基于TRIZ的溫室大棚機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃曼綺，王 旭

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 611731）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)的高速發(fā)展。現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用日趨完善，為溫室大棚內(nèi)部的農(nóng)作物提供了優(yōu)質(zhì)的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)了農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升［1-3］。因此，研究溫室大棚現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，主要存在兩種方式：①現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)施技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用；②傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作方式。對(duì)于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)而言，其核心技術(shù)之一是溫室大棚無(wú)線(xiàn)傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［4-6］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多高校以及研究機(jī)構(gòu)對(duì)現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)開(kāi)展了大量的研究。趙繼春等［7］為解決傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)部復(fù)雜的線(xiàn)路布局問(wèn)題，以ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，STM32 為主控系統(tǒng)，并采用MC35i GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊，開(kāi)發(fā)了溫室大棚無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的云端采集和系統(tǒng)的低丟包率效果；李明等［8］選擇S3C2440 為主控制芯片，利用Mini2440 開(kāi)發(fā)板，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚內(nèi)部數(shù)據(jù)的接收和分析功能，該系統(tǒng)除傳統(tǒng)的溫濕度、光照度、二氧化碳等參數(shù)監(jiān)測(cè)外，還考慮到了對(duì)惡劣氣候下，溫室大棚的幕布破損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；畢然等［9］以面向形象設(shè)計(jì)法為基本原理，構(gòu)建了溫室大棚的模糊控制數(shù)學(xué)模型以及溫度控制模型，提升了控制系統(tǒng)的效率，并確保了系統(tǒng)的高精度控制和高穩(wěn)定性。從上述現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究情況來(lái)看，高精度參數(shù)監(jiān)測(cè)、高效控制以及智能化的趨勢(shì)日趨完善。但設(shè)備采用的元器件較多，系統(tǒng)成本較高，而對(duì)于傳統(tǒng)的人工耕作模式而言，雖然其比例逐漸減少，但是仍有約40%的種植方式采用傳統(tǒng)人工作業(yè)形式［10］。該模式存在成本低的優(yōu)點(diǎn)，但人工種植方式也存在天氣因素影響大、周期長(zhǎng)、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)無(wú)法穩(wěn)定輸出的問(wèn)題。所以，改進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的同時(shí)也造成了成本過(guò)高的問(wèn)題，而節(jié)約成本的模式，又造成農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降的問(wèn)題，故這兩種模式構(gòu)成了一對(duì)技術(shù)矛盾。

鑒于以上問(wèn)題，本文采用基于解決技術(shù)矛盾的萃智發(fā)明原理（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ），采取合理的技術(shù)方案，開(kāi)發(fā)一種溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在為農(nóng)作物提供最優(yōu)生長(zhǎng)環(huán)境的同時(shí)，解決成本較高的問(wèn)題，并以10 d 為周期的環(huán)境參數(shù)測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)溫室大棚內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)測(cè)精度。也為后續(xù)進(jìn)一步的性能測(cè)試和優(yōu)化改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化方案的提出

1.1 TRIZ發(fā)明原理概述

TRIZ 是一種以技術(shù)矛盾解決方案的統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的矛盾進(jìn)行解決，并最終獲得解決矛盾的最佳方案，即矛盾解決理論［11］。對(duì)于溫室大棚的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，當(dāng)實(shí)現(xiàn)某些參數(shù)的優(yōu)化或系統(tǒng)的改善時(shí)，必定造成系統(tǒng)其他方面的惡化。因此，上述改進(jìn)因素以及惡化因素便組成了對(duì)應(yīng)的技術(shù)矛盾。應(yīng)用TRIZ就是為了解決該矛盾的對(duì)立面，求得系統(tǒng)的最優(yōu)解。TRIZ的操作流程如圖1 所示。

圖1 TRIZ操作流程

1.2 技術(shù)矛盾矩陣的構(gòu)建

對(duì)于溫室大棚內(nèi)部農(nóng)作物種植而言，若要精確監(jiān)測(cè)和調(diào)控農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，則最終的結(jié)果是農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)得到了較大的提升，即實(shí)現(xiàn)了結(jié)果的優(yōu)化（改進(jìn)參數(shù)）。但是，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，系統(tǒng)需要較多的無(wú)線(xiàn)傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)需要搭建用于龐大數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，其結(jié)果是提升了經(jīng)濟(jì)成本，卻造成了經(jīng)濟(jì)效益的降低（惡化參數(shù)）、同時(shí)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及維護(hù)的難度。因此，無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)的搭建和成本的提升、系統(tǒng)復(fù)雜性的提升、設(shè)備維護(hù)難度的增加，構(gòu)成了技術(shù)矛盾。同理，如果選擇人工種植的方式，從種植經(jīng)濟(jì)成本的角度來(lái)看，無(wú)疑是成本最低的。但其結(jié)果，則是農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降。所以，成本的優(yōu)化和農(nóng)作物的質(zhì)量下降，又構(gòu)成了一組技術(shù)矛盾。

在TRIZ中，為了實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域技術(shù)矛盾標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)，方便實(shí)現(xiàn)普適性的解決方案，該原理確定了39 個(gè)通用工程參數(shù)［12］。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的第一步，便是在這39 個(gè)通用工程參數(shù)內(nèi)，選取合適的工程參數(shù)與引起技術(shù)矛盾的要素進(jìn)行對(duì)應(yīng)，即將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體矛盾要素轉(zhuǎn)換為通用工程參數(shù)。對(duì)于溫室大棚種植方案而言，根據(jù)上述分析可知，搭建無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)，優(yōu)化的性能轉(zhuǎn)換成通用工程參數(shù)為系統(tǒng)的生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度。而惡化的性能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的復(fù)雜性、物質(zhì)的量以及系統(tǒng)的可維修性等通用工程參數(shù)。具體的參數(shù)變換情況，如表1 所列。

表1 通用工程參數(shù)轉(zhuǎn)換

將表1 所示的通用工程參數(shù)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的技術(shù)矛盾矩陣，如表2 所示。其中，表中的數(shù)字為T(mén)RIZ 發(fā)明原理所推薦的設(shè)計(jì)方案。

表2 技術(shù)矛盾

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定

由表2 可見(jiàn)，每一種矛盾都有多種解決措施。因此，需要結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際情況對(duì)各發(fā)明原理進(jìn)行分析和采納。其中，表2 中所示的發(fā)明原理，按照解決該矛盾的概率大小進(jìn)行先后順序編排。在具體的方案選擇中，由于表提出的方案較多，限于篇幅，本文僅選取生產(chǎn)率、自動(dòng)化程度以及系統(tǒng)的復(fù)雜性之間的技術(shù)矛盾解決方案進(jìn)行分析說(shuō)明。

為解決生產(chǎn)率和系統(tǒng)復(fù)雜性之間的矛盾，TRIZ提出了12（等勢(shì)原理）、17（空間維數(shù)變化）、28（機(jī)械系統(tǒng)替代）以及24（借助中介物）這4 種解決方案。結(jié)合溫室大棚的特點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)的解決方案如表3 所示。

表3 生產(chǎn)率與系統(tǒng)復(fù)雜性技術(shù)矛盾解決方案

同理，再分析自動(dòng)化程度和系統(tǒng)復(fù)雜性這對(duì)技術(shù)矛盾的解決措施。考慮到表2 所示的推薦方案10（預(yù)先作用原理）與本系統(tǒng)的特點(diǎn)不匹配，無(wú)法根據(jù)該原理提出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)作用設(shè)計(jì)方案，故最后確定技術(shù)矛盾的改進(jìn)參數(shù)方案為：15（動(dòng)態(tài)特性）、24（借助中介物）。再綜合矩陣中其他技術(shù)矛盾的解決方案推薦，生產(chǎn)率與系統(tǒng)復(fù)雜性的具體方案情況為：在溫室大棚里面設(shè)計(jì)一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人（24 借助中介物），對(duì)大棚環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（15 動(dòng)態(tài)特性），為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測(cè)的均勻性（12 等勢(shì)原理），在溫室大棚中按照規(guī)劃的路勁設(shè)置滑軌（28 機(jī)械系統(tǒng)替代），引導(dǎo)機(jī)器人沿滑軌運(yùn)行并在指定點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集。該移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案，替代了原系統(tǒng)多點(diǎn)布置無(wú)線(xiàn)傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。機(jī)器人僅需要攜帶少量傳感器便能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，大大降低了成本，解決了生產(chǎn)率、自動(dòng)化成都和物質(zhì)的量的矛盾；同時(shí)，機(jī)器人運(yùn)行路徑設(shè)計(jì)滑軌，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和可維修性，解決了自動(dòng)化程度和系統(tǒng)復(fù)雜性、可維修性之間的技術(shù)矛盾，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的布局

根據(jù)TRIZ發(fā)明原理得到了溫室大棚移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。按照該方案，需要在溫室大棚內(nèi)部設(shè)置一個(gè)均勻的軌道，引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)行，構(gòu)建系統(tǒng)的三維模型，如圖2 所示。

圖2 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行和軌道三維模型

從系統(tǒng)的基本功能來(lái)看，主要是實(shí)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)及調(diào)控。故系統(tǒng)的基本模塊包括主控制器模塊、各環(huán)境參數(shù)檢測(cè)模塊以及移動(dòng)機(jī)器人模塊等，系統(tǒng)模塊的整體布局如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)整體布局

2.2 硬件設(shè)計(jì)

溫室大棚移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)、溫室大棚內(nèi)部移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模塊以及輔助循跡的紅外模塊等。機(jī)器人的三維實(shí)體模型如圖4 所示。在驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)中，考慮到移動(dòng)速度的準(zhǔn)確控制和無(wú)級(jí)調(diào)速，控制電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型確定為直流電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)模塊選擇為L(zhǎng)298N［13］。移動(dòng)機(jī)器人以STM32 為主控制器［14］，其系統(tǒng)電路如圖5 所示。

圖5 主控系統(tǒng)電路

2.3 軟件設(shè)計(jì)

為使機(jī)器人沿著設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)，本文進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)：采用黑色軌道，應(yīng)用紅外傳感器可識(shí)別路徑并驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)；在某些特殊情況下，也可使用智能手機(jī)來(lái)操作設(shè)備。系統(tǒng)軟件的主要程序流程如圖6 所示，圖中x，y為移動(dòng)機(jī)器人的位置坐標(biāo)，x0和y0分別為移動(dòng)機(jī)器人在x和y方向的初始坐標(biāo)，y0＝110。

圖6 系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

較之于傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試，溫室大棚移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試效果，也是驗(yàn)證TRIZ 發(fā)明原理推薦的技術(shù)矛盾解決方案是否合理的關(guān)鍵。其核心問(wèn)題歸納為：與多點(diǎn)布置的無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)相比，移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)試數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確；二者的精度偏差是否穩(wěn)定［15］。由此，本文對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。設(shè)立的步驟為：①建立一個(gè)3D打印的模擬溫室大棚模型；②以10 d為周期，分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集；③比較二者之間的偏差，驗(yàn)證測(cè)試精度。限于篇幅，本文僅以光照度為例，測(cè)試的具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 光照度測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖的測(cè)試數(shù)據(jù)比較可知：

（1）與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感器靜態(tài)測(cè)試結(jié)果對(duì)比。移動(dòng)機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與靜態(tài)測(cè)試結(jié)果存在一定的偏差。整體而言，移動(dòng)機(jī)器人測(cè)試的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)要明顯高于無(wú)線(xiàn)傳感器靜態(tài)測(cè)試的結(jié)果。

（2）從偏差狀況比較。二者的偏差值基本穩(wěn)定。因此，在采用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。以光照度為例，修正值設(shè)定為－60 lx 較為合理。如此一來(lái)，最終獲得的測(cè)試結(jié)果就可以確保在一個(gè)比較高的精度范圍內(nèi)，基本能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的使用。

綜上所述，本文根據(jù)TRIZ 的推薦方案設(shè)計(jì)而成的溫室大棚移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試精度基本能夠滿(mǎn)足要求，性能良好。且該設(shè)計(jì)方案在提升生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度的基礎(chǔ)上，可以有效解決傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜以及維護(hù)困難等問(wèn)題，即比較良好地解決了該技術(shù)矛盾，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，該設(shè)計(jì)方案也獲得2 項(xiàng)［16-17］發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要采用TRIZ對(duì)溫室大棚機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并開(kāi)展了以10 d 為周期的環(huán)境參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，移動(dòng)機(jī)器人測(cè)試結(jié)果均高于靜態(tài)測(cè)試值；每天的測(cè)試值偏差基本保持在60 lx左右的范圍。因此，可以通過(guò)修正機(jī)器人動(dòng)態(tài)采集的數(shù)據(jù)，來(lái)提升溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度；并利用TRIZ的推薦方案，能夠有效解決溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的技術(shù)矛盾，設(shè)計(jì)方案達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，解決了因優(yōu)化溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而導(dǎo)致的高成本、系統(tǒng)復(fù)雜以及維修困難等問(wèn)題，為后續(xù)相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。