苑立娟 韓秋諾

摘要：新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和技術(shù)促進了農(nóng)業(yè)的發(fā)展和社會的進步，同時隨著計算機技術(shù)的普遍應(yīng)用，越來越多的技術(shù)人員開始對智能化、機械化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作進行研究，視覺識別、自動采摘更是成為重點研究方向。文章設(shè)計的智農(nóng)惠農(nóng)大棚采摘助手通過機械臂配合視覺識別模塊實現(xiàn)農(nóng)作物的采摘，同時為了使農(nóng)作物在成熟期得到更好的管理，該系統(tǒng)還配有環(huán)境檢測以及噴藥施肥功能。該系統(tǒng)適用于農(nóng)業(yè)大棚機械化工作，可以提高工作效率，減少人工投入，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化。

關(guān)鍵詞：智能采摘；環(huán)境檢測；自動施肥

中圖分類號：TN108.4 ?文獻標志碼：A

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計

0 引言

農(nóng)業(yè)是一個國家的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人已開始逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，這標志著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已開始向智能化和自動化方向發(fā)展［1］。在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)作物成熟期的管理以及后續(xù)采摘環(huán)節(jié)至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動中，農(nóng)作物成熟期的管理及采摘工作主要依靠自然條件和人力勞動，這已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人們對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求?；诖吮尘埃疚膶沧考夹g(shù)與下位機結(jié)合，連接多種傳感器，設(shè)計了一款大棚采摘助手，它可以實現(xiàn)環(huán)境檢測以確保農(nóng)作物最佳生長條件，實現(xiàn)施肥噴藥保證農(nóng)作物更好生長，最后進行智能化采摘。

1 系統(tǒng)原理及方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)由安卓上位機、機械臂及下位機組成。下位機包括多種檢測控制模塊和無線通信模塊。其中有環(huán)境溫濕度傳感器、CO2傳感器和光敏傳感器，主要負責采集棚內(nèi)的溫度、CO2濃度、光照強度信息。視覺識別模塊配合機械臂完成對農(nóng)作物的識別定位以及采摘工作。通信部分采用ESP8266 WiFi模塊，僅需要通過串口使用AT指令控制，就能滿足大部分的網(wǎng)絡(luò)功能需求，致力于移動終端和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，可將客戶設(shè)備接入WiFi網(wǎng)絡(luò)，與互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)絡(luò)通信，完成連接網(wǎng)絡(luò)的作用。

本系統(tǒng)的工作原理為主控芯片外接各種傳感器模塊采集信息數(shù)據(jù)，利用WiFi遠程傳輸數(shù)據(jù)到移動端。在農(nóng)作物的整個生長階段，用戶可以在移動端檢測大棚內(nèi)的環(huán)境信息，也可以控制采摘助手進行噴藥施肥操作，以便于使農(nóng)作物得到更好的管理培育。待農(nóng)作物成熟后，控制采摘助手進行采摘工作。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)通過下位機采集周圍環(huán)境信息，WiFi模塊進行通信，在安卓App上可以檢測到數(shù)據(jù)信息以及控制采摘助手進行采摘、噴藥施肥。

具體實現(xiàn)的功能如下：

（1）溫濕度傳感器、CO2傳感器、光敏傳感器分別采集大棚內(nèi)的溫度、CO2濃度、光照信息。

（2）視覺識別模塊實現(xiàn)對農(nóng)作物的識別及定位，配合機械臂完成采摘工作。

（3）WiFi通信模塊實現(xiàn)上位機與下位機之間的通信，在App手機上實現(xiàn)溫度、CO2濃度、光照信息的實時監(jiān)測。

（4）手機App可以控制舵機轉(zhuǎn)動，使肥料從出口落下，實現(xiàn)自動施肥。

（5）采用無線遠程控制技術(shù)，對農(nóng)作物進行自動噴灑農(nóng)藥工作。

1.3 系統(tǒng)創(chuàng)新

（1）本系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的農(nóng)作物管理培育方式和采摘方式，實現(xiàn)了智能化管理、機械化采摘，提高了采摘效率，減少了人工投入成本，滿足人們對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。

（2）本系統(tǒng)采用無線遠程控制技術(shù)實現(xiàn)對采摘助手的遠程控制，可以實時檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，可以隨時隨地進行自動化采摘、施肥噴藥操作。

（3）傳感器采集到的數(shù)據(jù)實時傳遞到手機App，數(shù)據(jù)清晰明了。

（4）操作界面采用圖形化界面，功能強大且容易上手，方便高效。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 信息采集設(shè)計

信息數(shù)據(jù)采集設(shè)計方案涉及的模塊主要包括溫度傳感器、光敏傳感器和CO2傳感器。DHT11溫濕度傳感器是一種帶有數(shù)字信號輸出校準的溫度傳感器。其溫度誤差在檢測溫度2℃左右，溫度測試范圍在-20℃～+60℃。它可以實現(xiàn)對棚內(nèi)溫度信息的采集。本項目使用光敏傳感器實現(xiàn)對棚內(nèi)光照強度信息的采集。它的工作原理為利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，包括紅外線波長和紫外線波長，它的敏感波長在可見光波長附近。該傳感器具有靈敏度高、驅(qū)動能力強等特點。CO2是植物進行生長的必需氣體，而一般大棚中CO2濃度過低，使用CO2傳感器可以檢測CO2含量，同時傳輸?shù)绞謾CApp。

2.2 通信傳輸設(shè)計

通信傳輸設(shè)計部分選用ESP8266WiFi模塊，它自帶了完備的TCP/IP協(xié)議棧，用戶可根據(jù)該協(xié)議棧在原有設(shè)備中提升網(wǎng)絡(luò)功能，搭建單獨的網(wǎng)絡(luò)控制器。該模塊應(yīng)用串口（LVTTL）與其他串行通信系統(tǒng)進行通信，還可以在串口和WiFi之間轉(zhuǎn)換。該模塊適用串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)AP、WiFi STA +WiFi AP方式，能夠快速搭建串口轉(zhuǎn)WiFi傳送數(shù)據(jù)方式。通過該模塊實現(xiàn)上下位機的通信，并且實現(xiàn)溫度、光照、CO2濃度的顯示以及能夠遠距離控制采摘助手。

WiFi接線：連接模塊的GND和VCC，CH_PD腳拉高，GPIO15（在沒有GIO15的系統(tǒng)中，可忽略此步）拉低，系統(tǒng)即可啟動，默認系統(tǒng)運行AT指令，接收客戶的指令。

2.3 自動控制設(shè)計

自動控制設(shè)計部分主要有兩部分：一是識別采摘；二是施肥噴藥。

2.3.1 識別采摘

識別采摘系統(tǒng)由機械臂和視覺識別模塊兩部分組成，視覺識別模塊通過Micropython語言對農(nóng)作物進行定位和識別，當識別到農(nóng)作物時配合機械臂完成采摘工作。

（1）機械臂。

機械手臂重500 g，精密度為0.2 mm，采用3臺步進電機驅(qū)動，擁有兩個角度傳感器，下位機控制板選用arduino&FPGA。通過該協(xié)議，機械臂可以通過WiFi通信，完成對農(nóng)作物采摘任務(wù)。

電池及機械臂參數(shù)如表1—3所示。

（2）視覺識別模塊。

開源的機器視覺框架（Open Machine Vision，Open MV）是一種開源、低成本、功能強大且體積小巧的視覺識別模塊，以STM32F767為核心處理器，集成OV7725攝像頭［2］。在非常小巧的硬件模塊上，利用C語言高效實現(xiàn)核心視覺算法，提供Python編程接口，使用者可以利用Python語言，使用Open MV提供的視覺功能。Open MV被安裝在采摘助手上，隨著采摘助手的移動，發(fā)現(xiàn)需要采摘的農(nóng)作物時，Open MV會將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給Arduino單片機，Arduino單片機執(zhí)行編程好的動作組，控制機械臂采摘農(nóng)作物并放置在托盤中［3］。

Open MV被定位于“帶機器視覺技術(shù)的安卓系統(tǒng)”，還可以操縱其他硬件配置、MCU模塊，例如Arduino，Raspberry Pi等。它還可以由別的MCU模塊操縱。通過這些特點，人們能夠很靈活地將它與其他流行的模塊相互配合，開發(fā)繁雜的產(chǎn)品功能。

Open MV上的機器視覺算法包括尋找色塊、人臉檢測、眼球跟蹤、邊緣檢測、標志跟蹤等。Open MV還可以用作非法侵入檢測與偽劣產(chǎn)品的挑選，跟蹤固定的標記物等［4］，采用易于上手的Python編寫，降低了用戶的開發(fā)難度，可輕松地完成與各種機器視覺相關(guān)的任務(wù)［5］。

2.3.2 施肥噴藥

該系統(tǒng)通過ESP8266WiFi模塊發(fā)送信息控制噴藥、施肥，實現(xiàn)遠距離操作。通過手機App控制舵機的轉(zhuǎn)動，使得化肥從出口落下，進而實現(xiàn)自動施肥功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

本項目的開發(fā)工具選用的是Arduino.exe。Arduino是一個便捷、靈便、實用的開源電子器件原型服務(wù)平臺。它包括硬件配置（各種類型Arduino板）和軟件（ArduinoIDE）。它內(nèi)置在開源簡單的I/O插口版本，具備類似Java和C語言的處理方法和自然環(huán)境，包括兩個關(guān)鍵部分：一部分硬件配置為Arduino電路板，適合于線路連接；另一個是Arduino IDE，程序流程開發(fā)自然環(huán)境。只須在IDE里寫完編程代碼，把程序上傳至Arduino主板以后，便可執(zhí)行操作。操作人員注意選擇相應(yīng)的開發(fā)板和端口，加載相關(guān)機械臂控制的庫文件，上傳代碼時，需要將Arduino Mega2560通過連接電腦USB接口。

3.2 手機App設(shè)計

在開發(fā)安卓手機軟件的過程中，手機軟件開發(fā)者往往需要應(yīng)用Java語言開展程序編寫和開發(fā)。在市場中，默認的Android移動App需要由Linux在其中全自動運行，假如在具體運行過程中需要取代Linux運行，往往會自動啟動程序流程。可是，假如代碼錯誤且不能正常運轉(zhuǎn)，手機 App應(yīng)用程序?qū)⒔K止。根據(jù)安卓系統(tǒng)移動App自覺性的需求，務(wù)必不影響或毀壞別的App［6］。

3.3 移動終端配置

下載并打開手機App，設(shè)置IP地址和端口，點擊連接WiFi，可實現(xiàn)手機端對大棚內(nèi)的溫度、CO2濃度和光照信息的實時監(jiān)測，然后配置各個按鍵所發(fā)送的字符來控制機械臂進行采摘、噴藥和施肥。

3.4 機械臂和arduino通信配置

由于機械臂提供了相應(yīng)的串口供用戶進行二次開發(fā)，所以可用Arduino mega2560控制機械臂。利用杜邦線分別將機械臂的RX、TX、GND與Arduino mega2560的TX、RX、GND接到一起。需要注意的是，由于串口3和串口2底層的庫函數(shù)里已經(jīng)占用，所以在連線時，Arduino mega2560應(yīng)該連串口0或者串口1。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的智農(nóng)惠農(nóng)大棚采摘助手具有自動化采摘、施肥、噴灑農(nóng)藥、棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)檢測的功能，對于農(nóng)作物生長成熟階段的管理培育和后續(xù)采摘有很大的作用，可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚、植物園等場所。但面對農(nóng)業(yè)市場需求的日益變化，該智農(nóng)惠農(nóng)大棚采摘助手仍存在許多不足，比如筆者對農(nóng)業(yè)市場的需求分析還不夠細致，本身對智能機器人的認識不夠，系統(tǒng)體系不健全、推廣能力不足等問題，需要不斷改善其功能以順應(yīng)社會的快速發(fā)展［7］。本項目設(shè)計的大棚采摘助手系統(tǒng)十分可靠，且具有準確率高、穩(wěn)定性好、操作簡單快捷、可維護性好等優(yōu)點，同時加上國家對人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的支持，前景必然廣闊。

參考文獻

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［3］崔志遠，曹文康，張志高，等.基于視覺識別的水面垃圾處理裝置［J］.智能城市，2022（8）：1-3.

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［5］朱偉枝，楊亞萍，陳智.基于OpenMV的智能小車路徑規(guī)劃及定點擺放棋子的設(shè)計［J］.機電工程技術(shù)，2020（7）：126-128.

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［7］金周英.關(guān)于我國智能機器人發(fā)展的幾點思考［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001（4）：5-7.

（編輯 王雪芬）

Design of picking assistant for intelligent agriculture and benefit agriculture greenhouse

based on visual recognition module

Yuan? Lijuan， Han? Qiunuo

（Baoding University， Baoding 071000， China）

Abstract： New agricultural production methods and technologies have promoted the development of agriculture and the progress of society. At the same time， with the widespread application of computer technology， more and more people begin to study intelligent and mechanized agricultural production. Visual recognition and automatic picking have become important research directions. In this paper， the picking assistant of intelligent agriculture and benefiting farmers greenhouse is designed to harvest crops through the mechanical arm and visual recognition module. At the same time， in order to better manage crops in the mature period， the system is also equipped with environmental detection and spraying fertilization functions. This system is applicable to the mechanization of agricultural greenhouses， which can improve work efficiency， reduce manual input， and realize intelligent agricultural production.

Key words： intelligent picking; environmental testing; automatic fertilization