秦學(xué)珍,劉 萍

(河南開放大學(xué),河南 鄭州 450046)

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,但當(dāng)前國內(nèi)農(nóng)業(yè)信息化、智能化的程度總體不高。對于人口眾多的中國而言,對糧食的需求較大。為了降低農(nóng)民的勞動強(qiáng)度、提高勞動的生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、解決勞動力不足,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化迫在眉睫[1]。隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、精細(xì)化已成為現(xiàn)實(shí)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化設(shè)備體積龐大,無法實(shí)現(xiàn)小面積土地的自動化操作,導(dǎo)致很多丘陵地、山區(qū)地依然采用最原始的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[2]。為此,本文提出了基于STM32 智能耕種機(jī)器人的系統(tǒng),此系統(tǒng)引進(jìn)了先進(jìn)的傳感器采集技術(shù)。在克服傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性差的同時(shí),此系統(tǒng)能夠保證農(nóng)業(yè)操作的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。同時(shí),系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加WiFi 模塊,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程終端設(shè)備對機(jī)器人的操作,最大程度地方便了新型農(nóng)民的工作需求[3]。

美國、日本、德國等國家對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究起步較早,發(fā)展較為完善,但其研發(fā)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大[4]。在國內(nèi),南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等多所高校都對農(nóng)業(yè)耕種機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究[5]。化農(nóng)業(yè)設(shè)備裝有各種傳感器,不僅可以監(jiān)視作業(yè)過程,而且可以避開不良的工作環(huán)境,使其始終處于最佳技術(shù)狀態(tài),提高農(nóng)業(yè)操作的安全性和操作的可靠性。

1 耕種機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

本文所研究的智能耕種機(jī)器人是基于STM32 微處理器。此處理器擁有多個(gè)GPIO(輸入輸出)接口,主要用來連接各種傳感器、通信模塊、顯示模塊等外設(shè)。微處理的作用是搜集傳感器采集到的實(shí)際農(nóng)田數(shù)據(jù),接收圖像采集設(shè)備采集到的圖像信息和導(dǎo)航模塊采集到的地理位置信息,并對采集到的眾多信息進(jìn)行計(jì)算、處理和分析,接著將后續(xù)的實(shí)施指令傳達(dá)到各外設(shè)處,從而保證整個(gè)控制系統(tǒng)指令的完整性和傳輸判斷的準(zhǔn)確性,保障耕種機(jī)器人的正常運(yùn)行。

為保證本系統(tǒng)微處理器平穩(wěn)工作,整個(gè)系統(tǒng)主要在系統(tǒng)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路兩部分硬件上進(jìn)行了重點(diǎn)研究。整個(gè)系統(tǒng)的供電是由電源模塊實(shí)現(xiàn),保證了系統(tǒng)正常工作。智能耕種機(jī)器人是通過電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)使前、后、左、右4 個(gè)車輪前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。傳感器部分主要由紅外傳感器、超聲波傳感器、溫濕度傳感器等組成,本系統(tǒng)通信模塊采用的是WiFi 模塊。智能耕種機(jī)器人通過傳感器模塊、語音交互模塊對播種的路徑進(jìn)行規(guī)劃。耕種機(jī)器人和障礙物之間的距離信息主要通過紅外傳感器和超聲波傳感器進(jìn)行判斷,避開障礙物的操作是由上位機(jī)通過通信模塊對機(jī)器人的速度和方向進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的。土壤的溫濕度信息由溫濕度傳感器采集獲得,從而決定播種深度和松土程度。智能耕種機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 智能耕種機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 耕種機(jī)器人電路設(shè)計(jì)

機(jī)器人感知系統(tǒng)的運(yùn)行是由各種傳感器采集外界的信息來實(shí)現(xiàn)的,并對采集到的信息作相應(yīng)的處理。耕種機(jī)器人電路主要包括單片機(jī)(MCU)系統(tǒng)電路、電機(jī)驅(qū)動電路、傳感器電路、WiFi 模塊電路等。下面將對這些電路進(jìn)行具體分析。

2.1 單片機(jī)(MCU)系統(tǒng)電路

智能耕種機(jī)器人中單片機(jī)核心芯片選用的是STM32F103VET6,該款芯片屬于增強(qiáng)型系列,可用資源豐富、功能強(qiáng)大,擁有定時(shí)器、串行通信接口、多種總線、ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換,并且可外接多種外設(shè)。單片機(jī)擁有功耗低,集成程度高、易于開發(fā)等特點(diǎn),所以它通常被用于智能嵌入式控制。

2.2 電機(jī)驅(qū)動電路

由于單片機(jī)自身的IO 口驅(qū)動能力有限,不足以直接驅(qū)動電機(jī),所以本系統(tǒng)采用TB6612FNG 電機(jī)驅(qū)動模塊來連接電機(jī)和單片機(jī)。TB6612 驅(qū)動芯片可以同時(shí)驅(qū)動兩個(gè)電機(jī)。此驅(qū)動以總線通信為核心,一條指令就能完成電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)動時(shí)間以及轉(zhuǎn)動方向的設(shè)置。系統(tǒng)可通過單片機(jī)上的USART 串行通行接口發(fā)送指令信息,控制電機(jī)驅(qū)動。

2.3 傳感器電路

紅外傳感器對環(huán)境光線適應(yīng)能力較強(qiáng)。發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外波,當(dāng)檢測到前方障礙物時(shí),紅外波會反射回來被接收管接收,經(jīng)過比較器處理后,信號輸出低電平信號并傳送到單片機(jī)的I/O 端口。通過單片機(jī)對距離進(jìn)行分析,檢測的距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫濕度傳感器的工作電壓是3.3～3.5V,該傳感器的特點(diǎn)是體積小、測量準(zhǔn)確,信號傳輸距離相對較遠(yuǎn),輸出為單總線數(shù)字信號,可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸,與單片機(jī)進(jìn)行同步通信。溫濕度傳感器對土壤進(jìn)行溫濕度的檢測,將采集到的數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)進(jìn)行分析,從而對耕種的深度進(jìn)行調(diào)節(jié),智能地選擇最佳的耕種深度。超聲波傳感器主要利用傳感器發(fā)出的超聲波進(jìn)行探測,即耕種前方一段距離的土地信息,從而保證機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行。超聲波傳感器上既有接收信號端,又有發(fā)射信號端,可以通過發(fā)射和接收來計(jì)算詳細(xì)的耕種距離。

3 智能耕種機(jī)器人軟件程序部分

本系統(tǒng)所需要設(shè)計(jì)的軟件程序有主程序、傳感器系統(tǒng)程序、電機(jī)驅(qū)動程序、語音交互模塊程序、通信模塊程序等。本系統(tǒng)采用程序模塊化的設(shè)計(jì),可以確保各個(gè)部分正常工作。下面對傳感器系統(tǒng)模塊和語音交互模塊進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

3.1 紅外傳感器軟件設(shè)計(jì)

紅外傳感器接口電壓可選擇5V 或3.3V,傳感器接口有復(fù)位功能,紅外接口可接入紅外接頭,用來控制紅外傳感器。當(dāng)紅外傳感器檢測到障礙物時(shí),就將與紅外傳感器相連的引腳置位。通過相應(yīng)的引腳狀態(tài)讀取函數(shù),讀出此時(shí)紅外傳感器的狀態(tài)信息。在STM32中常用的引腳狀態(tài)讀取函數(shù)是:uint8 _t GPIO _ReadInputDataBit(GPIO _ TypeDef * GPIOx,uint16 _tGPIO_Pin)。

3.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊以總線的方式來驅(qū)動電機(jī),通過發(fā)送指令來進(jìn)行電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)動時(shí)間以及轉(zhuǎn)動方向等方面的操作,比如:

#idPpwmTtime! 指令用來控制電機(jī),其中,id 相當(dāng)于每個(gè)總電機(jī)的“名字”,其范圍是000-254,必須為三位數(shù),不足的位數(shù)補(bǔ)0;pwm 的范圍是0500-2500,必須為四位數(shù),不足的位數(shù)補(bǔ)0;Time 表示旋轉(zhuǎn)時(shí)間(單位s),必須為四位數(shù),范圍:0000-9999。

#000PID! 讀取ID 指令,讀取當(dāng)前電機(jī)的ID 號,#000PID! 為一般讀取指令,#255PID! 為廣播讀取指令。

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)耕種機(jī)器人控制核心是采用STM32F103VE系列的單片機(jī),以電機(jī)驅(qū)動、傳感器、語音交互、串口通信等電路作為外圍電路。超聲波傳感器和紅外傳感器共同為機(jī)器人提供避開前方障礙物服務(wù)。WiFi 模塊可以與手機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制;通信模塊與上位機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。該機(jī)器人的特點(diǎn)是:體積小、性能穩(wěn)定、成本低、操作簡單,具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用場景。