基于TRIZ的溫室大棚機器人監測系統設計

黃曼綺，王 旭

（電子科技大學成都學院計算機學院，成都 611731）

0 引 言

隨著計算機技術、無線傳感技術、現代通信技術的高速發展。現代設施農業領域的技術應用日趨完善，為溫室大棚內部的農作物提供了優質的生長環境，促進了農作物產量和品質的提升［1-3］。因此，研究溫室大棚現代設施農業技術具有良好的經濟價值。

目前國內的農業技術現狀來看，主要存在兩種方式：①現代設施農業設施技術的開發與應用；②傳統的農業耕作方式。對于現代設施農業而言，其核心技術之一是溫室大棚無線傳感監測系統［4-6］。近年來，國內眾多高校以及研究機構對現代智慧農業技術開展了大量的研究。趙繼春等［7］為解決傳統設施農業內部復雜的線路布局問題，以ZigBee 無線通信技術為基礎，STM32 為主控系統，并采用MC35i GPRS無線通信模塊，開發了溫室大棚無線傳感系統，實現了設施農業數據的云端采集和系統的低丟包率效果；李明等［8］選擇S3C2440 為主控制芯片，利用Mini2440 開發板，實現了溫室大棚內部數據的接收和分析功能，該系統除傳統的溫濕度、光照度、二氧化碳等參數監測外，還考慮到了對惡劣氣候下，溫室大棚的幕布破損情況進行監測；畢然等［9］以面向形象設計法為基本原理，構建了溫室大棚的模糊控制數學模型以及溫度控制模型，提升了控制系統的效率，并確保了系統的高精度控制和高穩定性。從上述現代設施農業的監測系統研究情況來看，高精度參數監測、高效控制以及智能化的趨勢日趨完善。但設備采用的元器件較多，系統成本較高，而對于傳統的人工耕作模式而言，雖然其比例逐漸減少，但是仍有約40%的種植方式采用傳統人工作業形式［10］。該模式存在成本低的優點，但人工種植方式也存在天氣因素影響大、周期長、農作物產量和品質無法穩定輸出的問題。所以，改進現代農業技術的同時也造成了成本過高的問題，而節約成本的模式，又造成農作物的產量和品質下降的問題，故這兩種模式構成了一對技術矛盾。

鑒于以上問題，本文采用基于解決技術矛盾的萃智發明原理（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ），采取合理的技術方案，開發一種溫室大棚監測系統，在為農作物提供最優生長環境的同時，解決成本較高的問題，并以10 d 為周期的環境參數測試驗證系統對溫室大棚內部環境的監測精度。也為后續進一步的性能測試和優化改進提供數據支撐。

1 溫室大棚環境監測系統優化方案的提出

1.1 TRIZ發明原理概述

TRIZ 是一種以技術矛盾解決方案的統計學為基礎，對系統設計中存在的矛盾進行解決，并最終獲得解決矛盾的最佳方案，即矛盾解決理論［11］。對于溫室大棚的監測系統設計而言，當實現某些參數的優化或系統的改善時，必定造成系統其他方面的惡化。因此，上述改進因素以及惡化因素便組成了對應的技術矛盾。應用TRIZ就是為了解決該矛盾的對立面，求得系統的最優解。TRIZ的操作流程如圖1 所示。

圖1 TRIZ操作流程

1.2 技術矛盾矩陣的構建

對于溫室大棚內部農作物種植而言，若要精確監測和調控農作物的生長環境，則最終的結果是農作物的產量和品質得到了較大的提升，即實現了結果的優化（改進參數）。但是，為了實現這一目標，系統需要較多的無線傳感器來采集數據，同時需要搭建用于龐大數據傳輸的網絡通信平臺，其結果是提升了經濟成本，卻造成了經濟效益的降低（惡化參數）、同時增加了系統的復雜程度以及維護的難度。因此，無線傳感系統的搭建和成本的提升、系統復雜性的提升、設備維護難度的增加，構成了技術矛盾。同理，如果選擇人工種植的方式，從種植經濟成本的角度來看，無疑是成本最低的。但其結果，則是農作物的產量和品質下降。所以，成本的優化和農作物的質量下降，又構成了一組技術矛盾。

在TRIZ中，為了實現不同領域技術矛盾標準化的目標，方便實現普適性的解決方案，該原理確定了39 個通用工程參數［12］。監測系統優化設計的第一步，便是在這39 個通用工程參數內，選取合適的工程參數與引起技術矛盾的要素進行對應，即將監測系統的具體矛盾要素轉換為通用工程參數。對于溫室大棚種植方案而言，根據上述分析可知，搭建無線傳感系統，優化的性能轉換成通用工程參數為系統的生產率和自動化程度。而惡化的性能轉換為系統的復雜性、物質的量以及系統的可維修性等通用工程參數。具體的參數變換情況，如表1 所列。

表1 通用工程參數轉換

將表1 所示的通用工程參數，構建對應的技術矛盾矩陣，如表2 所示。其中，表中的數字為TRIZ 發明原理所推薦的設計方案。

表2 技術矛盾

1.3 系統設計方案的確定

由表2 可見，每一種矛盾都有多種解決措施。因此，需要結合系統的實際情況對各發明原理進行分析和采納。其中，表2 中所示的發明原理，按照解決該矛盾的概率大小進行先后順序編排。在具體的方案選擇中，由于表提出的方案較多，限于篇幅，本文僅選取生產率、自動化程度以及系統的復雜性之間的技術矛盾解決方案進行分析說明。

為解決生產率和系統復雜性之間的矛盾，TRIZ提出了12（等勢原理）、17（空間維數變化）、28（機械系統替代）以及24（借助中介物）這4 種解決方案。結合溫室大棚的特點，分別對應的解決方案如表3 所示。

表3 生產率與系統復雜性技術矛盾解決方案

同理，再分析自動化程度和系統復雜性這對技術矛盾的解決措施。考慮到表2 所示的推薦方案10（預先作用原理）與本系統的特點不匹配，無法根據該原理提出監測系統的預作用設計方案，故最后確定技術矛盾的改進參數方案為：15（動態特性）、24（借助中介物）。再綜合矩陣中其他技術矛盾的解決方案推薦，生產率與系統復雜性的具體方案情況為：在溫室大棚里面設計一個移動機器人（24 借助中介物），對大棚環境參數進行動態監測（15 動態特性），為了實現參數監測的均勻性（12 等勢原理），在溫室大棚中按照規劃的路勁設置滑軌（28 機械系統替代），引導機器人沿滑軌運行并在指定點完成數據采集。該移動機器人監測系統的方案，替代了原系統多點布置無線傳感器的系統設計思路。機器人僅需要攜帶少量傳感器便能夠進行數據采集，大大降低了成本，解決了生產率、自動化成都和物質的量的矛盾；同時，機器人運行路徑設計滑軌，進一步降低了系統的復雜性和可維修性，解決了自動化程度和系統復雜性、可維修性之間的技術矛盾，達到了預期的效果。

2 系統的設計

2.1 系統的布局

根據TRIZ發明原理得到了溫室大棚移動機器人設計方案，實現該系統的設計。按照該方案，需要在溫室大棚內部設置一個均勻的軌道，引導機器人運行，構建系統的三維模型，如圖2 所示。

圖2 移動機器人運行和軌道三維模型

從系統的基本功能來看，主要是實現溫室大棚內部的環境參數監測及調控。故系統的基本模塊包括主控制器模塊、各環境參數檢測模塊以及移動機器人模塊等，系統模塊的整體布局如圖3 所示。

圖3 系統整體布局

2.2 硬件設計

溫室大棚移動機器人監控系統的硬件設計，主要包括機器人的基本結構、溫室大棚內部移動的驅動模塊以及輔助循跡的紅外模塊等。機器人的三維實體模型如圖4 所示。在驅動模塊的設計中，考慮到移動速度的準確控制和無級調速，控制電動機的類型確定為直流電動機。驅動模塊選擇為L298N［13］。移動機器人以STM32 為主控制器［14］，其系統電路如圖5 所示。

圖5 主控系統電路

2.3 軟件設計

為使機器人沿著設定軌跡運動，本文進行了軟件設計：采用黑色軌道，應用紅外傳感器可識別路徑并驅動機器人移動；在某些特殊情況下，也可使用智能手機來操作設備。系統軟件的主要程序流程如圖6 所示，圖中x，y為移動機器人的位置坐標，x0和y0分別為移動機器人在x和y方向的初始坐標，y0＝110。

圖6 系統軟件運行流程

3 系統性能測試

較之于傳統的無線傳感系統靜態測試，溫室大棚移動機器人監測系統的測試效果，也是驗證TRIZ 發明原理推薦的技術矛盾解決方案是否合理的關鍵。其核心問題歸納為：與多點布置的無線傳感系統相比，移動機器人的測試數據是否準確；二者的精度偏差是否穩定［15］。由此，本文對系統的性能進行了測試。設立的步驟為：①建立一個3D打印的模擬溫室大棚模型；②以10 d為周期，分別進行靜態和動態的環境參數數據采集；③比較二者之間的偏差，驗證測試精度。限于篇幅，本文僅以光照度為例，測試的具體結果如圖7所示。

圖7 光照度測試數據對比

由圖的測試數據比較可知：

（1）與傳統的無線傳感器靜態測試結果對比。移動機器人測試系統的測試結果與靜態測試結果存在一定的偏差。整體而言，移動機器人測試的動態數據要明顯高于無線傳感器靜態測試的結果。

（2）從偏差狀況比較。二者的偏差值基本穩定。因此，在采用移動機器人進行溫室大棚環境監測系統的數據采集時，需要對測試的數據進行修正。以光照度為例，修正值設定為－60 lx 較為合理。如此一來，最終獲得的測試結果就可以確保在一個比較高的精度范圍內，基本能夠滿足系統的使用。

綜上所述，本文根據TRIZ 的推薦方案設計而成的溫室大棚移動機器人監測系統，測試精度基本能夠滿足要求，性能良好。且該設計方案在提升生產率和自動化程度的基礎上，可以有效解決傳統無線傳感系統成本高、系統復雜以及維護困難等問題，即比較良好地解決了該技術矛盾，達到了預期目標，該設計方案也獲得2 項［16-17］發明專利授權。

4 結 語

本文主要采用TRIZ對溫室大棚機器人監測系統進行優化設計，并開展了以10 d 為周期的環境參數測試試驗研究。通過對試驗數據的分析結果表明，移動機器人測試結果均高于靜態測試值；每天的測試值偏差基本保持在60 lx左右的范圍。因此，可以通過修正機器人動態采集的數據，來提升溫室大棚環境監測數據的精度；并利用TRIZ的推薦方案，能夠有效解決溫室大棚監測系統設計中的技術矛盾，設計方案達到了預期的目標，解決了因優化溫室大棚監測系統而導致的高成本、系統復雜以及維修困難等問題，為后續相關系統的優化設計提供了參考依據。