁，按照特定路線，對植物個體進行生長情況監測，對生長異常的植物及時補充水分、噴灑農藥，并自動進行水、藥、電力補給，完全模仿真實生產者的工作行為，實現完全自動控制。

2系統架構

系統由機器園丁端、溫棚環境監控端、服務器端三部分組成，三部分均使用EasyARM1138開發板外接相應模塊進行通信和控制，主要包含溫濕度環境監測、病蟲害、成熟度植物生長監測、機器人澆水噴藥、自動加水加藥充電補給、無線通信等17個基本模塊，共同完成農作物生長環境監測、生長異常狀況檢測處理、機器園丁自身操控、溫棚監控信息反饋等功能，具體架構關系如圖1所示。

3溫棚環境監控端

溫棚環境監控端通過環境溫濕度檢測模塊采集土壤和環境溫度濕度信息，并經過EasyARM 1138進行先期處理后，再利用NRF無線傳感器模塊將有關信息發送到機器園丁控制端，以控制機器園丁進行各種監控和異常處理工作;液晶屏顯示溫棚溫度和濕度信息;攝像頭可以遠程視頻監控。所有信息將實時發送到服務器端進行統一處理。溫棚環境監控端子系統工作流程如圖2所示。

4機器園丁控制端

機器園丁接收來自溫棚環境監視終端的信息和來自服務器的信息，經由黑白線檢測傳感器進行跟蹤，按照設定的路徑在溫棚內移動，監視并檢測農作物的成長環境。通過溫濕度傳感器、色彩傳感器實時掌握果實成熟程度和害蟲情況，根據實際需要灌溉，完成噴灑農藥等工作。檢測和操作信息首先由EasyARM 1138處理，然后通過無線傳感器模塊和虛擬串行端口傳遞到服務器。當機器人缺少水和藥物時，它會自動補充，并重新回到水和藥物斷點繼續操作。當電力不足時，可以自動檢測足夠的光源，并且可以使用太陽能電池面板充電。如果沒有足夠的光源，則警告自動被反饋給服務器和用戶的智能手機。然后它自動返回出發點，等待用戶的手動充電。圖3為機器園丁控制端硬件框圖。

5傳感器模塊

系統使用環境溫濕度傳感器、環境光線傳感器、色彩傳感器、壓力傳感器、黑白線傳感器、紅外避障傳感器等來實現植物種植培育過程中數據監測、動作執行、信息傳遞等動態管理工作。

5.1黑白線傳感器

采用TK-20黑白線檢測傳感器實時進行軌道檢測，使機器人按照設定好的路線移動。實現方式：在機器人的移動路線中間設置3 cm的黑線，指引機器人按照正確的路線移動及操作，避免機器人出現比較大的路線偏移。機器人的本體采用無舵機雙驅動器履帶車。在履帶車中間間隔3厘米安裝兩個TK-20黑白線檢測傳感器。以履帶車視角為基準，左邊傳感器是TK（左），右邊傳感器是TK（右）。具體尋跡方式如表1所示。

5.2紅外避障傳感器

為了能讓機器人停留在正確的位置，系統使用了E18-D80NK紅外線避障傳感器來實時檢測農作物位置。

實現方式：在履帶車體的兩側，分別安裝2個傳感器，以履帶車視角為基準，左側傳感器是E18（左），左側傳感器是E18（右）。利用紅外避障傳感器上的電位調節旋鈕調整適當的檢測距離。只要檢測到農作物與傳感器之間的距離在指定的距離范圍內時，則判定有農作物，機器人停留、操作。并且機器人每次轉向后，都會啟動轉向側紅外避障傳感器，關閉另一個紅外避障傳感器，兩個傳感器交叉打開關閉，以便使所有的植物都能被檢測到。具體判定方法如表2所示。

5.3色彩傳感器

使用TCS3200色彩傳感器，檢測病蟲農作物，識別成熟掛果作物。

TCS3200是通過將彩色光轉換成不同頻率，達到識別色彩目的。用于判別靜態物體顏色，不同顏色輸出不同頻率。可以通過利用S2和S3的不同組合來選擇，共有紅、藍、綠、無信息等四種濾波器類型。如表3所示。

通過測量3個參數R、G、B的頻率值，可以識別當前農作物的顏色，綠色是正常的作物，黃色是病蟲害的作物，紅色是有成熟掛果的作物。

5.4環境光線傳感器

DFR0026環境光線傳感器用于檢測周圍光照強度，以此判斷是否有可用的光源為機器人充電。環境光線傳感器采用環境光電二極管，傳感器輸出電壓隨光照強度變化，光照越弱，輸出電壓越低，光照越強，輸出電壓越高。機器人會檢測光線傳感器輸出值，當輸出電壓較高，達到充電需要的光照度，就啟用電力控制模塊的自我充電功能，通過安裝在機器人上的太陽能電池面板給電池充電。如果不符合要求，則回到起點，向服務器及生產者移動手機發送報警信息，等待手工充電操作。

5.5壓力傳感器

為判斷機器人附帶的水（藥）罐容量，系統使用FSR402電阻壓力傳感器進行測量。檢測原理是將壓力傳感器置于水（藥）罐下，FSR傳感器會把施加到傳感器的膜區域的壓力轉換為電阻值，電阻輸出值因壓力而變化。水（藥）罐的剩余容量越高，壓力越高，電阻值越低，輸出值越小，反之亦然。可通過檢測電阻值大小判斷機器人是否缺水（藥），是否已經補充完畢。

5.6NRF無線收發模塊

3個NRF24L01分別連接到機器園丁控制端、溫棚環境監測端以及服務器端的EasyARM1138開發板上，雙向傳輸信息，在系統的三個部分之間完成信息傳輸和相互控制。

溫棚環境監控端通過無線收發模塊分別向服務器和機器人控制端發送監控信息。在機器園丁根據信息執行了對應的工作之后，任務執行情況信息再次由無線收發模塊進行反饋。服務器通過無線收發模塊控制整個系統。NRF24L01無線模塊數據傳輸過程如圖4所示。

6服務器端

服務器端使用無線傳感器模塊接收到實時信息后，經由虛擬串行端口發送到Cortex A9平臺，數據經過處理后，存儲在SQLite數據庫中，服務器端有觸摸式總控程序，生產者也可以通過服務器控制整個系統。當出現異常情況時，系統會自動發送報警信息給生產者的手機，生產者還可以通過智能手機人工控制機器園丁，以完成相應的功能。

7結束語

經測試，植物多功能自動維護系統具有以下特點：

1）具有精細化管理的特點，能對每一棵農作物進行精細化監控、護理操作，基本可以模仿真實工作人員農作物作業。

2）自動水藥供應、自動充電，條件不具備時，也可以人工操作。

3）系統中心采用模塊結構和網絡設計，有助于項目的階段性實現和功能進一步的完善，且系統功能具有良好的可擴充性。