谈轨道式农业大棚环境监测机器人设计

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摘要：为实现实时监控及检测农业大棚内部的环境状态，课题组设计了一款包含环境参数检测单元、实时监控单元、驱动控制单元和线上APP操控单元的新型机器人，并使用Arduino2560PLC工控板作为其控制枢纽。同时，为该机器人开发了相应的APP用来更直观地查看相关数据，包括温湿度、CO2、监控视频等。并针对该课题搭建实验环境，分别进行了多次数据检测传输、运行轨迹控制、实时监控等实验，验证其稳定性和安全性，最终实现了机器人全天候自动巡检及实时监控的功能。

关键词：机器人；实时监控；自动巡检；APP

0引言

我国作为农业大国有着数量丰富的农业种植大棚。众所周知，农作物产量和质量会受到温度、光强、CO2浓度、土壤湿度、虫害等环境因素的影响[1-3]。传统的农业大棚依靠人工现场采集数据，而且农业大棚一般地处偏僻、分布广阔，用户一般先要分析环境参数，再到现场进行手动调节控制，劳动生产效率低，从而影响到大棚作物的产量和质量[4]。现代农业是通过各种传感器采集农业种植重要参数，并对这些参数进行处理而作出相应的环境调整，数据还可上传至互联网，便于用户实时查看和分析农业种植的各类参数，以助于植物生长习性的研究[5]。因此，基于物联网的农业大棚监测系统可远程精确地采集参数信息，有效地提高劳动生产效率和实现科学种植，引领现代农业发展[6-7]。

1整体方案设计

图1为该机器人的最终外形设计，分为上中下三个部分，上壳体里面为机器人的驱动机械结构，中间用来放置各个元器件，下方是全方位监控摄像头和伸缩结构，整体采用铆钉固定，从外边观察不留有一个螺丝，简单美观实用。该轨道机器人整体尺寸较小，高度为500mm、宽度为462mm、厚度为200mm，总重量为15kg。其他配件分别为驱动器、电机、主控器、行程开关、自动充电结构、伸缩结构等。

2各部分设计

2.1控制系统

2.1.1机械运动控制

该机械的运动控制主要分为两种，一种是机器整体运动路线的往返控制。在机器人运动到轨道的终点时行程开关会接触到碰撞点，此时碰撞开关会给主控器一个信号，然后主控器会给电机驱动器一个反向的命令让电机反转，使机器人实现往返运动。第二种是定点运动，其原理是利用红外传感器检测在云轨上布置好的黑色带，当红外传感器感应到云轨上黑色带时，主控器给电机驱动器一个暂停的命令来进行指定作业。

2.1.2数据传输控制

该机器人的数据控制是通过温湿度及CO2传感器对数据进行采集，然后主控板对数据进行处理，再通过ESP8266物联网模块将数据发送到云端服务器，云端服务器再发送到客户手机APP上，数据的更新可以按照预定义程序进行时间上调整[8]。机器人系统图如图2所示。

2.2机械结构

2.2.1动力结构

如图3所示，该机构轮组主要由两个主动轮、两个从动轮及四个导向轮组成，其定位安装在打好定位孔的金属板上。控制系统使电机带动小皮带轮，通过皮带带动主动轮转动，从动轮主要负责重心的平衡。为了防止该机构在轨道上运动时发生轨道偏移，该机械增加了四个导向轮用来保证运动的方向性。该机构连接主要依靠下面四个较长螺栓，可以在金属板与螺栓之间添加垫片，从而调整左右两侧的宽度。导向轮的固定孔是槽型孔，便于调节左右导向轮之间的距离，适应不同宽度的轨道。最下面为连接壳体的结构，为防止重心偏移而导致机器倾斜，整体结构设计对称[9]。

2.2.2轨道

导轨采用铝合金材质，因此其具有硬度高、材质轻盈、不易腐蚀等优点。初设计导轨采用在驱动轮两边分开支撑的方式，通过实验发现该方式不易保持两边导轨的高度一致，而且机器行驶的过程中，导轨会受到导向轮的横向力导致导轨向两侧变形，且不易平衡此横向力[10]。修改轨道形状为T形，该形状安装方便，固定简单。每节长度为2m，轨道连接部分采用多孔固定防止轨道连接处不平齐，连接处上方有挡板，为防止轨道不齐添加第二道固定。

2.2.3外壳体结构

壳体设计整体厚度为1mm，上壳体的定位孔设计在底面内部，四角处均留出边长为8mm、圆角半径为4mm的扇形结构，在上面留有直径为4mm的定位孔，设计简单方便，不会在安装过程中发生与内部结构的干涉。中间的凹槽采用激光切割的方式加工，主要是保证导轨无障碍通过的同时增加一定的安全性，防止杂物进入影响运行，还能提供一定的技术保密。下壳体的上板厚度为3mm，其余厚度均为1mm，整体设计思路为分隔式设计，共分为6个格子，分别放置主控器、传感器、开关、电池以及电机驱动器等[11]，格子之间的挡板上都留有对称的U型槽，槽口上下两侧都留有4mm的孔，U型槽主要作用是方便各个电气元器件之间的排线，小孔用来固定。整个壳体两侧留有安装碰撞开关的孔，壳体上方3mm厚的板留有定位孔和电机线的排线孔。此壳体为半封闭式壳体，只有前面一处留有封盖，壳体里侧周围附有6个卡扣的凹槽与前盖连接。底板处留有摄像头和伸缩结构的定位孔，位于中间对称分布。

2.3自动充电装置

该机器人可根据客户的实际需求按自定义预设方案实现定时定点对环境参数的检测，检测完成后该机器人回到指定地点与充电装置连接实现自动充电。该装置极大地提高了机器人的工作效率，实现了24小时不间断工作。该装置分为外接部分和机身部分，插头处为圆锥形，为插头准确进入插板提供一个误差空间，避免机器因轨道的微小偏移而出现无法充电的情况，后面留有两个小型弹簧，是为给机器人停下过程提供一个缓冲空间，避免减速过程发生碰撞损坏[12]。

2.4伸缩结构

为方便和准确测量农业大棚内数据，课题组为该机器人配备了伸缩机构，该伸缩机构主要由伸缩板、丝杠结构组成。伸缩板提供该机构长度变化的作用，推拉板与电机配合为滚轴丝杠结构，为该机构的拉伸压缩提供动力。该机构的运动原理是在定点作业的基础下，主控板控制电机转动，电机带动丝杠结构，通过滚轴丝杠原理和电机正反转控制，使该机构实现拉伸和压缩[13]。该机构最小可压缩为0.175m，最大可以拉伸为1.8m，在压缩状态下，可以很好地减少空间占有率，安装在壳体上对摄像头的影响极小。该机构有三个传感器分布于拉伸结构的拉伸板上，分别用来测量温度、湿度、CO2等数据，在拉伸的过程中可以解决农业大棚内不同空间高度各项数值存在差异的问题。

2.5驱动元件

42步进电机是一种两相混合式电机，该电机为双绕组电机，绕组分别有两根线，该电机与驱动器相连时需准确判断出每组的两根线，并分别接入相应的位置[14]。DM542型驱动器为该电机的驱动器，该驱动器可以很好地控制电流输出，还有着过压和欠压保护以及短路保护、自动半流等功能，并且相电流的输出控制分为了8个挡位，还可以细分为15个挡位。主控板为Arduino2560编程器PLC工控板，与普通的Arduino开发板相比，它有着更多的I/O引脚，强大的储存空间以及迅速的启动速度，同时解决了很多问题，如接线复杂，直接应用于工业传感器和负载，内部的晶体管输出部分全部隔离，延长使用寿命。在相应的软件上编辑好程序之后可直接通过RS232通信接口导入，接入电源即可执行输入程序动作。

2.6信息采集模块

机器采集温湿度的传感器采用的是DHT11温湿度模块。该模块的标准工作温度是25℃。DHT11温湿度模块有4个接口，悬空管脚NC、5V电源VCC接口、接地管脚GND接口及串行单数据总线DATA接口。该传感器有精度高，价格低的特点。该机器人采用SGP30气体传感器来检测农场中CO2浓度，该传感器是通过I2C进行通信，有4个接口分别是用于I2C通信的SDA数据传输线和SCL时钟信号线，5V的电源VCC接口以及接地的GND管脚[15]。两传感器配合运动机构在自定义点停下进行该区域的温湿度和CO2浓度检测，主控板接收并处理检测数据，然后通过ESP8266物联网模块将处理好的数据发送至云端服务器，最终客户可用手机APP进行查看。

3总结

课题组从一种农业大棚的轨道式机器人的机械结构、工作原理、硬件与软件、数据检测传输等方面入手，初步完成了对该机器人样机的研究设计、组装和可行性分析，完成了轨道式机器人的基础外形设计，关键部位的设计和组装调试。仿真结果证明，该轨道式机器人可实现对作物全天候的自动巡检及实时监控。

作者：杨辉 张岩松 陈富豪 左建文 单位：河南科技学院机电学院