智能農業機器人系統設計方案

紀慧鑫 楊毅 付靜 張翔 王鵬

摘? 要：我國是一個傳統的農業大國，千百年的手工農作已經讓農民疲憊不堪，伴隨著工業革命和智能革命的興起，進入21世紀以來，我國農業機械化、自動化的程度得到大幅度提升，農業機器人得到了發展空間，農業機器人相繼研發出來，并更加智能化，文章設計了一種以ARM9為主控芯片處理器的智能農業機器人自動灌溉系統，有效提高了農業的工作效率。

關鍵詞：農業機器人;自動噴灌;ARM9;智能;控制

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0039-03

進入21世紀以來，電子技術和自動控制技術發展突飛猛進，在農業方面有著突出的影響，農業機器人的出現解決了一些復雜而繁瑣的農事，現在農業機器人漸漸的進入農業生產方面，我國農業生產規模進一步擴大，并向著智能化、機械化的方向發展。農業機器人的研究也在不斷的進步，并涉及多方面領域，如果蔬采摘、農藥施肥、自動噴灌等。農業機器人的運用改善了我國農業生產狀況，降低了人工勞動強度，也提高了農業效率。

1 自動噴灌機器人設計

本文設計了一個以ARM9為處理器的自動灌溉機器人，用三輪差分轉動的方式來控制機器人移動，利用線性頻率輸出型號的HF3223溫濕度傳感器來檢測實時濕度狀況并采集數據，并將采集數據傳回機器人的“大腦”，從而確定大棚田間農作物是否需要噴灌作業。若大棚中的溫濕度低于設計初值，則控制系統將啟動控制水泵實現自動噴灌。

2 整體系統設計

農業機器人整體設計包含硬件部分和軟件部分。硬件部分按照不同的模塊分為如圖1所示幾個部分，自動噴灌機器人利用HF3223溫濕度傳感器來檢測溫度和濕度，并通過傳感器進行數據傳輸，ARM處理系統對采集數據進行處理、分析，并采取相應的措施。圖1為總體設計原理框圖。

3 硬件系統設計

3.1 控制系統模塊

自動噴灌機器人控制系統模塊相當于人的“大腦”，溫濕度傳感器檢測室內大棚田間的溫濕度數據都要經傳感器傳送到控制模塊中，地面灰度傳感器記錄機器人在室內大棚的位置，然后再傳送給控制模塊，實現對自動噴灌機器人的運動控制。控制模塊是以ARM9為核心的S3C2440A芯片開發板，其特點是低功耗，高性能的微控制器。主頻設置為500MHz，開發板使用兩片外接的16MbytesSDRAM芯片，接在一起形成16bit的總線。通過與各種傳感器模塊進行數據傳輸，保證在農田中正常作業。其控制方式如圖2所示。

圖2 農業機器人控制模塊原理框圖

3.2 電源模塊

自動噴灌機器人中電源模塊決定著其工作時間，提供穩定的電源，將會降低工作時各控制器的出錯率，穩定工作特性。經過參考多種電機電源決定采用特殊結構設計的容量為8000MAH高倍率鋰聚合物鋰電池，可快速充放電，輸出功率大，壽命長。輸出工作電壓在12V左右，保證控制系統運行正常。因為S3C2440A開發板所需要的輸入電壓是7-12V寬壓，而電機正常工作時需要的輸入電壓為12V，所以用兩個4000MAH的電源串聯在一起，即可保證控制器模塊和系統的正常運行。兩邊的電機驅動器與電池盒接口并聯在一起，固定在車體的兩邊。

3.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括溫濕度傳感器和灰度傳感器，采用的是具有線性頻率輸出型號的HF3223溫濕度傳感器，其特點具有響應速度快、功耗超低、可與ARM9直接相連，工作時其性能有極高的穩定性;灰度傳感器采用的型號是DFR0022，是一種模擬傳感器，可以作為其機器人運行過程中溫室大棚及田間地面灰度判斷，其工作原理是內部含有一只發光二極管和一只光敏電阻，安裝在同一面上。利用不同顏色的檢測面對光的反射程度不同，光敏電阻對不同檢測面返回的光時阻值不相同的原理來進行顏色深淺檢測，保證機器人的正常運行。圖3所示為灰度傳感器模型。

傳感器的主要作用是探測農作物四周的位置信息，并及時將獲取的信息傳達給“大腦”，保證機器人行駛在規定的道路上，避免撞到障礙物，影響其壽命。

3.4 電源電機驅動模塊

電源電機驅動模塊在機器人的機械結構中占據關鍵位置，它的布局不僅影響到機器人的體積，而且還對其正常作業的效率和靈活具有很大的影響。電機驅動模塊包含步進電機和電機驅動器。用步進電機作為動力源，步進電機采用兩個CQ2HB34MB型號的兩相步進電機，分別控制左右兩個主動輪，其工作電壓在12V。其特點是不受電壓、電流、溫度、濕度等干擾因素的影響，具有很高的準確性和可靠性。控制機器人噴灌農作物時有明顯的控制力，轉向、噴灌等功能都在設定的控制時間范圍類，工作時其轉速和方向可以通過程序控制來實現，轉速可以隨著頻率的變化而變化，頻率增加，轉速增加，頻率減小，脈沖減小。電機驅動器包括兩個L298N芯片，用來控制兩個步進電機。L298N是一款集成式單片電路，是一個高電壓、大電流的雙橋驅動器，驅動器的模塊供電部分可接3.5V電壓，驅動峰值電流可達4A。圖4所示為L298N芯片控制步進電機電路圖。

4 軟件系統設計

4.1 行走路徑系統軟件設計

農業機器人通過軟件設計來實現機器人在作業中如何正確行駛，其運動方式主要為勻速行駛和轉向運動，勻速行駛一般通過溫濕度傳感器檢測是否需要進行作業，啟動后在預設軌道上經過加速行駛后達到規定的速度從而進行勻速行駛，作業完成后需轉向繼續作業則需要減速運動，圖5所示為路徑系統規劃軟件流程圖。

4.2 避障系統軟件設計

農業機器人避免障礙系統主要由地面灰度傳感器感知地面信息，傳達給ARM控制系統，保證機器人正常。圖6所示為避障系統流程原理框圖。

5 結束語

本文介紹了農業自動噴灌智能機器人系統的整體概述，并介紹了硬件設計方案及軟件設計方案，硬件通過ARM控制系統控制驅動模塊驅動機器人進行噴灌作業，保證了農作物的正常生長，而軟件方案是規劃機器人行走路徑及避免障礙物，保證了機器人在作業過程當中的正常進行，避免損壞機器人壽命。現在科學技術在不斷提高，農業機器人正在不斷的開發，以適應更加艱難的復雜環境。農業機器人在我國農業生產中會越來越發揮出更大的作用。

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