洪耀球

摘要：為解決傳統(tǒng)溫室大棚需要人力資源過多，現(xiàn)有智能溫棚系統(tǒng)管理精細程度不夠，不能完全取代人工，實現(xiàn)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(tǒng)，系統(tǒng)由機器園丁端、溫棚環(huán)境監(jiān)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(xiàn)對溫棚內(nèi)植物生長環(huán)境、條件的自動監(jiān)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(tǒng)通過無線收發(fā)模塊完成數(shù)據(jù)傳遞，應用SQLite數(shù)據(jù)庫技術存儲實時信息，并可通過本地、手機網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程控制。

關鍵詞：精細化管理;機器人;環(huán)境監(jiān)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(lián)網(wǎng)技術發(fā)展十分迅速，以計算機技術、自動控制技術為基礎的物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)領域得到越來越廣泛的應用。傳統(tǒng)的農(nóng)作物生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)方式。隨著農(nóng)業(yè)信息水平的不斷提高，以及物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，人們開始利用信息技術來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，智能溫棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域不斷得到應用，構成了我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主力軍。

目前，市場上的智能大棚改良了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植方法，節(jié)約了部分勞動力，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；芾砗妥魑锏闹悄芑夹g監(jiān)測。但是，現(xiàn)有的智能大棚只能對植物的生長進行大規(guī)模、粗放式的監(jiān)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(jiān)測，生產(chǎn)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(tǒng)，不僅繼承了傳統(tǒng)智能大棚的監(jiān)控、調(diào)整、實時信息反饋等優(yōu)勢，還專門開發(fā)了機器園丁，按照特定路線，對植物個體進行生長情況監(jiān)測，對生長異常的植物及時補充水分、噴灑農(nóng)藥，并自動進行水、藥、電力補給，完全模仿真實生產(chǎn)者的工作行為，實現(xiàn)完全自動控制。

2系統(tǒng)架構

系統(tǒng)由機器園丁端、溫棚環(huán)境監(jiān)控端、服務器端三部分組成，三部分均使用EasyARM1138開發(fā)板外接相應模塊進行通信和控制，主要包含溫濕度環(huán)境監(jiān)測、病蟲害、成熟度植物生長監(jiān)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(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測、生長異常狀況檢測處理、機器園丁自身操控、溫棚監(jiān)控信息反饋等功能，具體架構關系如圖1所示。

3溫棚環(huán)境監(jiān)控端

溫棚環(huán)境監(jiān)控端通過環(huán)境溫濕度檢測模塊采集土壤和環(huán)境溫度濕度信息，并經(jīng)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(fā)送到機器園丁控制端，以控制機器園丁進行各種監(jiān)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(jiān)控。所有信息將實時發(fā)送到服務器端進行統(tǒng)一處理。溫棚環(huán)境監(jiān)控端子系統(tǒng)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(huán)境監(jiān)視終端的信息和來自服務器的信息，經(jīng)由黑白線檢測傳感器進行跟蹤，按照設定的路徑在溫棚內(nèi)移動，監(jiān)視并檢測農(nóng)作物的成長環(huán)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(jù)實際需要灌溉，完成噴灑農(nóng)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(xù)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(fā)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(tǒng)使用環(huán)境溫濕度傳感器、環(huán)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(xiàn)植物種植培育過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測、動作執(zhí)行、信息傳遞等動態(tài)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(xiàn)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(xiàn)比較大的路線偏移。機器人的本體采用無舵機雙驅(qū)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(tǒng)使用了E18-D80NK紅外線避障傳感器來實時檢測農(nóng)作物位置。

實現(xiàn)方式：在履帶車體的兩側(cè)，分別安裝2個傳感器，以履帶車視角為基準，左側(cè)傳感器是E18（左），左側(cè)傳感器是E18（右）。利用紅外避障傳感器上的電位調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整適當?shù)臋z測距離。只要檢測到農(nóng)作物與傳感器之間的距離在指定的距離范圍內(nèi)時，則判定有農(nóng)作物，機器人停留、操作。并且機器人每次轉(zhuǎn)向后，都會啟動轉(zhuǎn)向側(cè)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(nóng)作物，識別成熟掛果作物。

TCS3200是通過將彩色光轉(zhuǎn)換成不同頻率，達到識別色彩目的。用于判別靜態(tài)物體顏色，不同顏色輸出不同頻率?？梢酝ㄟ^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(shù)R、G、B的頻率值，可以識別當前農(nóng)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(huán)境光線傳感器

DFR0026環(huán)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(huán)境光線傳感器采用環(huán)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(chǎn)者移動手機發(fā)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(tǒng)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，F(xiàn)SR傳感器會把施加到傳感器的膜區(qū)域的壓力轉(zhuǎn)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(jīng)補充完畢。

5.6NRF無線收發(fā)模塊

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

溫棚環(huán)境監(jiān)控端通過無線收發(fā)模塊分別向服務器和機器人控制端發(fā)送監(jiān)控信息。在機器園丁根據(jù)信息執(zhí)行了對應的工作之后，任務執(zhí)行情況信息再次由無線收發(fā)模塊進行反饋。服務器通過無線收發(fā)模塊控制整個系統(tǒng)。NRF24L01無線模塊數(shù)據(jù)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(jīng)由虛擬串行端口發(fā)送到Cortex A9平臺，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，存儲在SQLite數(shù)據(jù)庫中，服務器端有觸摸式總控程序，生產(chǎn)者也可以通過服務器控制整個系統(tǒng)。當出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)會自動發(fā)送報警信息給生產(chǎn)者的手機，生產(chǎn)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(jīng)測試，植物多功能自動維護系統(tǒng)具有以下特點：

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

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