一種新型農作物智能巡檢小車的設計

王丹丹，楊 犇，馮付美，趙建周

（安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000）

0 引言

在現代化農業種植上，農作物產量及品質與種植環境條件密切相關。種植環境可準確地為科學種植提供溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等關鍵技術參數，這些參數的反饋對及時補充植物所需生長素供給，提高集成化種植，實現自動化管理和作物采摘提供有力的技術支持。

在農業種植上管理及技術應用方面，據參考文獻查閱與統計，目前研究較多、應用最為廣泛的是有文獻[1]和文獻[2]所提的物聯網技術和無線傳感器技術，但是此種方案需要對種植區域進行鋪設電路、多個監控設備定點安裝等，需要耗費大量的人力物力，且定期保修和網絡維護起來也不太方便[3]。針對以上存在的問題及弊端，并結合傳感器技術、物聯網技術等，本文設計出了一輛可廣泛用于各種大棚、果園、田間、溫室等多種農作物種植區的導航智能小車，該小車自帶多類傳感器，可大幅降低監控裝置的數量，且有效提高檢測效率；在田間施工方面，無需對種植區域進行改造，從而有效控制成本。

1 智能小車的外觀及性能設計

1.1 方案一

在設計智能小車初期，初步設計方案如圖1所示。此方案為“二驅動一從動”式，即頭部為兩個連接直流無刷減速電機的驅動輪，尾部為一球形萬向輪，底板為厚度是1.5 cm的木板，智能小車尾部設計為塔疊式搭載方式，中部為兩塊12 V蓄電池串連而成[4]。設計完成后，在田間試驗時，因配重過重和機械結構設計不合理等原因，導致驅動緩慢、越野效果不理想。

圖1 方案一設計方案

1.2 方案二

后期對方案一的設計進行了改進，又大膽改進將車頭兩輪采用麥克納姆輪，轉向靈活、迅速，同時也增高了底盤離地高度；采用厚度為5 mm的亞克力板作為底盤，與初期的木板相比，亞克力板輕、柔韌性好、結實；小車殼體部分首先采用3D建模，然后由3D打印制作，其它部分采用硬紙板加工而成，外粘防水迷彩貼紙，增加性能的同時兼具設計美觀度；驅動上采用4S航模鋰電池作為電源，搭載24 V直流加速電機和AQMD驅動板，提供給小車強大的動力支持，以適用于不同地形地勢。如圖2所示。

圖2 后期改進方案

2 智能小車的總體結構設計

總體結構設計如圖3所示[5]：

圖3 總體結構設計

智能小車總體分為三大系統：運動控制系統、數據采集與無線收發系統及圖像傳輸系統。運動控制系統主要由電機驅動模塊，電源調制模塊、藍牙模塊組成。通過運動控制系統接收到手機藍牙傳送的信號后，智能小車會做出相應指令的動作反應。信息采集系統與無線收發系統由GPS模塊、溫濕度傳感器模塊、WiFi模塊、顯示模塊組成，其中主控制器發出命令后，GPS進行搜星工作，溫濕度模塊對農作物生長環境的參數進行檢測，采集到的信息可反饋顯示在智能小車搭載的LCD屏上，并通過WiFi模塊可將溫濕度信息傳送至手機APP，同時通過服務器在手機或網頁也可以顯示小車的定位信息及行駛軌跡。圖像傳輸系統主要由TS832模塊、攝像頭模塊、雪花屏、內存卡構成，攝像頭采集到的農作物圖像通過TS832發送傳輸至手持端雪花屏，并實時儲存在內存卡中。

2.1 運動控制系統

本設計采用兩個24V直流減速電機作為智能小車的動力支持，電機減速比為4.25，減速機長度為41.5 mm，每分鐘額定調速范圍105～830 rpm，額定輸出功率35 W。如圖4和圖5所示。霍爾傳感器對無刷直流電機進行精確控制，將處理過的霍爾傳感器信號反饋給無刷直流電機驅動器，形成了速度、位置雙閉環控制，保證電機可實現急停、多級變速等操作。

圖4 無刷直流電機安裝示意圖

圖5 智能小車的動力系統示意圖

直流無刷電機的正轉、反轉、急停、加速等運動動作采用的是PWM電機調速的方法進行控制。HC-05藍牙模塊連接MCU上的串口，當電機驅動器接受到MCU發出的信號后，電機將會產生相應動作。手機藍牙串口助手向藍牙模塊發出的指令主要有以下兩種：

2.1.1 圖傳避障，鍵盤操控

通過圖傳設備可實時直觀地反映小車行駛前方路況，操作者能連續操作藍牙手機鍵盤，發出左右轉向、急停、加速等動作指令，進行規避路障和行駛驅動。

2.1.2 路徑預設，自主運行

通過藍牙鍵盤可提前預設小車的多種路線方案，每個方案將智能小車行駛的方向、速率、延時時間、轉彎等一系列連續指令封裝到每個對應按鍵下，從而每次做重復檢測時，只需操作對應按鍵即可。

2.2 數據采集與無線收發系統

2.2.1 數據采集

智能小車在田間、大棚、果園等種植區域工作時，采集的數據為農作物生長環境的實時溫度參數、濕度參數，還有實時的經緯度定位信息、UTC時間、有效搜星數等。同時在智能小車工作前端，可設置溫濕度值報警，當有效參數值超過預警值時，小車上蜂鳴器將會持續報警。溫濕度采集信息如圖6所示。

圖6 溫濕度前端及手機端顯示

2.2.2 無線收發

智能小車在前端采集到的數據，通過4G網絡及者WiFi兩部分上傳到服務器，實現動態監測數據顯示及路徑軌跡突出。其中，一類由溫度傳感器及濕度傳感器DHT11采集到的參數數據通過ESP8266-WIFI模塊傳輸至手機端動態顯示；另一類是由GPSNEO-6M模塊采集到的經緯度定位信息、UTC時間等數據，通過SIM800模塊發送至中國移動Onenet服務器[6-7]，如圖7所示。

圖7 網頁端GPS路徑軌跡突出

2.3 圖像傳輸系統

圖像傳輸通訊模塊分為發送和接收兩部分。

發送部分指智能小車采集前端，由TS832發射機、800線高清攝像頭、4S鋰電池及降壓模塊組成。因為單片機在采集信息及數據處理上已經占用很大資源，故本設計采用獨特的方式—FPV（First Person View）圖傳形式，它與接收機組成獨立系統，大大解放資源，且處理能力更強；接收部分指手持設備端，由一體接收雪花屏和4S鋰電池組成。

3 智能小車的軟件設計和算法

3.1 軟件開發環境

電機驅動程序框圖如圖8所示。

圖8 電機驅動程序框圖

本設計運用的軟件開發環境為MDK-5（又稱keil 5），MDK-5包含了工業標準的keilC編譯器、宏匯編器、調試器、實時內核等組件，且有業內領先的ARM C/C++編譯工具鏈，完美支持Cortex-M、ARM7、ARM9系列器件，及其他品牌芯片，例如ST、Atmel、Freescale、NXP、TI等眾多大公司的微控制芯片。

3.2 智能小車軟件設計流程圖

軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

智能小車的軟件設計采用模塊化思想，由圖9可知，電源模塊供電，圖傳模塊開始工作，連接MCU的模塊按照程序進行初始化；初始化正常跳出判斷指令，開始等待傳感器進行數據收集與處理，藍牙模塊按手機串口助手發出的指令，對AQMD電機驅動器發出信號，從而電機產生相應動作；當藍牙模塊收到的指令執行結束，跳出判斷，程序執行結束。

3.3 電機驅動控制算法

圖10為驅動輪和從動輪分布圖。

圖10 驅動輪、從動輪分布

以下列舉已預設的鍵盤指令來說明控制算法，見表1。（說明：A和B為后驅動輪、C和D為前從動輪；PWM1和PWM2數值模擬電機速率）

表1 鍵盤控制指令說明

4 設計總結

本文設計了一款可用于田間、果園、溫室、大棚等種植區域的農業信息服務智能巡檢小車，結合目前應用最廣泛的物聯網和傳感器技術，智能巡檢小車可檢測農作物生物環境的溫濕度參數，并且通過WiFi-ESP8266模塊能在手機端實時顯示動態數據，小車前端溫濕度參數超過預警值時，小車會持續報警；通過SIM800模塊能將智能小車的定位信息和行駛軌跡在手機或網頁上實時顯示；由圖傳模塊可實現農作物的生長狀況進行遠程監控。

經過在不同種植區域的多次實驗，實驗結果表明本文的創新設計可廣泛適用于不同地形的田間、果園、大棚、溫室等，各個傳感器均能有效采集數據，進行反饋，互不干擾實現預期設計結果。本款新型農作物智能巡檢小車的設計可很大程度的解放人力物力，具有一定的推廣價值和實用價值。