郭志越 王偉 莊煜 張剛 盧振 孫躍志 梁玉亮

摘要：農(nóng)田信息采集系統(tǒng)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息化的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。如何為農(nóng)業(yè)科技研究人員、農(nóng)田業(yè)主提供更為精確的參考數(shù)據(jù)，如何通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的信息共享，為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)農(nóng)田信息采集系統(tǒng)。首先對(duì)國(guó)內(nèi)外農(nóng)田信息采集現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用solidworks三維建模與仿真技術(shù)建立系統(tǒng)的虛擬模型，并進(jìn)行仿真研究。對(duì)solidworks虛擬模型進(jìn)行實(shí)物模擬車型的加工、裝配和實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、對(duì)比，證明農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)可以在大棚內(nèi)進(jìn)行信息采集，并將信息傳送至附近的接收點(diǎn)，解決以往農(nóng)業(yè)大棚信息節(jié)點(diǎn)采集繁瑣和困難的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)田信息；信息采集；輪式機(jī)器

中圖分類號(hào)：S776

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X（2015）04-0092-06

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的推廣應(yīng)用，利用小型移動(dòng)設(shè)備作為載體，進(jìn)行農(nóng)田信息的采集，亦已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)研究和發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要用于耕種、采摘、除草等工作，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還需要大量的、實(shí)時(shí)的各種農(nóng)田信息作為人工調(diào)控和管理決策的依據(jù)，比如土壤信息、作物生長(zhǎng)信息等。針對(duì)農(nóng)業(yè)信息采集的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可搭載用于農(nóng)田作物信息采集的多種傳感器如：土壤pH值、土壤含水量、濕度等傳感器，以實(shí)時(shí)地獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)情況信息，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的信息共享，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田作物生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)情況的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及農(nóng)田信息化管理。系統(tǒng)作為信息采集的平臺(tái)，移動(dòng)靈活，可靠性高，機(jī)構(gòu)質(zhì)量盡可能小。設(shè)計(jì)的好壞是整個(gè)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，在農(nóng)田表面地形復(fù)雜、未知的環(huán)境中，系統(tǒng)必須具有性能優(yōu)越、自適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，才能有效完成任務(wù)。

1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與電機(jī)的選擇

1.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式選擇

目前，農(nóng)田信息采集機(jī)器的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為：履帶式、腿式和輪式3種，且還有其中的結(jié)合形式，如輪一履式等。

（1）履帶式。履帶最早出現(xiàn)于坦克和裝甲車上，后來(lái)用于某些地面行走機(jī)器人上，履帶行走機(jī)構(gòu)由于其接觸面積大，附著能力強(qiáng)，能夠減少對(duì)土壤的碾壓，具有良好的地面適應(yīng)性和良好的穩(wěn)定性，能夠通過(guò)配合各種農(nóng)具，則能在泥濘土地可以進(jìn)行良好的作業(yè)。但履帶式機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大，轉(zhuǎn)向方式不夠靈活，且當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境惡劣時(shí)，履帶很快會(huì)被磨損而失效，而復(fù)雜的履帶和數(shù)量過(guò)多驅(qū)動(dòng)輪使得機(jī)器人笨重不堪。而且履帶式機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，且運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及控制設(shè)計(jì)計(jì)算十分困難，而在行走空間受到限制的場(chǎng)合里，難以發(fā)揮其履帶式的性能。

（2）腿式。腿式的行走機(jī)構(gòu)，無(wú)論是對(duì)地面的適應(yīng)性和翻越障礙的能力都是輪式和履帶式無(wú)法比較的，腿式機(jī)器人在平移時(shí)，質(zhì)心會(huì)發(fā)生很大的變化，如果運(yùn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)，就會(huì)發(fā)生翻倒現(xiàn)象，所以在設(shè)計(jì)腿式結(jié)構(gòu)機(jī)器人時(shí)，要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且設(shè)計(jì)出一大系列的運(yùn)動(dòng)控制算法，且運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析也比較困難，所以在一定程度上對(duì)于自主設(shè)計(jì)具有很大的難度。

（3）輪式。行走機(jī)構(gòu)中最簡(jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛，也是最常見的機(jī)構(gòu)。通常的行走機(jī)構(gòu)有四輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪式移動(dòng)機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、操縱簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)輕巧、移動(dòng)速度迅速和方向容易控制。而懸架結(jié)構(gòu)和車輪底盤的出現(xiàn)，使得輪式移動(dòng)機(jī)器人能夠適應(yīng)各種崎嶇不平的路面，并且能夠翻越一定程度的障礙物等。

通過(guò)以上3種分析：選用輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)作為農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式。

1.2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案選擇

農(nóng)田信息采集系統(tǒng)必須具備驅(qū)動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向裝置，而電機(jī)是比較普遍使用的驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)電子控制技術(shù)對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置主要有下面兩種方式布置：

（1）集中驅(qū)動(dòng)方式，把驅(qū)動(dòng)電機(jī)放置在車體上，在通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)?dòng)力輸出到每個(gè)輪子上，使車輪運(yùn)動(dòng)。

（2）集中控制一分布驅(qū)動(dòng)方式。在每個(gè)車輪上都安裝電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)向，電機(jī)由安裝在車體上的控制系統(tǒng)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度，轉(zhuǎn)動(dòng)或停止。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，且有利于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能的發(fā)揮。

農(nóng)田信息的采集，路面情況都比較差，需承載能力強(qiáng)，需攜帶各種各樣的傳感器，甚至需要攜帶機(jī)械手等，能夠有效的翻越陡坡等路面情況，故選用集中控制一分布驅(qū)動(dòng)方式，并通過(guò)4個(gè)電機(jī)能夠提供更大的力和轉(zhuǎn)矩。

1.3 電機(jī)的選擇

直流電機(jī)雖然不比交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠。但長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題仍然未能得到較好的解決。所以在此之前，直流電動(dòng)機(jī)具有交流電動(dòng)機(jī)不能比擬的良好的啟動(dòng)調(diào)速控制性能。

故計(jì)算過(guò)程如下。

（1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的確定

機(jī)器人重量20kg，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行阻力和電機(jī)功率及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。

G=20kgx9.8N/kg。

μ=0.015，d=40mm，D=140mm.

①運(yùn)行阻力的計(jì)算

車輪與軸承之間的摩擦力：

②車輪與地面間的摩擦力：

滾動(dòng)阻力系數(shù)：

滑動(dòng)摩擦系數(shù)：f=0.36，即

③慣性阻力：

④系統(tǒng)總驅(qū)動(dòng)力為：

⑤地面與車輪的摩擦因數(shù)為f=0.36

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為w=35.2rad/s。

驅(qū)動(dòng)軸上驅(qū)動(dòng)輪處的轉(zhuǎn)矩為：

電動(dòng)機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

T_L=2T。

（7）

T_L=2T=2 x1.2348 =2.4696N/m.

設(shè)電動(dòng)機(jī)效率η=0.9則穩(wěn)定負(fù)載功率為：

加速度轉(zhuǎn)矩為：

加速度功率為：

電動(dòng)機(jī)輸出功率額定容量為：

⑥電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的確定：

電動(dòng)機(jī)的減速比i=9：1。

（13）

則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為：

2 農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案及參數(shù)選擇

2.1 農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由車身、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成。

2.2 主要性能指標(biāo)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要性能指標(biāo)（參數(shù)）要求如下：

行走速度：1～2m/min。

車的整體質(zhì)量：lOkg。

體積尺寸：500mm x200mm×300mm。

所需能源：蓄電池；驅(qū)動(dòng)方式：四輪驅(qū)動(dòng)。

2.3 工作原理及基于SolidWorks的虛擬仿真

2.3.1 工作原理

信息采集系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)在農(nóng)田通過(guò)攝像頭和各種傳感器進(jìn)行信息采集，通過(guò)無(wú)線通訊模塊將采集的信息反饋給控制臺(tái)?？刂婆_(tái)根據(jù)系統(tǒng)行走情況，進(jìn)行信息的統(tǒng)計(jì)處理和進(jìn)一步的分析，將有用信息存儲(chǔ)到農(nóng)田信息庫(kù)，并通過(guò)無(wú)線通訊發(fā)出指令到系統(tǒng)控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的下一步的工作指令。

2.3.2 基于SolidWorks的虛擬仿真

Solidworks的虛擬仿真，盡可能簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)模型，降低硬件要求，加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度，具體操作過(guò)程如下：

（1）建立模型。建立采摘轉(zhuǎn)軸和支撐架簡(jiǎn)化模型，如圖3所示。由轉(zhuǎn)軸和支撐架組成的系統(tǒng)中，剛度相當(dāng)大，變形小，可以認(rèn)為是剛體。因此，在由轉(zhuǎn)軸和支撐架組成的系統(tǒng)中，除減震墊等墊圈當(dāng)做柔性體以外，其余主要部件可以認(rèn)為是剛體，建立轉(zhuǎn)軸和支撐架的剛性體。

（2）添加載荷。軸、軸承和支撐架之間組成轉(zhuǎn)動(dòng)副；支撐架與車身為螺栓連接。

（3）運(yùn)行仿真。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)仿真結(jié)果。

仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)軸在以10r/min左右的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)與其接觸的軸承和車輪的作用力介于0.13～3.26N之間，該作用力介于轉(zhuǎn)軸和支撐架的結(jié)合力之間，同時(shí)該作用力也遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)軸的許用應(yīng)力。因此，理論上轉(zhuǎn)軸滿足要求，能夠正常工作。支撐架與其接觸的軸承和車身的作用力介于0.25～2.5N之間，該作用力介于轉(zhuǎn)軸和支撐架的結(jié)合力之間。因此，理論上支撐架滿足要求。

3 農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人主要部分設(shè)計(jì)

3.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)系統(tǒng)車體采用合金鋁框架式多層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。車身一層，主要安裝云臺(tái)、直流電源及CCD攝像頭等CCD攝像頭安裝在云臺(tái)上，均可在水平面上旋轉(zhuǎn)和上下俯仰，從而提高了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的探測(cè)能力。車身二層，主要安裝控制板卡、溫度傳感器、濕度傳感器，根據(jù)需要安裝其它設(shè)備或傳感器。車身結(jié)構(gòu)緊湊，易于維護(hù)，提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力。云臺(tái)的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)車載攝像頭在水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向的俯仰運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)安裝其上的攝像頭可多角度拍攝農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況。通過(guò)機(jī)械手可以很方便地將土壤pH值傳感器插入到土壤中，完成測(cè)量。機(jī)械手的前后移動(dòng)是通過(guò)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械手的手臂部分能實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度，即在關(guān)節(jié)處安有3個(gè)角度舵機(jī)。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控制器部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它主要將從傳感器獲得環(huán)境信息然后進(jìn)行決策運(yùn)算與發(fā)出控制信號(hào)，并進(jìn)行人機(jī)交互等，它承擔(dān)了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的大量實(shí)時(shí)計(jì)算工作，所以其性能將直接影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

本設(shè)計(jì)采用直插式STC89C52RC芯片作為移動(dòng)系統(tǒng)小車的控制芯片，它的主要功能是通過(guò)控制其輸出引腳的電平高低，讓電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向以及溫度、濕度信息的采集。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊集成有6～9V電壓轉(zhuǎn)換電路，可以對(duì)小車輸入6～9V電壓，并自帶多路SV拓展輸出。選擇集成性能更強(qiáng)的帶電機(jī)剎車功能的L293D作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作?；趩纹瑱C(jī)的行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件電路如圖4所示。由51單片機(jī)、電源供電系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外接收模塊等組成。實(shí)現(xiàn)了行走機(jī)構(gòu)路徑識(shí)別，軌跡跟蹤等功能。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：采用四輪驅(qū)動(dòng)的方式控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，在四個(gè)輪子對(duì)應(yīng)的相應(yīng)位置安裝四個(gè)直流減速電機(jī)。選用AT89C2051作為從CPU控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確與靈活調(diào)速。

3.3 數(shù)據(jù)采集一傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感系統(tǒng)包括溫度、濕度傳感器、CCD攝像頭、紅外避障模塊等，選擇進(jìn)口紅外探頭，該探頭具有不怕光的特點(diǎn)，帶有可調(diào)式電位器，探測(cè)距離可調(diào)，精度高，有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)避障功能。視頻采集CCD攝像頭選擇HD720P高清攝像頭。該攝像頭即插即用免驅(qū)，支持實(shí)地視頻拍攝，1280 x720（默認(rèn)），拍照像素尺寸為1200萬(wàn)像素（軟件增強(qiáng)），適應(yīng)接口為USB3.0，顯示幀率為最快60幀/s，成像距離為7CM（支持微距），并內(nèi)置降噪功能的智能數(shù)字麥克風(fēng)，可完成對(duì)智能大棚作物生長(zhǎng)情況拍照，錄像任務(wù)。選擇溫濕度檢測(cè)傳感器DHT11檢測(cè)智能大棚溫度、濕度。SHTlx單片數(shù)字溫濕度集成傳感器的濕度范圍0～100%RH、溫度范圍-40～128.8℃，測(cè)濕精度±4.5%RH、測(cè)溫精度±0.5℃（25℃）。

3.4 模擬車型的搭建

圖5為系統(tǒng)的配置情況。因需保護(hù)電機(jī)輸出軸，避免連接驅(qū)動(dòng)輪帶來(lái)的負(fù)荷直接作用在電機(jī)軸上扭矩的有效傳遞。根據(jù)要求設(shè)計(jì)圖示裝配結(jié)構(gòu)，如圖6所示。該裝配結(jié)構(gòu)緊湊，輪軸的受力好，受到?jīng)_擊不易彎曲。圖示的輪子可在市場(chǎng)上購(gòu)買，且兩側(cè)支撐的結(jié)構(gòu)使輪軸的受力良好；支撐處內(nèi)有軸承，使運(yùn)動(dòng)靈活。

操作人員在控制點(diǎn)通過(guò)射頻接收裝置，接收由機(jī)器人射頻發(fā)射裝置發(fā)送的信息，在信息接收端界面可以顯示測(cè)得的農(nóng)作物生長(zhǎng)信息，如溫度、濕度、pH值等，也可以通過(guò)攝像頭顯示農(nóng)作物生長(zhǎng)情況。試驗(yàn)分兩部分：一是先在大棚中實(shí)現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎；二是采集農(nóng)作物信息并傳輸?shù)娇刂泣c(diǎn)。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)在采集信息的過(guò)程中，通過(guò)五點(diǎn)法在大棚中選取了十個(gè)位置，在不同的時(shí)間段進(jìn)行信息采集，見表1，并通過(guò)通信系統(tǒng)發(fā)送到接收點(diǎn)。綜上所述，針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于solidworks的農(nóng)業(yè)大棚信息采集，試驗(yàn)表明農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)采集的信息數(shù)據(jù)精度高，符合農(nóng)業(yè)大棚信息無(wú)線監(jiān)測(cè)的要求，具有操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能穩(wěn)定可靠地監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，主要完成工作如下：

（1）通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外移動(dòng)系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)的研究分析，提出了可以滿足具有采集農(nóng)田信息功能的系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

（2）完成了農(nóng)田信息采集系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用solidworks軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，建立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型。

（3）建立了系統(tǒng)的樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了分析，最終試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到所設(shè)計(jì)的要求和目標(biāo)。 本課題通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)車身、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，建立了系統(tǒng)虛擬模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了性能優(yōu)越的參數(shù)組合，據(jù)此設(shè)計(jì)制造了系統(tǒng)物理樣機(jī)，并進(jìn)行了行走試驗(yàn)、信息采集試驗(yàn)。使機(jī)器人具備了在大棚中自動(dòng)避障，檢測(cè)溫、濕度等數(shù)據(jù)和觀察作物生長(zhǎng)狀況的能力。