一種智能云種植機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：以打造家庭式全自動(dòng)小型農(nóng)場(chǎng)為理念，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款集自動(dòng)播種、澆水、施肥、環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制等功能于一體的智能云種植機(jī)器人。基于笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)且融合DIY理念，具有良好的空間延伸性且易于組裝。播種機(jī)構(gòu)可以適應(yīng)多粒度種子的精密播撒，具有較為廣泛的使用范圍。融入云物聯(lián)技術(shù)開(kāi)發(fā)了云種植管理平臺(tái)，用戶可以通過(guò)電腦、手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)種植環(huán)境溫濕度、光照、CO2濃度等現(xiàn)場(chǎng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、補(bǔ)光、通風(fēng)等環(huán)境控制、視頻監(jiān)控，以及對(duì)植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的記錄、分析和管理等功能；還可以通過(guò)專家?guī)熘笇?dǎo)種植過(guò)程，為植物選取最佳的養(yǎng)護(hù)方案。該機(jī)器人適用于家庭種植、科普實(shí)踐及種植實(shí)驗(yàn)，具有良好的實(shí)用性和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：智能化；種植機(jī)器人；笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)；云種植管理平臺(tái)

　　隨著人們生活品質(zhì)的日益提高，越來(lái)越多的人選擇在自家的陽(yáng)臺(tái)、庭院中種植花草或瓜果蔬菜，但是由于平時(shí)工作繁忙或者經(jīng)常出差，常常疏于對(duì)植物的照顧。因此，國(guó)內(nèi)外便出現(xiàn)了像智能花盆、智能養(yǎng)花助手這樣的種植利器[1]。例如瑞士的KoubachiWiFiPlantSensor（圖1），外形與高爾夫球桿的球頭相似，只要將“桿身”插入花盆的土中，傳感器就能自動(dòng)檢測(cè)和監(jiān)控土壤中的空氣、濕度、養(yǎng)分等指標(biāo)，然后通過(guò)WiFi信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞褂谜叩氖謾C(jī)上。法國(guó)的ParrotFlowerPower（圖2），該設(shè)備裝有4個(gè)傳感器，可以根據(jù)土壤電導(dǎo)率、植物暴曬時(shí)間、土壤溫度、土壤中的介電常數(shù)等指標(biāo)分別對(duì)土壤肥力水平、光照條件、環(huán)境溫度、土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并能每隔15min向移動(dòng)設(shè)備APP傳送一次數(shù)據(jù)。配套APP會(huì)基于一個(gè)包含6000多種植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，能為植物選取最佳的養(yǎng)護(hù)方案，并提醒以及告知用戶該如何照料植物，是否需要施肥或者澆水等。美國(guó)的SmartHerbGarden（圖3）每天會(huì)自動(dòng)將適量的水導(dǎo)入泥土中，并利用頂部的LED燈為植物提供適當(dāng)?shù)墓庹?，保證植物茁壯成長(zhǎng)。此外，該設(shè)備還使用了含有納米技術(shù)的載體土壤，能夠使氧氣、水分、養(yǎng)分更加均衡地供給植物。除了底盤上的塑料浮標(biāo)可以顯示出水箱水量外，在水量不足時(shí)，智能燈座會(huì)不斷閃爍來(lái)提醒加水。在國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了類似的智能養(yǎng)花裝置，如花卉培養(yǎng)器和用于提供營(yíng)養(yǎng)液的澆灌器，它們內(nèi)含智能控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)所養(yǎng)植物的遠(yuǎn)程澆灌，在增加生活樂(lè)趣的同時(shí)，為人們的種植活動(dòng)提供方便，解除種植煩惱，提高植物的成活率。

　　1種植機(jī)器人機(jī)械本體方案設(shè)計(jì)

　　種植機(jī)器人的機(jī)械本體基本框架如圖4所示，它是一個(gè)基于笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)建立的X/Y/Z三軸導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，主要包括底座、立柱、橫梁和移動(dòng)滑軌，均采用同步帶式直線導(dǎo)軌滑臺(tái)結(jié)構(gòu)。兩個(gè)立柱通過(guò)底座上左右兩邊的滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)Y方向的直線運(yùn)動(dòng)；橫梁在兩個(gè)立柱上的高低位置可調(diào)，調(diào)好后通過(guò)螺栓固定；移動(dòng)滑軌通過(guò)十字滑塊與橫梁相連接，可以實(shí)現(xiàn)X和Z軸方向的直線運(yùn)動(dòng)，X/Y/Z3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)可以確保種植機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到種植區(qū)域的每個(gè)位置進(jìn)行作業(yè)。種植面積由底座導(dǎo)軌和橫梁的結(jié)構(gòu)尺寸決定，直線導(dǎo)軌為標(biāo)準(zhǔn)件，擁有多種規(guī)格和型號(hào)，可以根據(jù)實(shí)際種植空間大小自行定制結(jié)構(gòu)尺寸，具有良好的空間延伸性?；_(tái)和導(dǎo)軌間通過(guò)螺栓固定，易于組裝和拆卸，充分體現(xiàn)了DIY理念。

　　2種植機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　種植機(jī)器人的控制核心選用ArduinoMega2560微處理器。如圖6所示，微處理器上搭載有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，用于驅(qū)動(dòng)X/Y/Z軸3個(gè)方向上步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)板用于驅(qū)動(dòng)吸種電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；圖像采集裝置和相應(yīng)的圖像傳輸通訊模塊，用于采集種植現(xiàn)場(chǎng)的視頻畫面并回傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)種植現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；USR-GM3嵌入式無(wú)線透?jìng)髂K，通過(guò)HTTPDClient模式將數(shù)據(jù)直接傳向HTTP服務(wù)器端，并交由Web服務(wù)器Tomcat打包處理，再由頁(yè)面腳本程序轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器存儲(chǔ)；光照度、環(huán)境溫濕度、土壤濕度和CO2模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)。當(dāng)環(huán)境參數(shù)不符合預(yù)先設(shè)定要求時(shí)，能夠自動(dòng)控制LED光照、通風(fēng)、澆灌等系統(tǒng)的開(kāi)啟[4]?？刂葡到y(tǒng)程序流程如圖7所示。

　　3云種植管理平臺(tái)

　　云種植管理平臺(tái)[5]采用當(dāng)前JavaWeb開(kāi)發(fā)最流行的框架spring＋hibernate＋struts為基礎(chǔ)搭建平臺(tái)技術(shù)框架。Web框架內(nèi)的程序在運(yùn)轉(zhuǎn)中，邏輯流可分為接口層、業(yè)務(wù)邏輯層和訪問(wèn)層。接口層擬定了遠(yuǎn)程情形的某一請(qǐng)求，提供技術(shù)說(shuō)明；依照給定的請(qǐng)求，調(diào)用某一函數(shù)；業(yè)務(wù)邏輯層構(gòu)建了必備的規(guī)程，例如數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、下發(fā)控制命令和設(shè)置參數(shù)等操作；訪問(wèn)層銜接了傳遞過(guò)來(lái)的多樣化信息，在不同頁(yè)面之間共享。種植環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、種植分析、生長(zhǎng)過(guò)程回放和種植專家?guī)斓戎饕K均采用圖形化界面，MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)完全按照標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，所有的數(shù)據(jù)命名都是以模塊的縮寫和表的英文組成，這樣能夠統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)表的命名；采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，先進(jìn)行對(duì)象實(shí)體的設(shè)計(jì)，然后將對(duì)象持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用Visio設(shè)計(jì)工具將所有表與表之間關(guān)聯(lián)，這樣將整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。通過(guò)這一智能化云平臺(tái)，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控植物生長(zhǎng)情況，遠(yuǎn)程操縱LED光照、通風(fēng)、澆水和施肥系統(tǒng)，記錄植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析種植環(huán)境參數(shù)等，并且提供種植知識(shí)庫(kù)作為專家?guī)熘笇?dǎo)種植環(huán)境參數(shù)的設(shè)置和方案調(diào)整的依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)的精細(xì)化種植，提高種植的成活率和質(zhì)量，減輕使用者的勞動(dòng)強(qiáng)度。圖8～圖11為云種植平臺(tái)的部分界面。

　　4種植機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)及功能測(cè)試

　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，分別搭建了陽(yáng)臺(tái)式和桌面式兩款種植機(jī)器人。陽(yáng)臺(tái)式種植機(jī)器人樣機(jī)如圖12所示，由于樣機(jī)整體尺寸不是很大，適用于陽(yáng)臺(tái)一角，而不是用于露臺(tái)的種植，如果做成圖4所示的龍門結(jié)構(gòu)，空間感覺(jué)會(huì)比較局促，因此去掉了立柱，將種植機(jī)構(gòu)即Z軸安裝在了橫梁上，從而使得整體結(jié)構(gòu)尺寸更為輕巧，這也從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)了種植機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)具有較大的靈活性，可以根據(jù)實(shí)際種植空間選擇適合的本體結(jié)構(gòu)。除此之外，將傳感器以及攝像頭都集成在了一個(gè)小型氣象站中，氣象站控制系統(tǒng)與種植機(jī)器人控制系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。圖13為桌面式種植機(jī)器人的樣機(jī)，與陽(yáng)臺(tái)式所不同的是，該種形式的種植機(jī)器人將傳感器以及攝像頭都集成在了箱體當(dāng)中，在后續(xù)的完善過(guò)程中，會(huì)將該箱體外表面進(jìn)行封裝，正面設(shè)置可開(kāi)合的門，使其形成一個(gè)封閉的種植溫室環(huán)境。

　　5結(jié)論

　　通過(guò)機(jī)械本體以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)了陽(yáng)臺(tái)式和桌面式兩種智能云種植機(jī)器人的樣機(jī)制作，并將物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了云種植平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)該機(jī)器人和云種植平臺(tái)這一完整系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)測(cè)試，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。該機(jī)器人基于笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，充分融合了DIY設(shè)計(jì)理念，具有良好的空間延伸性且易于組裝。播種機(jī)構(gòu)可以適應(yīng)多粒度種子的精密播撒，具有較為廣泛的使用范圍。融入云物聯(lián)技術(shù)可以提高家庭種植的科學(xué)性和趣味性。該款機(jī)器人的設(shè)計(jì)適用于家庭種植，科普實(shí)踐及種植實(shí)驗(yàn)，具有良好的實(shí)用性和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

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