一種智能測溫農業巡檢機器人

李柏林 梁均益 蘇秋仁 陳沛霖 吳業滔 鐘遠兵

摘??要：智慧農業是通過先進的傳感測量技術、設備技術、控制方法及決策支持系統技術的應用，實現農業生產的可靠安全、經濟高效、環境友好和使用安全的目標。本文研究設計了一種智能測溫農業巡檢機器人，該機器人整機采用輕量化設計，能滿足農戶小型化運轉的要求，實現遠程多方向運行控制，適用于農業生產智能無人巡檢、設備遠程操控等，可以有效降低人工參與生產，減少農業生產巡檢人員的投入，降低勞動強度，提高工作效率，為智慧農業的發展提供有益的參考。

關鍵詞?農業?機器人?輕量化?智能測溫

中圖分類號：TP242.6

An?Intelligent?Thermometric?Agricultural?Inspection?Robot

LI?Bolin??LIANG?Junyi???SU?Qiuren*??CHEN?Peilin??WU?Yetao??ZHONG?Yuanbing

Guangxi?Vocational?University?of?Agriculture，?Nanning，?Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?530007?China

Abstract：?Smart?agriculture?is?to?apply?advanced?sensor?measurement?technology，?equipment?technology，?control?method?and?decision?support?system?technologies?to?achieve?the?reliable，?safe，?cost-effective，?environmentally-friendly?and?safely-using?goals?of?agricultural?production.?This?paper?studies?and?designs?an?intelligent?thermometric?agricultural?inspection?robot.?The?robot?adopts?lightweight?design，?which?can?meet?the?requirements?of?the?miniaturized?operation?of?farmers，?and?realizes?remote?multi-directional?operation?control，?which?is?suitable?for?the?intelligent?unmanned?inspection?of?agricultural?production，?the?remote?control?of?equipment，?etc..?It?can?effectively?reduce?manual?participation?in?production，?reduce?the?input?of?agricultural?production?inspection?personnel，?reduce?labor?intensity，?and?improve?work?efficiency，?which?provides?a?useful?reference?for?the?development?of?smart?agriculture.

Key?Words：?Agriculture;?Robot;?Lightweight;??Intelligent?thermometry

智慧農業的建立是一個巨大的歷史性工程，目前很多復雜的智慧農業項目正在進行中。對智慧農業技術的提供者來說，其面臨的挑戰是智能感知系統靈敏度不高，終端遠程控制系統和執行控制指令系統精確性不足等方面的問題。在農業發展基礎方面，?各國農業生產趨于飽和，農業經過多年的快速發展，架構趨于穩定、成熟，具備較充裕的生產能力。

隨著中國經濟的進一步發展，農業生產面積負荷增長迅速，農業生產壓力增大，傳統農業已無法滿足日益增長的糧食需求。因此，建立統一強大的智慧農業是中國農業發展的方向。種植戶是整個農業生產系統的關鍵設施，其工作狀況直接影響整個糧食網絡的正常運行，因此對其進行巡檢與維護是關乎糧食生產系統安全生產的一項重要任務。雖然目前小型種植戶內的自動化儀表已經可以通過聯網的方式從后方監控室直接獲取讀數與工作狀況信息，但是種植戶內仍然存在大量地形復雜、氣候變化、蟲害處理等設施，需要人員定期進行巡視，觀察農作物生長狀況。智能測溫農業巡檢機器人正是用于幫助種植戶巡視人員完成對農作物生長狀況的巡檢任務，從而節省人力成本?[1]。

1??國內外研究現狀和發展動態

智能測溫農業巡檢機器人是一種結合了溫度測量技術和機器人技術的智能設備，能夠在農田或溫室環境中進行溫度測量和巡檢工作。目前，智能測溫農業巡檢機器人在國內外的研究和發展方面已經取得了一定的進展[2-3]。

1.1國內研究現狀與發展動態

智能農業機器人技術的研究和開發正在快速發展。一些農業科研機構、高校和企業都投入了資源進行相關研究。主要研究方向包括機器人導航、傳感器技術、智能控制系統以及與農業相關的數據處理和決策分析[4-5]。

中國農業大學的研究團隊開發了一種基于無人機的農田溫度監測系統。該系統可以利用紅外技術[6]實時監測農田的溫度分布情況，并通過數據分析預測農作物的生長情況。研究團隊展示了系統的可行性和有效性，為農民提供了實時的決策支持。北京農業機器人技術研究中心致力于開發智能農業巡檢機器人，具備溫度測量、巡檢、數據采集等功能。該研究中心將機器人與先進的傳感器技術相結合，能夠對農田和溫室內的溫度進行精確測量，并通過云平臺實現數據的實時傳輸和分析。此外，一些企業也推出了智能農業巡檢機器人產品，具備測溫、巡檢、數據采集等功能，能夠幫助農民提高生產效率和監測農田環境[7-8]。

1.2?國外研究現狀與發展動態

智能農業巡檢機器人的研究也取得了一些進展。例如，美國、日本等國家的一些大學和研究機構開展了相關項目和實驗。其中，一些研究團隊使用機器人和傳感器技術，開發出了能夠對溫室內的溫度進行精確測量和調節的智能控制系統，以提高農作物的產量和質量。

智能測溫農業巡檢機器人在國內外的研究和發展也正在不斷推進。在技術創新方面，隨著人工智能和機器人技術的發展，智能測溫農業巡檢機器人的各項功能得到了不斷改進和完善。新的傳感器技術如紅外熱像儀和多光譜傳感器的應用，能夠提高測溫的準確性和效率。同時，機器人的自主導航和路徑規劃能力也在不斷提高，使機器人能夠更加智能地巡檢農田。在數據處理與分析方面，隨著大數據和人工智能技術的發展，智能測溫農業巡檢機器人可以采集和處理大量的溫度數據。利用數據分析和機器學習算法，能夠幫助農民更好地了解農田的溫度變化規律，預測農作物的生長狀態。同時，數據的實時傳輸也能夠實現遠程監控和遠程操作。在應用推廣方面，智能測溫農業巡檢機器人的應用正逐漸得到推廣。一些農業企業和農民開始采用智能巡檢機器人進行農田溫度監測和巡視作業。機器人能夠快速、精準地進行溫度測量，幫助農民及時發現溫度異常，采取相應的措施，提高農作物的產量和質量[9-10]。

總的來說，智能測溫農業巡檢機器人在國內外的研究和發展還處于初級階段。目前的研究主要集中在技術驗證和原型開發上，還需要進一步的研究和實踐來解決實際應用中的問題，如如何提高測溫精度、適應不同農作物的測溫需求等。隨著人工智能和機器人技術的不斷發展，相信智能測溫農業巡檢機器人將在農業生產中發揮重要作用，并為農民提供更好的決策支持和技術服務。

2??設計方案

農業機器人控制系統最基本任務是負責控制機器人，實現其智能無人巡檢。面對室外復雜的工作環境，控制系統要能及時處理各種異常狀況，確保巡檢機器人自身的安全。

本研究設計并制造出一種智能操作機器人，可實現雙向行走和最優路徑規劃，同時將被測設備的聲音、視頻和溫度將通過無線網絡傳送到監控室。在機器人巡檢后，后臺即可通過數據對農作物的生長狀態進行判別。整機采用輕量化設計，能滿足種植戶小型化運轉、遠程多向控制運行的要求，為智慧農業的建設提供助力。

2.1??主結構

主體結構為鋼架結構，結實耐用，總體顏色參照工程機械設計外觀的黃色，使用輕薄的鐵皮作為外殼包裝，并做防腐防銹處理。利用步進電機驅動四輪轉動，輪胎使用七孔橡膠鋁合金輪，構成動力模組，四個動力模組相互鏡像安裝為AGV提供動能。使用AC電源插座對AGV小車進行充電及上電操作，并配備急停開關。

2.2??運轉控制模塊

為實現輕量化設計，產品的重量、尺寸方面應盡可能小型化，利于機器人的長時間待機工作和運轉。運轉控制模塊應該能夠實現遠程的多方向控制，即前后左右運行控制，并支持攝像頭雙向安裝。機器人表面應具有你保護涂層或者防腐設計，線纜接頭無外漏；外殼具有防塵、防水功能。

2.3??智能遠程視頻控制模塊

使用兩自由度攝像頭，確保攝像頭拍攝的穩定以及在行駛過程中的視線。智能遠程視頻控制模塊支持雙攝像拼接，云臺360°

可調節，能夠實現全可視化操作，且各項運作均能實現遠程手持控制。通過攝像頭和傳感器，可對設備的運行狀態進行檢測。例如：顯示燈是否存在異常、系統時鐘是否正確；各個功能模塊的工作電壓是否達標；各零件部位是否存在過熱現象；定期對各儀器進行誤差檢測。

2.4??溫度傳感模塊

使用溫度傳感器來測溫的目的是為了精確測量農作物表面的具體溫度以便工作人員進行溫度統計進而確定近段時間的平均溫度以便更好的改變大棚內的具體結構來調節長期的恒溫效果而且機器人也可自行進行依靠現代智能大棚的控溫系統進行控溫。所使用紅外線溫度傳感器（非接觸式）非接觸式傳感器無需與被測介質接觸而是通過被測介質的熱輻射或者對流傳到溫度傳感器，以達到測溫的目的將其裝在機器人視覺“眼部”中進行對農作物的掃描，主要的敏感元件與被測對象互不接觸，這又稱非接觸式儀表。

此類儀表可用來測量運動物體也可用來精確測量[10]小目標農作物的外表溫度且也能分析室外溫度與農作物表面溫度的差值，這有利于后續工作人員對農作物進行控溫或者機器人有能力自行控溫。

2.4.1?虛擬現實技術

在傳統的溫度控制中，往往僅通過溫控儀器對空氣溫度進行監測和調控。而利用虛擬現實技術，可以實現對于作物的每一個部位（如根系、葉片）的溫度進行實時監測和調控。通過對溫度的精準掌控，可以最大程度上提高了作物的生長效率和產量，同時減少了能源和資源的浪費。

2.4.2結合預測算法實現溫度智能控制

在傳統的溫度控制中，往往受到環境等因素的影響而導致控制效果有限。而結合大數據技術和預測算法，可以實現農業機器人對于作物生長需要及時調整溫度，提高靈敏度，減少溫度控制的誤差，從而提高作物生長效率和品質。

2.4.3?紅外線傳感技術

傳統農業智能控溫主要根據空氣溫度進行調節，而新一代農業機器人引入了人性化的紅外線傳感技術，根據植物葉片的溫度調整溫度。研究發現，通過葉片溫度控制，能夠更好地適應不同作物的需求，保證了農作物不同生育階段下的生長需要，從而增加其產量和品質。

2.4.4利用新型組件推動綠色化農業發展

近年來，新一代農業機器人憑借著其獨特的硬件組件在控制農業生產方面有了新的突破。例如：入新型LED光源，能夠更好地調節農作物生命活動所需的紅光、藍光等波長，從而有效地促進植物增長、提高光合作用效率。同時，利用薄膜太陽能板實現電源自給、自發熱等功能，實現在各種環境中長時間連續作業，標志著發展的農業機器人正迎來一個嶄新的運用紀元。

3??功能實現

智能農業巡檢機器人是近年來農業技術發展的一部分，目前正處于不斷發展和創新的階段。智能農業巡檢機器人是一種結合了傳感器技術、機器學習和自動控制的智能設備，旨在提供農業生產中的溫度測量、環境監測和農田巡檢等功能。本文針對上述內容，設計了一種智能測溫農業巡檢機器人，介紹了智能測溫農業巡檢機器人的功能，通過以下功能，智能測溫農業巡檢機器人可以提供準確的溫度測量和環境監測功能，幫助農民優化農作物的生長環境，并為農業生產提供決策依據，減輕農民的勞動負擔，提高農田管理的效率和精確度，從而提高農產品的品質。具體可實現功能如下：

（1）日常巡檢功能。農業智能操作機器人能按照設定的路線和任務自主對農作物的生長狀態進行巡檢，主要內容包括識別蟲害、生長狀態檢查、空氣監測、紅外測溫等，能對巡檢全過程進行管理、錄像和記錄，?并為工作人員提供數據分析與決策支持。

（2）特殊巡檢功能。農業智能操作機器人能替代種植人員在惡劣天氣下對農作物進行自主巡檢，完成大風、大霧、冰雪、?冰雹、雷雨、高熱等特殊工況下的巡檢，有效降低工作人員在惡劣天氣進行戶外作業的安全風險。

（3）自動巡檢功能。農業智能操作機器人巡檢系統與站內監控系統聯動配合，可對農作物生長狀態進行自動巡檢。

（4）集中控制管理功能。種植戶可設置智能機器人集控中心，對多個場地智能操作機器人進行統一控制和管理，實現機器人巡檢作業標準化管理。同時，工作人員可對機器人巡檢數據進行分析，及時掌握設備運行狀況。

3.1??自主測溫

自主測溫技術是指通過傳感器等設備，在農田內實時監測農作物的溫度情況，并及時將更加精準的溫度數據反饋給農民，幫助他們更準確地了解農作物的生長環境。為實現對溫度更加精準的掌控，本文所制作的智能測溫農業巡檢機器人溫度傳感器采用了非接觸式紅外線溫度傳感器，這種傳感器由光電二極管和一個涂有特殊材料的光譜濾光片組成，該光片只允許波光為8～14?μm的紅外線。該技術原理原理通過農作物表面發出的紅外線輻射與農作物的溫度成正比，傳感器將檢測到農作物的紅外線輻射信號轉換成電信號，并通過信號處理運算測量農作物表面的溫度，再通過測量數據來分析室外溫度與農作物表面溫度的差值，從而實現了對溫度的精準掌控。

3.2??自主控溫

自主控溫是指機器人能夠根據事先設定的控溫策略，自主調節農作物的生長環境溫度。本文所制作的智能測溫農業巡檢機器人在控溫技術上采用了現代大數據預測技術和虛擬現實技術來更加精確的預測適合農作物生長的環境溫度，再通過與非接觸式紅外線傳感器[5]采集到的現實環境溫度對比，最后機器人根據對比數據和預設策略來執行相對應的調溫動作，從而實現了對環境溫度的調整。該技術能夠減少溫度控制的誤差，及時調整農作物生長環境溫度，提高靈敏度，從而提高作物生長效率和品質。

3.3??遠程操控

遠程操控是指通過無線通信和互聯網連接等技術手段，遠距離操控和控制智能測溫農業巡檢機器人的運動和操作。本文所制作的智能測溫巡檢機器人遠程操控采用了互聯網技術，通過網絡IP協議將智能測溫巡檢機器人連接到手機或者其他操作設備上，在結構上采用攝像頭雙向安裝，能夠實時將采集到的地形信息快速反饋至操作設備，最后根據返回地形信息操控機器人，從而實現智能測溫巡檢機器人遠程的多方向控制。

4??結語

農業智能操作機器人可以幫助巡檢人員完成大量重復工作，不僅可以節省人力成本，還可以避免人員懈怠而導致的安全隱患。農業智能操作機器人不僅可以協助巡檢工作人員完成巡檢任務，還能實現無人巡檢所需的攝像功能和圖像存儲。該機器人主要用于對農作物開展的紅外熱成像監測、可見光視頻拍攝、儀表圖像識別、聲音識別等巡檢任務，能及時發現問題，并提醒種植人員，具有智能性、客觀性、靈活性、安全性、?集成度高等特點。

參考文獻

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