孫玉萍 李宗唐

（西安培華學院，陜西 西安 710125）

在新的發(fā)展時期，依靠科學技術推動農(nóng)業(yè)發(fā)展，無疑是一項重要的實踐命題。習近平于2013年11月提出精準扶貧思想［1］。從2013年至今，各地區(qū)政府響應習近平的號召，紛紛出臺了相應的扶貧政策，而養(yǎng)殖業(yè)憑借投資小、精準度高以及收入穩(wěn)定等優(yōu)點成為脫貧攻堅的主力軍。黨的十九大報告中提出了鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，需要抓好農(nóng)村人居環(huán)境建設，加強農(nóng)村污染治理和生態(tài)環(huán)境保護等。

1 背景及目的

目前，國家為推動貧困區(qū)縣經(jīng)濟的發(fā)展，鼓勵在不破壞生態(tài)環(huán)境的同時大力發(fā)展畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。然而，貧困地區(qū)家庭收入的來源主要為青壯年外出務工所得，在家中留守的多是婦女、兒童和老人。這一群體普遍存在勞動力缺乏、文化水平低的問題，對養(yǎng)殖沒有科學認識，對畜禽糞便不能進行科學處理，且環(huán)境保護意識薄弱，導致糞便污染管理不能有效開展［2］。

一些養(yǎng)殖戶環(huán)保意識薄弱，選擇在養(yǎng)殖場內(nèi)設置下水道。對于畜禽類糞便的清理，他們選擇直接用水沖洗，并引流至場外不遠處的化糞池中，并經(jīng)常將未處理的禽畜糞便直接作為肥料施加到農(nóng)田中。由于養(yǎng)殖環(huán)境較差且未處理的糞便中含有大量有害物質(zhì)，導致農(nóng)田受污染情況嚴重。養(yǎng)殖戶盲目施加肥料，用量不符合農(nóng)作物的生長需要，導致肥料施加量過大，使農(nóng)作物出現(xiàn)了貪青、瘋長的情況，延長了農(nóng)作物的生長周期，對農(nóng)田造成了嚴重損害，同時大大減少了農(nóng)作物收益。糞便和排泄物中的病原菌通過土壤、水源以及空氣等進行傳播，也會將病原體傳染給人們。

由于技術落后，貧困山區(qū)養(yǎng)殖粗放，大都深受疫病、技術服務等因素的困擾。從根本上解決這些問題，在不影響的發(fā)展下推動經(jīng)濟進步，做到產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居，需要對畜禽的糞便進行科學化集中收集處理［3］。本項目提出一種基于無線通信技術和微處理器技術的智能清掃機器人，旨在從污染源頭對糞便進行處理，解決養(yǎng)殖過程中糞便收集清理問題。

2 整體設計方案

2.1 系統(tǒng)結構

本項目設計的智能清掃機器人，整體系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

清掃機器人通過無線傳感模塊將采集的障礙物信息（如畜禽糞便）運用無線技術進行傳輸，并將識別的內(nèi)容解析和控制指令發(fā)送給主控制端實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎、停留以及前進等功能。若檢測到前方出現(xiàn)障礙物，主控制端立刻向機器人發(fā)出停止指令，并將信號發(fā)送給清掃模塊，完成清掃［4］。

本項目也可集成多種無線模塊，實現(xiàn)清掃、物體實時跟蹤以及實地信息傳輸?shù)榷喾N功能。該項目中設計采用無線信息傳輸模塊，主要集成傳感器、處理單元和通信模塊節(jié)點，且各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡。無線信息傳輸模塊將采集的障礙物信息經(jīng)過優(yōu)化后反饋給主控制器，主控制器把命令處理成對可控設備的相應操作指令，并將操作指令以電脈沖信號形式發(fā)出，而執(zhí)行模塊將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的形式發(fā)送給清掃模塊，從而實現(xiàn)清掃。

2.2 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能從以下3個部分來實現(xiàn)。第1部分由無線信息傳輸模塊和主控制器組成，實現(xiàn)對障礙物信息的采集；第2部分由主控器和接口電路組成控制總平臺，實現(xiàn)對該系統(tǒng)的總體控制；第3部分由主控制器、感應電機及周圍電路組成清掃模塊，實現(xiàn)對障礙物的清掃。通過以上3個部分最終實現(xiàn)整體系統(tǒng)功能，而在實現(xiàn)基本要求的基礎上，還可集成視頻遙控等功能，為養(yǎng)殖戶提供更加方便、快捷的服務［5］。

3 項目實施

3.1 主控制器

本系統(tǒng)選用基于ARM的32位增強型MCU作為主控制器，基本電路由其最小系統(tǒng)及電源指示燈組成，工作電壓2.0～3.6 V。由于電路需要的無線傳感模塊驅(qū)動電壓為5 V，所以需添加3.3 V穩(wěn)壓芯片進行轉(zhuǎn)換。該芯片功耗低、性能高、成本低，滿足主控制系統(tǒng)對資源的需要。

3.2 傳感模塊

3.2.1 超聲波傳感器。采用HC-SR04超聲波模塊，模塊性能穩(wěn)定，測距精確且精度高，盲區(qū)只有2 cm，符合系統(tǒng)對傳感器的要求。項目實施過程如圖2和圖3所示。

圖2 無線傳感器工作示意圖

圖3 執(zhí)行模塊工作示意圖

整體實施過程如下：主控制器產(chǎn)生一個方波用來驅(qū)動無線傳感器發(fā)射檢測糞便的聲波，聲波碰到障礙物反射回無線傳感器接收端；若沒有檢測到糞便，則輸入低電平給主控制器，使得主控制器驅(qū)動無線傳感器繼續(xù)尋找糞便；若檢測到糞便，則輸入高電平給主控制器，使得主控制器驅(qū)動清掃模塊進行清掃。

3.2.2 壓力傳感器。壓力傳感器可以以一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以識別的電信號，在生活中極為常見。本項目的壓力傳感器模塊采用具有模數(shù)轉(zhuǎn)換的高精度、低成本的HX711芯片。該清掃機器人在清掃模塊備有清理箱，清理箱底部設有壓力傳感器。壓力傳感器可將清理箱所承受的質(zhì)量轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送給主控制器。提前預設清理箱的最大承重，傳感器將清理臂每清理一次時箱內(nèi)實施重量反饋給主控制器。當“清理箱最大承重-清理箱內(nèi)糞便質(zhì)量≤1 kg”時，傳感器將信息發(fā)送給主控制器，主控制器停止檢測、清理、行進并驅(qū)動蜂鳴器報警，等待下一步處理。由于該機器人實用性較強，所以在制作出初步原理樣機后需要進行實地考察，根據(jù)實際情況改良原理樣機的方案，最終完成制作。

3.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊由舵機、清潔工具及指示燈組成。芯片接收到無線傳感器的障礙物信息，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比達到驅(qū)動舵機的目的。清掃工具與舵機相連，舵機轉(zhuǎn)動，帶動清潔工具執(zhí)行清掃指令，從而實現(xiàn)對糞便的清理。

4 結語

近年來傳感器技術發(fā)展迅速，應用廣泛，作為本項目的技術核心，不僅節(jié)約了成本，而且減少了傳輸線路間的串擾，提高了產(chǎn)品性能和智能化水平，使得人們在使用過程中操作更為簡單、方便。項目所提出的智能清掃機器人通過對畜禽糞便進行收集，有助于后期的循環(huán)利用，利用自動化設備代替人工水沖洗，減少了水資源的浪費，初步防治了空氣污染和農(nóng)田污染，為后續(xù)對糞便科學化處理提供了技術支持，實現(xiàn)了對養(yǎng)殖場環(huán)境污染的治理［6］。