劉艷昌　孫華　吳紀(jì)紅

摘要：針對(duì)溫室大棚有線監(jiān)控系統(tǒng)存在布線困難、勞動(dòng)力成本高和無(wú)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)性差等問題，設(shè)計(jì)一種以機(jī)器人為移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以Kingview 655軟件為上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)的溫室大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（（field-programmable gate array，簡(jiǎn)稱FPGA）控制板作為采集控制終端，結(jié)合多路傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的行走控制和各環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)及監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能，并通過APC220無(wú)線模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定參數(shù)范圍值，通過APC220無(wú)線模塊發(fā)送相關(guān)設(shè)備的啟/?？刂泼?，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，管理人員也可以借助通用分組無(wú)線服務(wù)（general packet radio service，簡(jiǎn)稱GPRS）模塊和手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)查詢環(huán)境參數(shù)和控制設(shè)備等功能。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、采集精度高、易于控制、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能滿足溫室大棚監(jiān)控的智能化需求。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；溫室監(jiān)控；通用分組無(wú)線服務(wù)；組態(tài)技術(shù)；手機(jī)終端；智能化

中圖分類號(hào)： TP273+5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2017）16-0214-05

[HJ14mm]

收稿日期：2016-04-13

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)計(jì)劃（編號(hào)：132102310030）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（編號(hào)：15A413014、16A510017）；河南科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（編號(hào)：2015CX062）。

作者簡(jiǎn)介：劉艷昌（1979—），男，河南鶴壁人，碩士，講師，主要從事智能控制與信息檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail：523401923@qqcom。

通信作者：李國(guó)厚，博士，教授，主要從事計(jì)算機(jī)控制、無(wú)損檢測(cè)、信號(hào)處理技術(shù)研究。E-mail：527636704@qqcom。[HJ]

隨著計(jì)算機(jī)、電子、人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)反季節(jié)蔬菜、水果、花卉等農(nóng)產(chǎn)品提出了更高的要求，并且隨著農(nóng)業(yè)低效高耗的增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變，對(duì)生產(chǎn)溫室的需求逐年上升[1-2]。但隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，勞動(dòng)力成本的不斷上升，這就要求轉(zhuǎn)變溫室的生產(chǎn)和管理模式，積極引導(dǎo)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向智能化、科技化、信息化方向發(fā)展，提高傳統(tǒng)溫室產(chǎn)業(yè)的科技含量[3]，而溫室機(jī)器人的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)方式，克服了傳統(tǒng)溫室大棚有線監(jiān)控系統(tǒng)存在布線困難、生產(chǎn)勞動(dòng)力不足、水資源浪費(fèi)、無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、移植性差、成本高等問題。因此，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)一套以機(jī)器人為移動(dòng)終端，以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）控制器、傳感器、無(wú)線傳輸模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)為硬件核心，以Kingview 655軟件為開發(fā)平臺(tái)的機(jī)器人溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1溫室大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)主要由移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)平臺(tái)和人機(jī)交互平臺(tái)組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)以移動(dòng)機(jī)器人為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制方式。在手動(dòng)控制方式下，工作人員可以通過紅外遙控器、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏、手機(jī)短信或監(jiān)控室個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，簡(jiǎn)稱PC）的手動(dòng)控制畫面上相關(guān)操作按鍵對(duì)機(jī)器人行走和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行啟/?？刂?，進(jìn)而改變溫室環(huán)境參數(shù)，達(dá)到滿足植物最佳的生長(zhǎng)條件。在自動(dòng)控制方式下，采用安裝在車載上的避障傳感器（攝像頭、超聲波、紅外、接觸傳感器）獲取溫室內(nèi)障礙物信息，經(jīng)FPGA控制器對(duì)獲得的障礙物信息進(jìn)行分析判斷后，根據(jù)避障控制策略和算法作出相應(yīng)的避障決策，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走避障功能，同時(shí)無(wú)線模塊ACP220將獲得的障礙物信息發(fā)送給PC，以便用戶操作和查詢；采用安裝在車載上的溫室環(huán)境檢測(cè)傳感器（溫濕度、光照、二氧化碳傳感器）獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)值， 并將獲得的參數(shù)信息通過無(wú)線模塊ACP220發(fā)送給PC，PC將接收到的參數(shù)值與管理技術(shù)人員預(yù)先設(shè)定的植物最佳生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)范圍進(jìn)行比較，若在設(shè)定范圍內(nèi)，則執(zhí)行各機(jī)構(gòu)維持當(dāng)前狀態(tài)，若有參數(shù)在設(shè)定范圍之外，則發(fā)出相關(guān)超限報(bào)警信號(hào)，同時(shí)PC通過帶串口APC220無(wú)線傳輸模塊將相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟/?？刂浦噶顐鹘o執(zhí)行機(jī)構(gòu)平臺(tái)中的FPGA控制器來實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的智能控制。

11溫室大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

111控制器

該系統(tǒng)FPGA控制器采用杭州康芯電子有限公司推出的KX2C5F+型開發(fā)板，核心芯片為EP2C5T144，具有內(nèi)部各功能模塊相互獨(dú)立、引腳豐富、編程靈活、并行處理數(shù)據(jù)快、易于設(shè)計(jì)電路擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

112環(huán)境采集電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要對(duì)大棚溫室內(nèi)溫濕度、CO2濃度和光照度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。其中，溫濕度傳感器采用1-Wire總線接口、數(shù)字輸出溫度和濕度集為一體的DHT11傳感器；光照度傳感器采用兩線式串行總線接口、數(shù)字信號(hào)輸出的GY-30型檢測(cè)模塊傳感器；CO2濃度傳感器采用紅外MH-Z14型傳感器，數(shù)據(jù)傳輸采用UART通信協(xié)議，為使發(fā)送和接收采集數(shù)據(jù)線閑置時(shí)狀態(tài)為高電平，通信線上須外接51 kΩ的上拉電阻[4]。環(huán)境采集電路框架如圖2所示。

113移動(dòng)機(jī)器人終端控制電路設(shè)計(jì)

為提高機(jī)器人在溫室內(nèi)的移動(dòng)靈活性、快速性、穩(wěn)定性，移動(dòng)機(jī)器人采用前后2個(gè)萬(wàn)向輪和左右2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的四輪輪式結(jié)構(gòu)。在機(jī)器人的左右2個(gè)輪上分別安裝2個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪的速度差來實(shí)現(xiàn)車體轉(zhuǎn)向，通過改變步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖頻率控制調(diào)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退以及調(diào)頭等功能。采用避障傳感器來獲取機(jī)器人周邊的障礙物信息，其中安裝在機(jī)器人前端的1路超聲波傳感器KS109和左右兩側(cè)各安裝3路等間距的紅外傳感器RPR220用來獲取機(jī)器人前方障礙物距離和兩側(cè)障礙物的方位信息，以便于實(shí)現(xiàn)路徑的合理規(guī)劃；安裝在機(jī)器人左前、左后、右前和右后方4路接觸傳感器OTH8084將獲取任一個(gè)方向上的碰撞信息反饋到

FPGA[CM（235]控制器，以便作出避障決策；安裝在機(jī)器人上的APC220-43無(wú)線模塊將檢測(cè)溫室環(huán)境參數(shù)和障礙物信息發(fā)送到監(jiān)控室PC上，以便于技術(shù)人員查閱環(huán)境信息以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備啟/停和機(jī)器人行走控制。為增強(qiáng)FPGA控制器輸出端的驅(qū)動(dòng)能力，在現(xiàn)場(chǎng)FPGA控制器的輸出端接74HC06芯片；為避免驅(qū)動(dòng)電路對(duì)FPGA控制器輸出信號(hào)的干擾，在FPGA控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路LN298N之間加入光電耦合器TLP521[5-6]；為消除電機(jī)在啟停、制動(dòng)及換向時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電機(jī)的損壞，在驅(qū)動(dòng)電路L298N和電機(jī)之間串入4個(gè)（D1～D4）高速大電流肖特基二極管；為改變驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的調(diào)速控制，可以改變FPGA控制器引腳Pin_137輸出的PWM脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人移動(dòng)終端控制電路如圖3所示。

114驅(qū)動(dòng)電路

執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。光耦TLP521能夠有效抑制繼電器觸點(diǎn)通斷時(shí)線圈兩端產(chǎn)生的較大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)FPGA控制器的輸出信號(hào)干擾；續(xù)流二極管IN4007為JQC-3FF-S-HZ繼電器斷電時(shí)提供釋放回路，避免反向電動(dòng)勢(shì)過高擊穿驅(qū)動(dòng)三極管Q1[8]；為延長(zhǎng)繼電器觸

點(diǎn)壽命在其兩端并聯(lián)由R14和C2構(gòu)成阻容電路，同時(shí)串入保險(xiǎn)絲F1防止電流過大燒壞執(zhí)行設(shè)備和觸點(diǎn)[9]。

12溫室大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

121下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

利用Quartus Ⅱ 90軟件開發(fā)平臺(tái)和verilog HDL編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)避障傳感器、環(huán)境檢測(cè)傳感器、APC220-43無(wú)線傳輸模塊和各執(zhí)行設(shè)備控制的模塊化編程。溫室控制系統(tǒng)流程如圖5所示。

122上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

溫室環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖6所示。上位機(jī)監(jiān)控室PC采用Kingview 655組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)分析的設(shè)計(jì)，該監(jiān)控畫面能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)顯示采集到的溫室環(huán)境參數(shù)值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況，當(dāng)參數(shù)值不在設(shè)定范圍，則對(duì)應(yīng)報(bào)警指示燈閃爍，并將相關(guān)設(shè)備的啟/?？刂浦噶钔ㄟ^APC220-43發(fā)送至下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的自動(dòng)控制（圖6）。同時(shí)，管理人員也可在手動(dòng)或自動(dòng)控制模式下實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)設(shè)置，具有查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等功能。

溫室機(jī)器人移動(dòng)終端監(jiān)控界面如圖7所示。管理人員結(jié)合監(jiān)控室PC上組態(tài)軟件和視頻監(jiān)控，通過點(diǎn)擊機(jī)器人控制界面相關(guān)按鈕或在現(xiàn)場(chǎng)借助紅外遙控器相關(guān)按鍵，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行控制功能。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制狀態(tài)為0時(shí)，上位機(jī)可以控制機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，而現(xiàn)場(chǎng)遙控器不起作用；反之，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制狀態(tài)為1時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)遙控器可以控制機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，而上位機(jī)機(jī)器人控制界面不起作用。

除在監(jiān)控室和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟/停控制外，管理人員也可借助GPRS模塊、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、范圍設(shè)定、執(zhí)行設(shè)備控制等功能。當(dāng)用戶通過手機(jī)向PC連接的GPRS模塊DTP_S09發(fā)送“環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)查詢”指令后，即可收到當(dāng)前環(huán)境參數(shù)值，如圖8短信發(fā)送和接收信息界面中“發(fā)信內(nèi)容”所示[CM（25]。 管理人員也可發(fā)送“濕簾水泵啟/?！钡葓?zhí)行設(shè)備控制指令來實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，同時(shí)管理人員也可通過選擇索引號(hào)刪除對(duì)應(yīng)短信或點(diǎn)擊查詢?nèi)堪粹o在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢以前收到的短信時(shí)間和內(nèi)容。

2結(jié)果與分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性、有效性、實(shí)用性，該系統(tǒng)以種植蝴蝶蘭中苗期為研究對(duì)象，在校產(chǎn)學(xué)研花卉溫室種植基地進(jìn)行測(cè)試。

從表1可知，白天（08：00—19：00）溫度變化范圍為 250～300 ℃，平均值為274 ℃，波動(dòng)范圍為-24～26 ℃；夜里（20：00至次日07：00）溫度變化范圍為183～228 ℃，平均值為201 ℃，波動(dòng)范圍為-18～27 ℃；與蝴蝶蘭生長(zhǎng)所需最佳白天溫度為27 ℃、夜間溫度為20 ℃相比，上下波動(dòng)較小，且晝夜溫差保持在5～8 ℃之間，有利于蝴蝶蘭所需養(yǎng)分的積累、健壯生長(zhǎng)和葉色純正；24 h內(nèi)空氣相對(duì)濕度變化范圍為652%～750%，平均相對(duì)濕度為705%，波動(dòng)范圍在-53%～45%之間，能自動(dòng)維持溫室內(nèi)空氣相對(duì)濕度在65%～75%之間，有利于蝴蝶蘭植株生長(zhǎng)、保持葉面水分、防止病害發(fā)生等；24 h內(nèi)溫室CO2濃度控制在 8136～1 8606 mg/m3之間，且CO2平均濃度為1 4022 mg/m3，有利于促進(jìn)蝴蝶蘭光合作用，提高產(chǎn)量和增加抗病性能；24 h內(nèi)溫室光照度控制在10 042～20 000 lx之間，平均光照度為15 5484 lx，與蝴蝶蘭中苗（待緩苗）生長(zhǎng)發(fā)育最適宜的光照度 15 000 lx 處相比，上下波動(dòng)較小，光照度比較穩(wěn)定，有利于蝴蝶蘭獲取充足養(yǎng)分、生根和葉片生長(zhǎng)。

3結(jié)論

針對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)較難控制、勞動(dòng)強(qiáng)度高和養(yǎng)殖員工對(duì)高溫高濕環(huán)境不適應(yīng)等問題，設(shè)計(jì)開發(fā)一種以機(jī)器人為移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以組態(tài)軟件為上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過移動(dòng)機(jī)器人、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和人機(jī)交互三大平臺(tái)，結(jié)合路徑規(guī)劃、避障、多傳感器融合和環(huán)境參數(shù)超限4種算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人合理行走、數(shù)據(jù)處理、傳輸和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能，有效提高了溫室環(huán)境監(jiān)控的智能化、信息化管理水平。同時(shí)，管理人員也可以借助上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)或手機(jī)終端隨時(shí)查詢不同季節(jié)、不同品種、不同階段植物的生長(zhǎng)特點(diǎn)和管理規(guī)律，為種植戶來年獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益提供科學(xué)依據(jù)。經(jīng)該河南科技學(xué)院產(chǎn)學(xué)研花卉溫室種植實(shí)驗(yàn)基地實(shí)測(cè)結(jié)果表明，智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有工作性能穩(wěn)定可靠、采集數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性好、操作簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，相比以往種植蝴蝶蘭產(chǎn)量提高23%、能源成本節(jié)約10%、死亡率降低15%、人力成本節(jié)約70%，證實(shí)了該系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性，避免了人工操作的主觀性和隨意性，在農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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