基于物聯網的小型智能移動灌溉系統研究

彭麗紅,盧海鑫,羅 柱,蔣明君

(1.廣西農業職業技術大學,廣西 南寧 530007;2.東莞高標電子科技有限公司,廣東 東莞 523000)

0 引言

經濟發展帶動科技創新,新時代科學技術又可以促進經濟高速發展。智能網聯技術、物聯網技術、網絡通信技術等新技術的應用,使得新一代農業人工智能機械應運而生,為綠色產業、生態環保和智慧農業的實現提供了有力保障。新一代農業人工智能機械需要價格低廉、服務功能性強、靈活多變的小型農業機械投入市場。基于物聯網的小型智能移動灌溉系統,利用先進的科學技術進行數據采集和計算處理,再根據作物需水情況進行智能移動澆灌。該系統在節約人力的同時,自動為作物補水,改善土壤環境,實現增產、增質、節水、節能目標。

1 智能移動灌溉系統總體構架

智能移動灌溉系統結構主要包括感知電器、控制系統、應用軟件、物理硬件4個部分。各模塊在網關的控制下,相互協調工作,能夠保證智能移動灌溉系統各種功能的實現。該系統結構如表1所示。

表1 系統架構

智能移動灌溉系統主要由互聯網傳輸模塊、土壤數據采集模塊、無人駕駛農用小車控制模塊和云端控制模塊組成。互聯網傳輸模塊通過采用ZigBee與5G技術相結合的方式組建無線通信網絡。土壤濕度傳感器采集土壤水分比例,由無線網絡傳輸至云平臺控制中心,再由控制中心對接收到的土壤濕度信息進行智能分析與模擬運算。如果土壤水分比例低于設定范圍,云平臺控制中心將通過互聯網反饋到移動終端,提醒農業技術員控制無人駕駛灌溉車對植物進行灌溉,從而實現智能移動灌溉管理[1]。

無人駕駛灌溉車包含整車控制單元、環境感知系統、車輛運行系統。環境感知模塊通過車域網向智能移動整車控制單元采集視覺傳感器、激光雷達、毫米波雷達等模塊的信號。智能移動整車控制單元和土壤濕度采集模塊通過網關和無線網絡,將數據傳輸到云平臺控制中心。云平臺控制中心通過無線網絡與手機、電腦、平板連接。農業技術人員可通過手機、電腦、微信程序等通信終端對無人駕駛農用灌溉車進行遠程控制。

此外,該系統還可以由大屏顯示視頻監控,由視頻采集模塊采用5G技術無線傳輸超清視頻圖像數據,幫助農業技術員觀察系統的執行情況,及時調整灌溉策略。總體結構框架如圖1所示。

2 智能移動灌溉系統關鍵技術

2.1 物聯網移動通信技術

物聯網移動通信系統主要由無線網關、土壤濕度傳感器節點和車聯網節點組成。模塊化網關設計不僅極大地提高了兼容性,還可以兼顧不同場景數據傳輸的需求。如網關能夠接收無人駕駛農用車的節點數據和傳感器數據并進行轉換,然后通過無線網絡傳輸到智能移動灌溉系統控制平臺或智能手機。同時,智能移動系統控制平臺向無線節點發送控制指令,整車控制單元控制執行機構運轉,對農作物進行噴灌。網關軟件與軟件系統結構如圖2所示。

圖2 網關的軟件及軟件系統結構

互聯網網關系統主要包括感知層、傳輸層、控制層、應用層。其中,感知層中的數據傳輸協議和基礎服務模塊對系統中各種傳感器和攝像頭采集的環境數據進行整合,通過數據處理模塊解析指令,并將數據實時上傳給網關傳輸層。傳輸層將感知節點數據進行協議轉換,將傳輸中的數據包解析為統一格式,由網關上的5G模塊和以太網模塊進行節點數據和管理指令的網絡傳輸,云端控制中心接收到數據,進行分析計算,由客戶控制下發管理指令[2]。同時傳輸層的命令映射解析控制層下發管理指令,并進行正確的指令轉發。網關接收控制層下發的指令,分發到應用層。應用層接收到指令后,控制應用節點駕駛無人農用車進行智能灌溉。

云平臺控制中心位于物聯網網絡控制層,控制管理存儲感知節點數據,為網絡的管理操作界面提供接口。云平臺控制中心和網關之間使用傳輸控制協議(Transmission Control Protocol,TCP)進行數據傳輸。

2.2 無人駕駛農用車車聯網技術

車聯網(Internet of Vehicles,IoV)是以汽車為移動終端,通過遠程無線通信技術構建的汽車與互聯網之間的網絡,在汽車移動互聯網上傳輸汽車與服務信息,實現汽車的自動駕駛,如圖3所示。

圖3 無人駕駛農用車車域網結構

無人駕駛農用車車域網主要使用以CAN數據傳輸協議為主的總線技術。CAN 通信技術為車輛提供通信支持,其中包括驅動線控系統、底盤線控系統、駕駛輔助系統(Advanced Driving Assistance System,ADAS)。

車載移動互聯主要由“端”“管”“云”3層架構組成,“端”包括帶通信功能的車載單元(On Board Unit,OBU)、帶感知功能的攝像頭、雷達等。“管”是指實現互聯互通的網絡,網絡支持根據需求靈活配置。“云”是匯集數據計算、分析、決策、存儲以及基本運維管理功能的平臺,根據需求可部署在邊緣側或中心云。在“端-管-云”架構下,形成底層和頂層的數字化映射,實現環境感知、數據整合計算、決策掌控[3]。

2.3 土壤濕度檢測技術

智能移動灌溉系統主要利用 DHT11 濕度傳感器完成大棚內土壤環境水分信息的采集和處理,溫室土壤的不同位置均勻地布置了濕度傳感器,各對應1個位置坐標。土壤水分比例采集單元每 4 h 采集 1 次數據,由 AD 轉換后將土壤濕度信息傳遞至網關進行分析處理,再由傳輸層上傳至控制層。每個階段土壤濕度的最佳范圍都儲存于控制層中的數據庫中,云控制中心首先接收來自溫室土壤的土壤水分比例數據,根據溫室作物的生長周期,將接收到的數據與土壤濕度的最佳范圍進行對比,若低于最低值,則需要灌溉[4]。

通過土壤水分比例變化模型,計算出局部需水量,并向相應的無人駕駛農用灌溉車輛發送位置和需水量信息,控制到預定坐標進行噴灌作業,完成后返回原點等候命令,做到有的放矢,使大棚土壤整體土壤水分比例達到均衡,全程無需人為參與,既節約了人力,又節約了水資源。

3 無人駕駛技術

如圖4所示,以無人駕駛農用小車為終端載體,以視覺傳感器、毫米波雷達、激光雷達為環境感知系統,通過智能移動整車控制單元對車輛運行狀態進行信息融合、決策規劃控制執行機構運轉,從而實現智能移動。

圖4 無人駕駛系統結構

3.1 智能移動環境感知技術

3.1.1 視覺傳感器

視覺傳感器是指通過攝像頭采集道路信息,運用先進的人工智能算法進行圖像處理和目標檢測的傳感器。視覺傳感器主要由光源、鏡頭、影像感應器、模/數轉換器、影像處理器、數據存儲器等組成,主要功能是獲取機器視覺系統所需的未經處理的圖像數據。無人駕駛農用小車采用單目攝像頭采集圖像信息,通過圖像匹配對圖像進行識別,然后根據圖像的大小和高度進一步估計障礙物。

3.1.2 毫米波雷達

毫米波雷達系統主要包括天線、收發組件(發射機和收發機)、數字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)和控制電路,其中天線和前端雷達收發組件是毫米波雷達最核心的硬件部分,如圖5所示。雷達收發前端的信號發生器生成雷達信號,通過發射天線向外發射毫米波,毫米波遇到障礙物表面反射信號,由接收天線接收,經A/D轉換后傳至DSP處理計算,VCU接收運算信息可快速準確地獲取小車與其他物體之間的相對速度、相對距離、位置、方向等,進而結合車輛的行駛信息進行數據融合,對所探知的物體信息進行目標追蹤識別、反饋調整[5]。

圖5 毫米波雷達電路

毫米波雷達具有3個主要的測量能力,即與物體的距離、方位角和相對徑向速度。毫米波雷達通過發射和接收高頻電磁波探測大棚田道信息,通過將毫米波信號發送到指定目標并分析發射信號頻率與反射信號頻率之間的差異來實現目標探測,識別無人駕駛小車的行走路線,對目標與毫米波雷達的相對距離、速度、角度等信息進行精確測量,從而對目標進行測距和測速,探測范圍可達 200 m以上。

3.1.3 激光雷達

激光雷達通過向目標發射激光束并接收從目標反射回來的信號(即目標回波),再將其與發射信號比較并進行適當的處理,可以精確測量目標的位置(距離和角度)、運動狀態(速度、振動和姿態)以及檢測目標的形狀,實現識別分辨和跟蹤。

激光測量模塊根據發射前后的激光信號處理三維坐標、距離、方位角、反射強光等數據,其中,由于不同物體的反射率不同,激光雷達可以根據回波的反射光強(0～255級)來區分物體的不同區域,其精度可達毫米級,如圖6所示。

圖6 激光雷達工作原理

無人駕駛小車利用視覺傳感器、毫米波雷達和激光雷達監測車輛行走路徑狀況,提取道路障礙物信息、小車行走車道信息等。嵌入高性能算法控制板,實現多傳感器數據融合算法,實現多傳感器功能互補效果。

3.2 無人駕駛小車運動控制技術

無人駕駛農用小車線控運動技術主要由驅動線控、制動線控、轉向線控等組成。將驅動、轉向、制動操作從機械結構操控改為使用電子信號和電機實現對小車的操控。云端控制中心設計無人駕駛農用小車的運動軌跡,通過互聯網向無人駕駛農用小車整車控制器(Vehicle Control Unit,VCU)發送行駛指令,整車控制器將接收到的指令進行計算和轉換,通過線束將控制信號發送給驅動電機控制單元、制動控制單元、轉向控制單元,如圖7所示。驅動機電、轉向電機、制動電機控制無人駕駛農用小車自動行駛。

圖7 無人駕駛農用小車運動控制流程

3.2.1 線控轉向技術

線控轉向系統由轉向控制單元(Steering Control Unit,SCU)、轉向執行機構、傳感器等組成。轉向執行機構包括轉向電動機、轉向機械傳動機構、角位移傳感器等。無人駕駛農用小車執行轉向時,VCU向SCU發送轉向指令,SCU分析計算轉向信號,控制轉向電機驅動轉向橫拉桿實現線控轉向。角位移傳感器測量轉向角數據信號反饋到SCU,修正轉向偏差如圖8所示。

3.2.2 線控制動技術

整車控制單元通過環境感知系統的數據計算出車輛的制動場景,產生制動電控信號并傳遞給控制系統和執行機構,產生制動力。

無人駕駛農用小車采用電子液壓制動系統(Electronic Hydraulic Brake,EHB)。與傳統制動方式不同,EHB以電子元件替代了原有的部分機械元件,將電子系統和液壓系統相結合。如圖9所示,EHB 主要由制動電控單元(Brake Electronic Control Unit,EBCU)、輪缸制動電機和液壓執行機構組成。VCU檢測到農用小車制動需求信號,將制動需求信號轉化成電信號發動至EBCU,EBCU控制各個輪缸電動機驅動輪缸液壓執行機構進行制動。

圖9 線控制動技術

3.2.3 線控驅動系統

線控驅動系統(Drive By Wire,DBW)是無人駕駛農用小車實現的關鍵技術,為無人駕駛農用小車實現自主行駛提供了良好的硬件基礎。如圖10所示,VCU的主要功能是通過接收車速信號、加速度信號和農用技術員的使用意圖信號進行一系列的信息融合和扭矩需求的計算,向驅動電機控制單元輸出轉矩指令,完成電機轉矩控制[6]。

圖10 線控驅動系統控制原理

4 系統運行與測試

4.1 系統運行程序

系統運行程序設計主要實現對土壤濕度信息的采集與處理,并通過LCD1602進行顯示,當作物或植物需要澆灌時,打開手機上的App軟件,點擊屏幕上相應的開關按鈕,可以啟用軟件程序,通過無線Wi-Fi實現云端平臺對小車整車控制器的遠程指令傳輸。無人駕駛小車整車控制器接收到指令后控制執行機構按照既定路線進行灌溉。系統運行流程如圖11所示。

圖11 系統運行流程

4.2 試驗實測分析

在蔬菜大棚里,測試人員使用智能移動灌溉系統進行灌溉。云端通信設備通過物聯網控制無人駕駛小車的行駛動作。視覺傳感器觀察無人駕駛小車的運行狀態,隨時收集小車的位置信息和環境傳感器信息,調整小車的運動路線,提高自動化控制能力。

在蔬菜大棚中預先設定無人駕駛灌溉車的運動軌跡,小車沿著預定路線對蔬菜進行澆灌,測試小車灌溉作業的運動軌跡控制情況如圖12所示。

圖12 無人駕駛灌溉車運動軌跡

本文對小車的運動軌跡進行4次測試,測試結果如表2所示。測試結果表明,無人駕駛灌溉車行駛軌跡和預設軌跡切合程度較高,可以按照設定的路線完成灌溉任務。300 m設定軌跡平均橫向誤差控制5 cm左右,運行效果良好,為提高農業大棚灌溉的效率和自動化程度提供了有價值的借鑒。

表2 無人駕駛灌溉小車作業軌跡誤差

5 結語

智能移動灌溉系統是物聯網與無人駕駛汽車的結合。土壤濕度傳感器模塊采集濕度參數,云端服務器接收并計算來自無線Wi-Fi上傳的數據,農業技術員可通過手機或計算機對大棚農作物的土壤水分比例進行實時監測,操控無人駕駛農用灌溉車實施灌溉。采用移動式的澆灌方式,路徑可以按需設置,不僅可以根據農作物需求進行局部灌溉,還可以將肥料或者農藥溶入水中,進行施肥和噴藥,方式靈活多變。