地空兩用農業信息采集機器人研究—基于STM32微控制器

李金熱,楊新春,王曉勇

(南京工業職業技術學院,南京 210023)

0 引言

信息智能技術快速發展,在農業生產中應用的機械設備的自動化程度也越來越高,自動化水平越高,采集農業信息就需要更精細,便出現了精細農業。目前,在農業信息采集的技術上的研究有很多,如日本研究的農業信息采集六足機器人,美國研發的安裝GPS的聯動懸架結構的農業信息采集機器人,這類機器人因有聯動懸架結構可以在復雜的結構中運行。我國研究的可遠程操作的機器人在大規模農業生產的農業信息采集中非常實用,四驅聯動可調節的采集平臺應用于農業作業環境中的復雜地形[1-8]。目前,大多數農業信息采集機器人都是陸地使用的,種類比較單一,對于復雜多變的農業作業環境,采集的農業的信息不全面。信息采集作為圖像處理的前期工作,是圖像處理的重要環節,使用不同的采集方法[9-17]獲得的圖像也會因處理方式不同,圖像的質量不同,效果不同。或多或少都會有一些缺陷,如基于FPGA的圖像采集機器人,采集速度快、采集圖像的質量也好,但采集系統成本高。應用到農業信息采集機器人上成本高,種植戶增加了成本、減少收益。

基于STM32微控制器研發的地空兩用的農業信息采集機器人既可從地面采集,也可以從空中采集,且可利用信息采集機器人上安裝的各類信息傳感器采集農田的基本地形地面及環境信息,也可采集到農作物的生長信息。本文研究的信息采集機器人采用STM32微控制器為核心,使用攝像頭及各類傳感器,再加上地面和空中運行設備,可以較好完成農業信息采集工作。進行機器人在地面的信息采集,且對于空中信息采集時的導航需要、飛行狀態控制及切換和傳感器數據采集輸送等要求也可以完成。

1 結構設計

1.1 地面行走機構

路面行走機構主要由懸架機構、機構平臺和驅動設備組成,為滿足減震需要,懸架機構采用獨立式,以減輕地面行走時產生的震動。機器人驅動分開設置,保證機器人的靈活性;驅動電機安裝散熱片,采用at9控制器遠程控制機器人的行駛。地面行走機構主要解決的是機器人在田間的避障問題和越野問題, STM32微控制器為在地面行走機構避障行為提供了良好的自主避障能力,獨立式的懸架機構強化了信息采集機器人在地形復雜田間的行走能力,安裝的各類傳感器為機器人的行走、信息采集提供基礎。

1.2 空中飛行機構

飛行機構主要由飛行機構和與地面行走機構連接的連接器組成。飛行器的材料采用輕型的碳素材料,減輕飛行搭載質量。飛行機構搭載控制中心和采集系統飛到空中,在空中進行農業信息的采集工作。飛行機構在進行地面信息采集時可以拆卸下來,由四旋翼、電機和中控中心組成,如圖1所示。其中,四旋翼可以實現農業信息采集機器人在空中全方位的信息采集,自由調節高度方位,實現對農田情況的實時控制。

圖1 控制飛行機構圖

2 飛控系統

2.1 主控芯片

采用STM32微控制器作為主控芯片,其采集的圖像信息質量較好及綜合性能好,效率高。

2.2 攝像頭

采用的攝像頭是OV2640傳感器,這種傳感器的體積小、質量輕、能耗小,采集的圖像可為控制芯片提供需要的信息,且可通過調節控制輸出各種分辨率的圖像數據。該攝像頭自帶壓縮功能,可將原始采集的圖像數據壓縮為JPEG格式,并將壓縮圖像數據直接輸出,操作性強。

STM32有攝像頭接口可以同步并行接收8位和10位等攝像頭發射的數據流,支持壓縮圖像數據格式JPEG等。

2.3 傳感器

為滿足信息采集的基本需要,機器人應搭配溫濕度傳感器、PM2.5傳感器和光照強度傳感器,并利用各類傳感器采集的圖像數據輸送信息采集處理終端,將數據信息處理后為農業生產提供科學依據,也實現實時監測農業生產信息的功能。信息采集系統結構如圖2所示。

2.4 其他設備

STM32微控制器自帶SRAM,但內存比較小,因需要處理大量圖像數據信息,需要加裝一塊可以與STM32直接連接的內存芯片。

在圖像數據處理過后需要一段時間的存儲,故需要一個比較大容量的存儲設備。STM32微控制器有標準的SD卡接口和自帶驅動,因此采用SD卡作為外部存儲設備。

顯示設備采用液晶顯示器,直接在液晶顯示器上顯示圖像信息。

圖2 信息采集系統結構

3 采集信息系統軟件設計

3.1 文件管理系統

采用SD卡為外部存儲設備,需要建立文件夾管理模式,文件管理系統以標準的C語言編輯,采用的FATFS模式的文件管理系統,直接將FATFS直接植入。

3.2 數據處理

STM32微控制器中的OV2640攝像頭采集的數據信息是被壓縮的JPEG的格式,直接以JPEG格式數據輸出時,編程系統會忽略一些是0的數據,其他數據會被存儲在SD卡中。

3.3 數據流向

圖像信息采集的關鍵是數據的流向,在需要處理大量數據時,數據的輸送容易造成數據的丟失。因此,需在數據處理中設置數據的緩存,并判斷數據的存儲格式。

對于JPEG格式的圖像數據的輸送需要利用STM32的外設DMA控制器。其可以快速輸送數據,減輕數據處理器的負擔,提高數據處理的效率。

3.4 邏輯設計

邏輯順序:開機檢測數據庫,檢測外部設備和文件管理系統,創建新的文件夾,初始化OV2640,觀察液晶顯示器上的圖像信息,保存圖像信息。

4 信息采集測試

基于STM32微控制器地空兩用農業信息采集機器人在溫室大棚環境中進行測試,通過對比其他儀器檢測的檢測結果可知:本研究實現了溫濕度、光照強度、PM2.5的實時監控,為后期農業生產提供了可靠數據,也為農業生產物聯網的建立提供基礎數據。

5 結論

基于STM32微控制器的地空兩用農業信息采集機器人的設計實現了農業信息數據的實時采集監測,并通過地空兩用功能實現了地面和空中全方位的信息采集。STM32微控制器在農業信息采集機器人上的應用,成本低廉、能耗小、效率高,適合農業信息的長時間采集。該系統操作簡單,對操作者要求不高。根據農業信息采集機器人采集的數據信息,種植者可以調整種植模式,提高種植效果,為精細農業生產提供更多的生產方案。