楊博，程清偉，李慶鴻，葉佐鎮(zhèn)，李家輝，謝順成

低碳智能種植小車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊博，程清偉，李慶鴻，葉佐鎮(zhèn)，李家輝，謝順成

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州510800）

低碳智能種植小車的設(shè)計(jì)，主要是為解決人工挖坑種植勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低及大型機(jī)械化種植成本高、體積龐大靈活性低、性能不穩(wěn)、無法大規(guī)模使用的問題。本設(shè)計(jì)在電氣控制上利用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓空氣，并結(jié)合STM32系統(tǒng)控制電磁閥開閉來控制氣壓缸的往返運(yùn)動(dòng)，并且由WiFi232模塊對(duì)種植機(jī)進(jìn)行無線遙控制電磁閥的開閉，再驅(qū)動(dòng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)下完成挖口、投苗、覆土、鎮(zhèn)壓、鋪設(shè)滴灌植樹的一般流程，從而實(shí)現(xiàn)智能種植。

低碳；智能；種植；設(shè)計(jì)

國家林業(yè)局印發(fā)《國家林業(yè)局2016年工作要點(diǎn)》通知，我國全年計(jì)劃完成造林1億畝、森林撫育1.2億畝，實(shí)現(xiàn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值6.3萬億元、林產(chǎn)品進(jìn)出口貿(mào)易額1 500億美元。這對(duì)于現(xiàn)有的人工裝備，種植工作任務(wù)大，作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)，僅育苗一項(xiàng)，人工就無法滿足要求。實(shí)踐表明，由機(jī)械智能化植樹造林才能最大限度地提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，提高造林成活率。此外，發(fā)展植樹造林的“未來產(chǎn)業(yè)”，將有效地解決生產(chǎn)過剩、勞動(dòng)力過剩的矛盾，大大緩解“現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)”市場競爭的壓力，促使有序競爭和有效管理體系建立起來，為“未來產(chǎn)業(yè)”發(fā)展提供物質(zhì)保障。但是我國在樹苗種植方面，還是以人工為主，機(jī)械為輔，而國內(nèi)目前的植樹機(jī)體積巨大，性能不穩(wěn)，成本高?；谝陨锨闆r，設(shè)計(jì)出適用于林業(yè)與農(nóng)業(yè)的智能化、低成本的低碳智能種植小車。

1 低碳智能種植小車的基本組成及工作原理

低碳智能種植小車主要由底盤搭載平臺(tái)裝置、種植裝置、覆土壓實(shí)裝置、自動(dòng)投苗裝置、澆水工作模塊、空氣壓縮機(jī)裝置，傳感器模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊及無線WIFI遠(yuǎn)程控制模塊。

其工作原理：低碳智能種植小車的智能系統(tǒng)是采用STM32系統(tǒng)控制，智能系統(tǒng)的人機(jī)交流界面可以設(shè)定農(nóng)作物行間距、株間距、種植的深度，并通過小車上的檢測裝置檢測到土壤的溫度、濕度。智能種植小車根據(jù)所檢測數(shù)據(jù)，傳輸?shù)街悄芸刂葡到y(tǒng)處理并作出判斷，是否對(duì)種植環(huán)境給予改造。智能種植小車在改造種植環(huán)境時(shí)可通過控制小車澆水的澆水裝置給農(nóng)作物適當(dāng)?shù)乃坎⒖商岣咿r(nóng)作物的成活率。低碳智能小車在種植系統(tǒng)控制、土壤監(jiān)測、農(nóng)作物種植、澆水等功能方面，實(shí)現(xiàn)了智能種植的過程。

低碳智能種植小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣控制上是利用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓空氣，通過STM32系統(tǒng)控制電磁閥開閉來控制氣壓缸的往返運(yùn)動(dòng)，并且由智能系統(tǒng)中的程序控制電磁閥的開閉，從而完成低碳智能種植小車在挖口、投苗、覆土、鎮(zhèn)壓、鋪設(shè)滴灌等植樹環(huán)節(jié)。低碳智能種植小車在農(nóng)作物運(yùn)輸、投苗、種植、壓實(shí)、澆水過程集為一體，同時(shí)智能小車中的工作模塊與控制模塊分開，從而減輕了小車重量，使智能種植小車更加靈活方便，工作效率更高。智能種植小車的控制模塊可通過人為手持遙控，通過WiFi模塊發(fā)送指令及接收機(jī)器工作狀況，根據(jù)智能小車的工作情況調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行方面得以最佳。低碳智能種植小車的工作原理如圖1所示。

圖1 低碳智能種植小車的工作原理

2 小車智能模塊工作過程

2.1 智能種植裝置

智能種植裝置由空氣壓縮機(jī)、氣壓缸、種植管、電磁閥繼電器和滑軌組成，空氣壓縮機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生高壓空氣從而推動(dòng)氣壓缸活塞上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)種植挖口。智能STM32控制系統(tǒng)銜接繼電器，利用小電流控制大電流的方式控制電磁閥的開閉來控制氣壓缸的工作狀態(tài)，然后電磁閥進(jìn)氣帶動(dòng)種植槍快速平穩(wěn)往下運(yùn)動(dòng)，使種植槍插入土中，完成挖種植坑的流程。

2.2 覆土壓實(shí)裝置

覆土壓實(shí)裝置利用杠桿原理將種植槍口打開，并對(duì)種植坑進(jìn)行擴(kuò)大，同時(shí)植物從種植槍中滑落至種植坑中，然后種植氣壓缸帶動(dòng)種植槍上升，最后由壓實(shí)氣壓缸帶動(dòng)填土機(jī)構(gòu)進(jìn)行覆土壓實(shí)并將種植槍口關(guān)閉。圖2為種植及壓實(shí)機(jī)構(gòu)三維模型圖。

圖2 種植及壓實(shí)機(jī)構(gòu)三維模型

2.3 自動(dòng)投苗裝置

智能種植小車的自動(dòng)投苗裝置主要由齒輪、齒條、步進(jìn)電機(jī)、滑軌和放置苗圃的架子組成?？刂圃撗b置的步進(jìn)電機(jī)由STM32控制系統(tǒng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與轉(zhuǎn)子銜接的齒輪嚙合齒條攜帶放置苗圃的架子前進(jìn)，在滑軌的約束下，往前移動(dòng)，當(dāng)苗圃到達(dá)投苗口時(shí)，投下苗圃至種植槍，與此同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成投苗的流程，等待下一投苗工作流程。

2.4 智能澆水裝置

智能澆水裝置是由水箱、水管、噴頭、水泵和電磁閥組成。小車在壓實(shí)機(jī)構(gòu)工作完成后，通過STM32控制系統(tǒng)，控制電磁閥通斷電來控制水水泵的工作狀態(tài)。通過電磁閥來控制澆水，可以通過設(shè)置參數(shù)來調(diào)節(jié)水的流量，滿足不同苗圃對(duì)水分的要求，從而提高了苗圃的存活率，種植機(jī)水泵參數(shù)如表1.

表1 水泵參數(shù)

2.5 氣壓控制裝置

氣壓控制裝置由一個(gè)便攜式充氣泵和儲(chǔ)氣瓶組成，小車氣壓工作時(shí)，蓄電池為便攜式充氣泵提供電能，使得便攜式充氣泵對(duì)氣瓶進(jìn)行充氣。充氣泵與空氣壓縮機(jī)比較，充氣泵在結(jié)構(gòu)上沒有儲(chǔ)氣的氣瓶，無法直接輸出高的氣壓。所以該機(jī)構(gòu)上的氣瓶起到了存儲(chǔ)氣體和蓄壓的作用。當(dāng)氣瓶內(nèi)氣壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電磁閥控制氣體的進(jìn)出及流量，達(dá)到輸出不同壓力的目的。

2.6 基于STM32系統(tǒng)控制原理

小車智能控制系統(tǒng)采用STM32處理芯片。利用WIFI232模塊對(duì)種植機(jī)進(jìn)行無線遙控，首先采用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，其次過STM32系統(tǒng)控制電磁閥開閉來控制氣壓缸的往返運(yùn)動(dòng)，并且由程序控制電磁閥的開閉完成挖口、投苗、覆土、鎮(zhèn)壓、鋪設(shè)滴灌植樹的一般流程。

2.7 探測系統(tǒng)

探測系統(tǒng)主要采用溫度，濕度傳感器，以及超聲波傳感器，該系統(tǒng)工作前完成探測任務(wù)，根據(jù)傳送回來的數(shù)據(jù)分析，對(duì)該區(qū)域的種植環(huán)境進(jìn)行預(yù)判段，判斷對(duì)其改造的方向、程度，最大程度改善環(huán)境，一方面根據(jù)探測回來的數(shù)據(jù)，對(duì)土壤的溫度、濕度進(jìn)行分析，探測的結(jié)果為后來改造做充足的準(zhǔn)備。圖3是探測系統(tǒng)流程圖。

圖3 探測系統(tǒng)流程圖

3 智能小車工作效率分析

低碳智能種植小車對(duì)于人工種植和傳統(tǒng)的機(jī)械種植，工作效率有所提高，低碳智能種植小車選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)如下表2，通過相應(yīng)的計(jì)算得出種植小車的工作效率。

表2 電機(jī)參數(shù)

已知電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T、軸距L，可求得力F.

F=T/L=375 N

種植機(jī)的行走速度計(jì)算，根據(jù)電機(jī)的輸出功率P，以及驅(qū)動(dòng)力F，可求得。

V=P/F=0.4 m/s

設(shè)定樹苗種植間隔b為1.5 m，挖坑種植一顆樹苗的時(shí)間t1為1 min，則種植一顆小樹苗需的總時(shí)間為t.

t=t1+1.5/0.4=63.75 s

一天工作8 h，車寬a為0.6，則可以算出植樹機(jī)一天的種植棵樹y和種植面積S：

y=8×3 600/63.75=451.8顆

S=aby=0.6×1.5×451.8=406 m2

與傳統(tǒng)的人工相比，圖4為低碳種植小車與傳統(tǒng)人工工作效率對(duì)比圖。

圖4 種植小車與傳統(tǒng)人工工作效率對(duì)比

4 結(jié)論

低碳智能種植小車是一款新型種植機(jī)器，旨在廣泛應(yīng)用于林業(yè)農(nóng)業(yè)。本設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用自動(dòng)投苗，從而實(shí)現(xiàn)種植過程的運(yùn)輸、投苗、種植、壓實(shí)、澆水的功能，減少對(duì)苗圃的損傷，提高苗圃的成活率。作為人口大國，我國對(duì)進(jìn)口糧食瓜果極具依賴且木材供需矛盾日益尖銳，木材供不應(yīng)求。新型植樹機(jī)通過無線遠(yuǎn)程遙控控制智能化完成挖坑、投苗、覆土、鎮(zhèn)壓、鋪設(shè)滴灌等植樹一整套流程，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)大大減少農(nóng)業(yè)瓜果種植的流程。

[1]廖廷茂，王為，李小昱.我國馬鈴薯種植機(jī)的現(xiàn)狀與分析[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2007（3）：35-36.

[2]岳群.馬鈴薯種植機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].青島：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[3]M.Datta，N.P.Singh.印地安潮濕亞熱帶的多種用途樹種的生長特性以及農(nóng)林系統(tǒng)中作物產(chǎn)量和土壤特性（英文）[J].Journal of Forestry Research，2007（4）：17-26，84.

[4]董歡.農(nóng)業(yè)機(jī)械化的微觀行為選擇及其影響因素——基于農(nóng)戶稟賦及種植環(huán)節(jié)的實(shí)證分析[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，2015（7）：85-90.

[5]金磊.大蒜種植機(jī)械設(shè)計(jì)[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

The Design and Application of low Carbon Intelligent Planting Trolley

YANG Bo，CHENG Qing-wei，LI Qing-hong，YE Zuo-zhen，LI Jia-hui，XIE Shun-cheng
（South China University of Technonlogy of Guangzhou，Guangzhou 510800，China）

The design of low carbon intelligent car is growing，high labor intensity，low efficiency and high cost，large mechanized planting large volume flexibility is low，performance is not stable，not large-scale use in order to solve the problem of artificial digging planting.The design of the electrical control using air compressor to generate high pressure air，and combined with the movement of STM32 system to control the electromagnetic valve to control the pneumatic cylinder，and by the WiFi232 module of planting machine to open and close and then drive to complete export，investment and general process of digging seedlings，soil，planting trees，laying drip suppression in mechanical structure wireless remote control solenoid valve，so as to realize intelligent planting.

low carbon；Intelligence；plant；design

S223.99

A

1672-545X（2017）07-0111-03

2017-04-25

廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育科技發(fā)明類重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：pdjh2017a0961）

楊博（1996-），男，本科在讀，主要研究方向?yàn)檐囕v工程；程清偉（1988-），男，廣東湛江人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，高級(jí)技師，主要研究方向?yàn)檐囕v工程。