苑立娟 韓秋諾

摘要：新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和技術(shù)促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普遍應(yīng)用，越來(lái)越多的技術(shù)人員開(kāi)始對(duì)智能化、機(jī)械化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作進(jìn)行研究，視覺(jué)識(shí)別、自動(dòng)采摘更是成為重點(diǎn)研究方向。文章設(shè)計(jì)的智農(nóng)惠農(nóng)大棚采摘助手通過(guò)機(jī)械臂配合視覺(jué)識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的采摘，同時(shí)為了使農(nóng)作物在成熟期得到更好的管理，該系統(tǒng)還配有環(huán)境檢測(cè)以及噴藥施肥功能。該系統(tǒng)適用于農(nóng)業(yè)大棚機(jī)械化工作，可以提高工作效率，減少人工投入，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化。

關(guān)鍵詞：智能采摘；環(huán)境檢測(cè)；自動(dòng)施肥

中圖分類(lèi)號(hào)：TN108.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

0 引言

農(nóng)業(yè)是一個(gè)國(guó)家的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人已開(kāi)始逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，這標(biāo)志著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已開(kāi)始向智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展［1］。在整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，農(nóng)作物成熟期的管理以及后續(xù)采摘環(huán)節(jié)至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)中，農(nóng)作物成熟期的管理及采摘工作主要依靠自然條件和人力勞動(dòng)，這已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人們對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求?；诖吮尘?，本文將安卓技術(shù)與下位機(jī)結(jié)合，連接多種傳感器，設(shè)計(jì)了一款大棚采摘助手，它可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測(cè)以確保農(nóng)作物最佳生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)施肥噴藥保證農(nóng)作物更好生長(zhǎng)，最后進(jìn)行智能化采摘。

1 系統(tǒng)原理及方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由安卓上位機(jī)、機(jī)械臂及下位機(jī)組成。下位機(jī)包括多種檢測(cè)控制模塊和無(wú)線通信模塊。其中有環(huán)境溫濕度傳感器、CO2傳感器和光敏傳感器，主要負(fù)責(zé)采集棚內(nèi)的溫度、CO2濃度、光照強(qiáng)度信息。視覺(jué)識(shí)別模塊配合機(jī)械臂完成對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別定位以及采摘工作。通信部分采用ESP8266 WiFi模塊，僅需要通過(guò)串口使用AT指令控制，就能滿足大部分的網(wǎng)絡(luò)功能需求，致力于移動(dòng)終端和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，可將客戶設(shè)備接入WiFi網(wǎng)絡(luò)，與互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)絡(luò)通信，完成連接網(wǎng)絡(luò)的作用。

本系統(tǒng)的工作原理為主控芯片外接各種傳感器模塊采集信息數(shù)據(jù)，利用WiFi遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)到移動(dòng)端。在農(nóng)作物的整個(gè)生長(zhǎng)階段，用戶可以在移動(dòng)端檢測(cè)大棚內(nèi)的環(huán)境信息，也可以控制采摘助手進(jìn)行噴藥施肥操作，以便于使農(nóng)作物得到更好的管理培育。待農(nóng)作物成熟后，控制采摘助手進(jìn)行采摘工作。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)通過(guò)下位機(jī)采集周?chē)h(huán)境信息，WiFi模塊進(jìn)行通信，在安卓App上可以檢測(cè)到數(shù)據(jù)信息以及控制采摘助手進(jìn)行采摘、噴藥施肥。

具體實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）溫濕度傳感器、CO2傳感器、光敏傳感器分別采集大棚內(nèi)的溫度、CO2濃度、光照信息。

（2）視覺(jué)識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別及定位，配合機(jī)械臂完成采摘工作。

（3）WiFi通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，在App手機(jī)上實(shí)現(xiàn)溫度、CO2濃度、光照信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（4）手機(jī)App可以控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使肥料從出口落下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥。

（5）采用無(wú)線遠(yuǎn)程控制技術(shù)，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行自動(dòng)噴灑農(nóng)藥工作。

1.3 系統(tǒng)創(chuàng)新

（1）本系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的農(nóng)作物管理培育方式和采摘方式，實(shí)現(xiàn)了智能化管理、機(jī)械化采摘，提高了采摘效率，減少了人工投入成本，滿足人們對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。

（2）本系統(tǒng)采用無(wú)線遠(yuǎn)程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘助手的遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行自動(dòng)化采摘、施肥噴藥操作。

（3）傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到手機(jī)App，數(shù)據(jù)清晰明了。

（4）操作界面采用圖形化界面，功能強(qiáng)大且容易上手，方便高效。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信息采集設(shè)計(jì)

信息數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方案涉及的模塊主要包括溫度傳感器、光敏傳感器和CO2傳感器。DHT11溫濕度傳感器是一種帶有數(shù)字信號(hào)輸出校準(zhǔn)的溫度傳感器。其溫度誤差在檢測(cè)溫度2℃左右，溫度測(cè)試范圍在-20℃～+60℃。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)溫度信息的采集。本項(xiàng)目使用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)光照強(qiáng)度信息的采集。它的工作原理為利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)，它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近。該傳感器具有靈敏度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。CO2是植物進(jìn)行生長(zhǎng)的必需氣體，而一般大棚中CO2濃度過(guò)低，使用CO2傳感器可以檢測(cè)CO2含量，同時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)App。

2.2 通信傳輸設(shè)計(jì)

通信傳輸設(shè)計(jì)部分選用ESP8266WiFi模塊，它自帶了完備的TCP/IP協(xié)議棧，用戶可根據(jù)該協(xié)議棧在原有設(shè)備中提升網(wǎng)絡(luò)功能，搭建單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)控制器。該模塊應(yīng)用串口（LVTTL）與其他串行通信系統(tǒng)進(jìn)行通信，還可以在串口和WiFi之間轉(zhuǎn)換。該模塊適用串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)AP、WiFi STA +WiFi AP方式，能夠快速搭建串口轉(zhuǎn)WiFi傳送數(shù)據(jù)方式。通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信，并且實(shí)現(xiàn)溫度、光照、CO2濃度的顯示以及能夠遠(yuǎn)距離控制采摘助手。

WiFi接線：連接模塊的GND和VCC，CH_PD腳拉高，GPIO15（在沒(méi)有GIO15的系統(tǒng)中，可忽略此步）拉低，系統(tǒng)即可啟動(dòng)，默認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)行AT指令，接收客戶的指令。

2.3 自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制設(shè)計(jì)部分主要有兩部分：一是識(shí)別采摘；二是施肥噴藥。

2.3.1 識(shí)別采摘

識(shí)別采摘系統(tǒng)由機(jī)械臂和視覺(jué)識(shí)別模塊兩部分組成，視覺(jué)識(shí)別模塊通過(guò)Micropython語(yǔ)言對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行定位和識(shí)別，當(dāng)識(shí)別到農(nóng)作物時(shí)配合機(jī)械臂完成采摘工作。

（1）機(jī)械臂。

機(jī)械手臂重500 g，精密度為0.2 mm，采用3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，擁有兩個(gè)角度傳感器，下位機(jī)控制板選用arduino&FPGA。通過(guò)該協(xié)議，機(jī)械臂可以通過(guò)WiFi通信，完成對(duì)農(nóng)作物采摘任務(wù)。

電池及機(jī)械臂參數(shù)如表1—3所示。

（2）視覺(jué)識(shí)別模塊。

開(kāi)源的機(jī)器視覺(jué)框架（Open Machine Vision，Open MV）是一種開(kāi)源、低成本、功能強(qiáng)大且體積小巧的視覺(jué)識(shí)別模塊，以STM32F767為核心處理器，集成OV7725攝像頭［2］。在非常小巧的硬件模塊上，利用C語(yǔ)言高效實(shí)現(xiàn)核心視覺(jué)算法，提供Python編程接口，使用者可以利用Python語(yǔ)言，使用Open MV提供的視覺(jué)功能。Open MV被安裝在采摘助手上，隨著采摘助手的移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)需要采摘的農(nóng)作物時(shí)，Open MV會(huì)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給Arduino單片機(jī)，Arduino單片機(jī)執(zhí)行編程好的動(dòng)作組，控制機(jī)械臂采摘農(nóng)作物并放置在托盤(pán)中［3］。

Open MV被定位于“帶機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的安卓系統(tǒng)”，還可以操縱其他硬件配置、MCU模塊，例如Arduino，Raspberry Pi等。它還可以由別的MCU模塊操縱。通過(guò)這些特點(diǎn)，人們能夠很靈活地將它與其他流行的模塊相互配合，開(kāi)發(fā)繁雜的產(chǎn)品功能。

Open MV上的機(jī)器視覺(jué)算法包括尋找色塊、人臉檢測(cè)、眼球跟蹤、邊緣檢測(cè)、標(biāo)志跟蹤等。Open MV還可以用作非法侵入檢測(cè)與偽劣產(chǎn)品的挑選，跟蹤固定的標(biāo)記物等［4］，采用易于上手的Python編寫(xiě)，降低了用戶的開(kāi)發(fā)難度，可輕松地完成與各種機(jī)器視覺(jué)相關(guān)的任務(wù)［5］。

2.3.2 施肥噴藥

該系統(tǒng)通過(guò)ESP8266WiFi模塊發(fā)送信息控制噴藥、施肥，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作。通過(guò)手機(jī)App控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得化肥從出口落下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

本項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)工具選用的是Arduino.exe。Arduino是一個(gè)便捷、靈便、實(shí)用的開(kāi)源電子器件原型服務(wù)平臺(tái)。它包括硬件配置（各種類(lèi)型Arduino板）和軟件（ArduinoIDE）。它內(nèi)置在開(kāi)源簡(jiǎn)單的I/O插口版本，具備類(lèi)似Java和C語(yǔ)言的處理方法和自然環(huán)境，包括兩個(gè)關(guān)鍵部分：一部分硬件配置為Arduino電路板，適合于線路連接；另一個(gè)是Arduino IDE，程序流程開(kāi)發(fā)自然環(huán)境。只須在IDE里寫(xiě)完編程代碼，把程序上傳至Arduino主板以后，便可執(zhí)行操作。操作人員注意選擇相應(yīng)的開(kāi)發(fā)板和端口，加載相關(guān)機(jī)械臂控制的庫(kù)文件，上傳代碼時(shí)，需要將Arduino Mega2560通過(guò)連接電腦USB接口。

3.2 手機(jī)App設(shè)計(jì)

在開(kāi)發(fā)安卓手機(jī)軟件的過(guò)程中，手機(jī)軟件開(kāi)發(fā)者往往需要應(yīng)用Java語(yǔ)言開(kāi)展程序編寫(xiě)和開(kāi)發(fā)。在市場(chǎng)中，默認(rèn)的Android移動(dòng)App需要由Linux在其中全自動(dòng)運(yùn)行，假如在具體運(yùn)行過(guò)程中需要取代Linux運(yùn)行，往往會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)程序流程?？墒?，假如代碼錯(cuò)誤且不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，手機(jī) App應(yīng)用程序?qū)⒔K止。根據(jù)安卓系統(tǒng)移動(dòng)App自覺(jué)性的需求，務(wù)必不影響或毀壞別的App［6］。

3.3 移動(dòng)終端配置

下載并打開(kāi)手機(jī)App，設(shè)置IP地址和端口，點(diǎn)擊連接WiFi，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對(duì)大棚內(nèi)的溫度、CO2濃度和光照信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后配置各個(gè)按鍵所發(fā)送的字符來(lái)控制機(jī)械臂進(jìn)行采摘、噴藥和施肥。

3.4 機(jī)械臂和arduino通信配置

由于機(jī)械臂提供了相應(yīng)的串口供用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，所以可用Arduino mega2560控制機(jī)械臂。利用杜邦線分別將機(jī)械臂的RX、TX、GND與Arduino mega2560的TX、RX、GND接到一起。需要注意的是，由于串口3和串口2底層的庫(kù)函數(shù)里已經(jīng)占用，所以在連線時(shí)，Arduino mega2560應(yīng)該連串口0或者串口1。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智農(nóng)惠農(nóng)大棚采摘助手具有自動(dòng)化采摘、施肥、噴灑農(nóng)藥、棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)的功能，對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)成熟階段的管理培育和后續(xù)采摘有很大的作用，可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚、植物園等場(chǎng)所。但面對(duì)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)需求的日益變化，該智農(nóng)惠農(nóng)大棚采摘助手仍存在許多不足，比如筆者對(duì)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)的需求分析還不夠細(xì)致，本身對(duì)智能機(jī)器人的認(rèn)識(shí)不夠，系統(tǒng)體系不健全、推廣能力不足等問(wèn)題，需要不斷改善其功能以順應(yīng)社會(huì)的快速發(fā)展［7］。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的大棚采摘助手系統(tǒng)十分可靠，且具有準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單快捷、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)加上國(guó)家對(duì)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的支持，前景必然廣闊。

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（編輯 王雪芬）

Design of picking assistant for intelligent agriculture and benefit agriculture greenhouse

based on visual recognition module

Yuan? Lijuan， Han? Qiunuo

（Baoding University， Baoding 071000， China）

Abstract： New agricultural production methods and technologies have promoted the development of agriculture and the progress of society. At the same time， with the widespread application of computer technology， more and more people begin to study intelligent and mechanized agricultural production. Visual recognition and automatic picking have become important research directions. In this paper， the picking assistant of intelligent agriculture and benefiting farmers greenhouse is designed to harvest crops through the mechanical arm and visual recognition module. At the same time， in order to better manage crops in the mature period， the system is also equipped with environmental detection and spraying fertilization functions. This system is applicable to the mechanization of agricultural greenhouses， which can improve work efficiency， reduce manual input， and realize intelligent agricultural production.

Key words： intelligent picking; environmental testing; automatic fertilization