一種軌道式農業大棚環境監測機器人設計*

楊 輝，張巖松，陳富豪，左建文

（河南科技學院機電學院，河南 新鄉 453000）

0 引言

我國作為農業大國有著數量豐富的農業種植大棚。眾所周知，農作物產量和質量會受到溫度、光強、CO2濃度、土壤濕度、蟲害等環境因素的影響[1-3]。傳統的農業大棚依靠人工現場采集數據，而且農業大棚一般地處偏僻、分布廣闊，用戶一般先要分析環境參數，再到現場進行手動調節控制，勞動生產效率低，從而影響到大棚作物的產量和質量[4]。

現代農業是通過各種傳感器采集農業種植重要參數，并對這些參數進行處理而作出相應的環境調整，數據還可上傳至互聯網，便于用戶實時查看和分析農業種植的各類參數，以助于植物生長習性的研究[5]。因此，基于物聯網的農業大棚監測系統可遠程精確地采集參數信息，有效地提高勞動生產效率和實現科學種植，引領現代農業發展[6-7]。

1 整體方案設計

圖1 為該機器人的最終外形設計，分為上中下三個部分，上殼體里面為機器人的驅動機械結構，中間用來放置各個元器件，下方是全方位監控攝像頭和伸縮結構，整體采用鉚釘固定，從外邊觀察不留有一個螺絲，簡單美觀實用。該軌道機器人整體尺寸較小，高度為500 mm、寬度為462 mm、厚度為200 mm，總重量為15 kg。其他配件分別為驅動器、電機、主控器、行程開關、自動充電結構、伸縮結構等。

圖1 整體建模圖

2 各部分設計

2.1 控制系統

2.1.1 機械運動控制

該機械的運動控制主要分為兩種，一種是機器整體運動路線的往返控制。在機器人運動到軌道的終點時行程開關會接觸到碰撞點，此時碰撞開關會給主控器一個信號，然后主控器會給電機驅動器一個反向的命令讓電機反轉，使機器人實現往返運動。第二種是定點運動，其原理是利用紅外傳感器檢測在云軌上布置好的黑色帶，當紅外傳感器感應到云軌上黑色帶時，主控器給電機驅動器一個暫停的命令來進行指定作業。

2.1.2 數據傳輸控制

該機器人的數據控制是通過溫濕度及CO2傳感器對數據進行采集，然后主控板對數據進行處理，再通過ESP8266 物聯網模塊將數據發送到云端服務器，云端服務器再發送到客戶手機APP 上，數據的更新可以按照預定義程序進行時間上調整[8]。機器人系統圖如圖2所示。

圖2 機器人系統圖

2.2 機械結構

2.2.1 動力結構

如圖3 所示，該機構輪組主要由兩個主動輪、兩個從動輪及四個導向輪組成，其定位安裝在打好定位孔的金屬板上?？刂葡到y使電機帶動小皮帶輪，通過皮帶帶動主動輪轉動，從動輪主要負責重心的平衡。為了防止該機構在軌道上運動時發生軌道偏移，該機械增加了四個導向輪用來保證運動的方向性。該機構連接主要依靠下面四個較長螺栓，可以在金屬板與螺栓之間添加墊片，從而調整左右兩側的寬度。導向輪的固定孔是槽型孔，便于調節左右導向輪之間的距離，適應不同寬度的軌道。最下面為連接殼體的結構，為防止重心偏移而導致機器傾斜，整體結構設計對稱[9]。

圖3 動力結構建模圖

2.2.2 軌道

導軌采用鋁合金材質，因此其具有硬度高、材質輕盈、不易腐蝕等優點。初設計導軌采用在驅動輪兩邊分開支撐的方式，通過實驗發現該方式不易保持兩邊導軌的高度一致，而且機器行駛的過程中，導軌會受到導向輪的橫向力導致導軌向兩側變形，且不易平衡此橫向力[10]。修改軌道形狀為T形，該形狀安裝方便，固定簡單。每節長度為2 m，軌道連接部分采用多孔固定防止軌道連接處不平齊，連接處上方有擋板，為防止軌道不齊添加第二道固定。

2.2.3 外殼體結構

殼體設計整體厚度為1 mm，上殼體的定位孔設計在底面內部，四角處均留出邊長為8 mm、圓角半徑為4 mm 的扇形結構，在上面留有直徑為4 mm 的定位孔，設計簡單方便，不會在安裝過程中發生與內部結構的干涉。中間的凹槽采用激光切割的方式加工，主要是保證導軌無障礙通過的同時增加一定的安全性，防止雜物進入影響運行，還能提供一定的技術保密。

下殼體的上板厚度為3 mm，其余厚度均為1 mm，整體設計思路為分隔式設計，共分為6 個格子，分別放置主控器、傳感器、開關、電池以及電機驅動器等[11]，格子之間的擋板上都留有對稱的U 型槽，槽口上下兩側都留有4 mm 的孔，U 型槽主要作用是方便各個電氣元器件之間的排線，小孔用來固定。整個殼體兩側留有安裝碰撞開關的孔，殼體上方3 mm 厚的板留有定位孔和電機線的排線孔。此殼體為半封閉式殼體，只有前面一處留有封蓋，殼體里側周圍附有6 個卡扣的凹槽與前蓋連接。底板處留有攝像頭和伸縮結構的定位孔，位于中間對稱分布。

2.3 自動充電裝置

該機器人可根據客戶的實際需求按自定義預設方案實現定時定點對環境參數的檢測，檢測完成后該機器人回到指定地點與充電裝置連接實現自動充電。該裝置極大地提高了機器人的工作效率，實現了24小時不間斷工作。該裝置分為外接部分和機身部分，插頭處為圓錐形，為插頭準確進入插板提供一個誤差空間，避免機器因軌道的微小偏移而出現無法充電的情況，后面留有兩個小型彈簧，是為給機器人停下過程提供一個緩沖空間，避免減速過程發生碰撞損壞[12]。

2.4 伸縮結構

為方便和準確測量農業大棚內數據，課題組為該機器人配備了伸縮機構，該伸縮機構主要由伸縮板、絲杠結構組成。伸縮板提供該機構長度變化的作用，推拉板與電機配合為滾軸絲杠結構，為該機構的拉伸壓縮提供動力。該機構的運動原理是在定點作業的基礎下，主控板控制電機轉動，電機帶動絲杠結構，通過滾軸絲杠原理和電機正反轉控制，使該機構實現拉伸和壓縮[13]。該機構最小可壓縮為0.175 m，最大可以拉伸為1.8 m，在壓縮狀態下，可以很好地減少空間占有率，安裝在殼體上對攝像頭的影響極小。該機構有三個傳感器分布于拉伸結構的拉伸板上，分別用來測量溫度、濕度、CO2等數據，在拉伸的過程中可以解決農業大棚內不同空間高度各項數值存在差異的問題。

2.5 驅動元件

42 步進電機是一種兩相混合式電機，該電機為雙繞組電機，繞組分別有兩根線，該電機與驅動器相連時需準確判斷出每組的兩根線，并分別接入相應的位置[14]。

DM542 型驅動器為該電機的驅動器，該驅動器可以很好地控制電流輸出，還有著過壓和欠壓保護以及短路保護、自動半流等功能，并且相電流的輸出控制分為了8個擋位，還可以細分為15個擋位。

主控板為Arduino2560 編程器PLC 工控板，與普通的Arduino開發板相比，它有著更多的I/O引腳，強大的儲存空間以及迅速的啟動速度，同時解決了很多問題，如接線復雜，直接應用于工業傳感器和負載，內部的晶體管輸出部分全部隔離，延長使用壽命。在相應的軟件上編輯好程序之后可直接通過RS232 通信接口導入，接入電源即可執行輸入程序動作。

2.6 信息采集模塊

機器采集溫濕度的傳感器采用的是DHT11 溫濕度模塊。該模塊的標準工作溫度是25 ℃。DHT11 溫濕度模塊有4 個接口，懸空管腳NC、5 V 電源VCC 接口、接地管腳GND 接口及串行單數據總線DATA 接口。該傳感器有精度高，價格低的特點。該機器人采用SGP30 氣體傳感器來檢測農場中CO2濃度，該傳感器是通過I2C 進行通信，有4 個接口分別是用于I2C通信的SDA 數據傳輸線和SCL 時鐘信號線，5 V 的電源VCC 接口以及接地的GND 管腳[15]。兩傳感器配合運動機構在自定義點停下進行該區域的溫濕度和CO2濃度檢測，主控板接收并處理檢測數據，然后通過ESP8266 物聯網模塊將處理好的數據發送至云端服務器，最終客戶可用手機APP進行查看。

3 總結

課題組從一種農業大棚的軌道式機器人的機械結構、工作原理、硬件與軟件、數據檢測傳輸等方面入手，初步完成了對該機器人樣機的研究設計、組裝和可行性分析，完成了軌道式機器人的基礎外形設計，關鍵部位的設計和組裝調試。仿真結果證明，該軌道式機器人可實現對作物全天候的自動巡檢及實時監控。