CN107065673A - 一种基于机器人的温室大棚环境智能监控系统 - Google Patents

一种基于机器人的温室大棚环境智能监控系统 Download PDF

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张树静
侯志松
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李国厚
赵明富
余周
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Abstract

本发明公开了一种基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，包括FPGA控制器、模式按钮、移动机器人行走电机、检测机构、执行机构、红外遥控器、无线传输模块、触摸显示屏和人机交互机构，模式按钮和检测机构分别与FPGA控制器的输入端连接，移动机器人行走电机和执行机构分别与FPGA控制器的输出端连接；人机交互机构通过无线传输模块与FPGA控制器双向连接；触摸显示屏、红外遥控器与FPGA控制器双向连接。本发明具有运行稳定、采集精度高、易于控制和成本低廉等优点，能够满足温室大棚监控的智能化需求。

Description

一种基于机器人的温室大棚环境智能监控系统
技术领域
本发明属于环境监控技术领域，具体涉及一种基于机器人的温室大棚环境智能监控系统。
背景技术
随着计算机技术、电子技术、人工智能技术的飞速发展和人们生活水平的提高，人们对反季节蔬菜、水果、花卉等农产品提出了更高的要求，并且农业低效高耗的增长方式必须改变，因而对生产温室的需求逐年上升。而现在常用的温室大棚有线监控系统存在布线困难、劳动力成本高和无线监测点移动性差。
发明内容
本发明要解决的是现有温室大棚有线监控系统存在布线困难、劳动力成本高和无线监测点移动性差等问题，从而提供一种以机器人为移动监测点的温室大棚环境智能监控系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，包括FPGA控制器、模式按钮、移动机器人行走电机、检测机构、执行机构、红外遥控器、无线传输模块、触摸显示屏和人机交互机构，模式按钮和检测机构分别与FPGA控制器的输入端连接，移动机器人行走电机和执行机构分别与FPGA控制器的输出端连接；人机交互机构通过无线传输模块与FPGA控制器双向连接；触摸显示屏、红外遥控器与FPGA控制器双向连接；所述检测机构包括环境检测电路和避障检测电路；所述环境检测电路包括温湿度传感器、光照强度传感器和CO2浓度传感器；所述避障检测电路包括超声波传感器、接触传感器和红外传感器；所述人机交互机构包括监控PC机、GPRS模块和移动终端；监控PC机通过无线传输模块与FPGA控制器双向连接，移动终端通过GPRS模块与监控PC机无线连接。
所述执行机构包括湿帘系统、升温系统、通风系统、补灯光系统、天窗电机、侧窗电机、遮阳幕电机、保温幕电机和CO2发生器。
所述模式按钮包括自动模式和手动模式两种模式，自动模式时，避障检测电路和环境检测电路分别将各自的检测信号传输给FPGA控制器，FPGA控制器接收处理后发送相应的控制命令给触摸显示屏、移动机器人行走电机和执行机构；触摸显示屏显示环境参数和执行结构的运行状态，移动机器人行走电机带动移动机器人行走动态检测环境状态，执行机构动作维持或改变环境状态；FPGA控制器通过无线传输模块将环境参数值和执行机构执行情况发送至监控PC机上，监控PC机通过GPRS模块传输至移动终端上；当手动模式时，通过红外遥控器或监控PC机或移动终端或触摸显示屏给FPGA控制器发送控制命令，FPGA控制器接收命令进行处理后，控制触摸显示屏显示环境参数和执行结构的运行状态，控制移动机器人行走电机带动移动机器人行走动态检测环境状态，执行机构动作维持或改变环境状态；FPGA控制器通过无线传输模块将环境参数值和执行机构执行情况发送至监控PC机上，监控PC机通过GPRS模块传输至移动终端上。
所述环境检测电路包括DHT11温湿度传感器、GY-30光照强度传感器和MH-Z14二氧化碳浓度传感器，所述DHT11温湿度传感器的DATA接口与 FPGA控制器的管脚pin28双向连接，且DHT11温湿度传感器的VCC接口与5V外部电源连接，且在VCC接口与DATA接口之间设置有上拉电阻R1；所述GY-30光照强度传感器的SDA接口与FPGA控制器的管脚pin8双向连接，FPGA控制器的输出管脚pin9与GY-30光照强度传感器的SCL接口连接，且GY-30光照强度传感器的VCC接口与5V外部电源连接；所述MH-Z14二氧化碳浓度传感器的RXD接口与FPGA控制器的输出管脚pin86连接，MH-Z14二氧化碳浓度传感器的TXD接口与FPGA控制器的输入管脚pin87连接，MH-Z14二氧化碳浓度传感器的VCC接口与5V外部电源连接；且在VCC接口与RXD接口之间设置有上拉电阻R2，在VCC接口与TXD接口之间设置有上拉电阻R3。
所述避障检测电路包括KS109超声波传感器、RPR220红外传感器和OTH8084接触传感器，所述KS109超声波传感器的SCL接口与FPGA控制器的输出管脚pin24连接，KS109超声波传感器的SDA接口与FPGA控制器的管脚pin25双向连接，KS109超声波传感器的VCC接口与5V外部电源连接，且在VCC接口与SCL接口之间设置有上拉电阻R6，在VCC接口与SDA接口之间设置有上拉电阻R7；所述OTH8084接触传感器的动触点为两个，一个动触点悬空，另一个动触点与FPGA控制器的输入管脚pin26连接，并经上拉电阻R5和发光二极管与5V外部电源连接；所述RPR220红外传感器与FPGA控制器的输入管脚pin27连接。
FPGA控制器的输出管脚pin135～pin137与74HC06芯片连接，74HC06芯片的输出端经电阻R8～R10与TLP521光耦合器连接，TLP521光耦合器经电阻R11～R13与LN298N电机驱动芯片与移动机器人行走电机M1连接，且在LN298N电机驱动芯片与移动机器人行走电机M1之间串入四个二极管D1～D4。
还包括低电压检测电路、低电压报警电路和CF卡数据存储模块，低电压检测电路与FPGA控制器的输入端连接，低电压报警电路和CF卡数据存储模块分别与FPGA控制器的输出端连接。
本发明以FPGA控制器作为采集控制终端，结合多路传感器实现对移动机器人的行走控制和各环境参数的实时采集、处理、显示、存储及监测报警等功能，并通过APC220无线模块将处理后的数据传给监控PC机，监控PC机根据用户设定参数范围值，通过APC220无线模块发送相关设备的启停控制命令，实现环境参数的远程控制。同时，管理人员也可以借助GPRS模块和手机等移动终端，实现环境参数查询和设备控制等功能。本发明的移动机器人具有手动和自动两种控制方式。手动控制方式下工作人员借助红外遥控器、触摸显示屏、手机短信或监控PC机的手动控制画面上相关操作按键实现机器人行走和执行机构远程控制，温室环境参数设置等功能；自动控制方式下，借助移动机器人上的避障传感器（摄像头、超声波、红外和接触传感器）获取温室内障碍物信息，而FPGA控制器对获取的障碍物信息进行分析判断后，控制移动机器人的行走避障，同时ACP220无线传输模块将获得的障碍物信息发送给移动终端，以便用户操作和查询。本发明具有运行稳定、采集精度高、易于控制和成本低廉等优点，能够满足温室大棚监控的智能化需求。
附图说明
图1为本发明的控制原理框图。
图2为本发明环境检测电路的电路图。
图3为本发明避障检测电路和移动机器人驱动的电路图。
图4为本发明执行机构的驱动电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，包括FPGA控制器、模式按钮、移动机器人行走电机、检测机构、执行机构、红外遥控器、无线传输模块、触摸显示屏和人机交互机构，模式按钮和检测机构分别与FPGA控制器的输入端连接，移动机器人行走电机和执行机构分别与FPGA控制器的输出端连接；人机交互机构通过无线传输模块与FPGA控制器双向连接；触摸显示屏、红外遥控器与FPGA控制器双向连接；所述检测机构包括环境检测电路和避障检测电路；所述环境检测电路包括温湿度传感器、光照强度传感器和CO2浓度传感器；所述避障检测电路包括超声波传感器、接触传感器和红外传感器；所述人机交互机构包括监控PC机、GPRS模块和移动终端；监控PC机通过无线传输模块与FPGA控制器双向连接，移动终端通过GPRS模块与监控PC机无线连接。
具体地，所述执行机构包括湿帘系统、升温系统、通风系统、补灯光系统、天窗电机、侧窗电机、遮阳幕电机、保温幕电机和CO2发生器。具体驱动电路如图4所示。实现直流3.3V弱电到交流220V强电的执行机构控制功能。光耦TLP521能够有效抑制继电器触点通断时线圈两端产生的较大感应电动势对FPGA控制器的输出信号干扰；续流二极管IN4007为JQC-3FF-S-HZ继电器断电时提供释放回路，避免反向电动势过高击穿驱动三极管Q1；为了延长继电器触点寿命在其两端并联由R14和C2构成阻容电路，同时串入保险丝F1防止电流过大烧坏执行设备和触点。
所述模式按钮包括自动模式和手动模式两种模式，自动模式时，避障检测电路和环境检测电路分别将各自的检测信号传输给FPGA控制器，FPGA控制器接收处理后发送相应的控制命令给触摸显示屏、移动机器人行走电机和执行机构；触摸显示屏显示环境参数和执行结构的运行状态，移动机器人行走电机带动移动机器人行走动态检测环境状态，执行机构动作维持或改变环境状态；FPGA控制器通过无线传输模块将环境参数值和执行机构执行情况发送至监控PC机上，监控PC机通过GPRS模块传输至移动终端上；当手动模式时，通过红外遥控器或监控PC机或移动终端或触摸显示屏给FPGA控制器发送控制命令，FPGA控制器接收命令进行处理后，控制触摸显示屏显示环境参数和执行结构的运行状态，控制移动机器人行走电机带动移动机器人行走动态检测环境状态，执行机构动作维持或改变环境状态；FPGA控制器通过无线传输模块将环境参数值和执行机构执行情况发送至监控PC机上，监控PC机通过GPRS模块传输至移动终端上。
所述环境检测电路，如图2所示，包括DHT11温湿度传感器、GY-30光照强度传感器和MH-Z14二氧化碳浓度传感器，所述DHT11温湿度传感器的DATA接口与 FPGA控制器的管脚pin28双向连接，且DHT11温湿度传感器的VCC接口与5V外部电源连接，且在VCC接口与DATA接口之间设置有上拉电阻R1；所述GY-30光照强度传感器的SDA接口与FPGA控制器的管脚pin8双向连接，FPGA控制器的输出管脚pin9与GY-30光照强度传感器的SCL接口连接，且GY-30光照强度传感器的VCC接口与5V外部电源连接；所述MH-Z14二氧化碳浓度传感器的RXD接口与FPGA控制器的输出管脚pin86连接，MH-Z14二氧化碳浓度传感器的TXD接口与FPGA控制器的输入管脚pin87连接，MH-Z14二氧化碳浓度传感器的VCC接口与5V外部电源连接；且在VCC接口与RXD接口之间设置有上拉电阻R2，在VCC接口与TXD接口之间设置有上拉电阻R3。
所述避障检测电路，如图3所示，包括KS109超声波传感器、RPR220红外传感器和OTH8084接触传感器，所述KS109超声波传感器的SCL接口与FPGA控制器的输出管脚pin24连接，KS109超声波传感器的SDA接口与FPGA控制器的管脚pin25双向连接，KS109超声波传感器的VCC接口与5V外部电源连接，且在VCC接口与SCL接口之间设置有上拉电阻R6，在VCC接口与SDA接口之间设置有上拉电阻R7；所述OTH8084接触传感器的动触点为两个，一个动触点悬空，另一个动触点与FPGA控制器的输入管脚pin26连接，并经上拉电阻R5和发光二极管与5V外部电源连接；所述RPR220红外传感器与FPGA控制器的输入管脚pin27连接。
FPGA控制器的输出管脚pin135～pin137与74HC06芯片连接，74HC06芯片的输出端经电阻R8～R10与TLP521光耦合器连接，TLP521光耦合器经电阻R11～R13与LN298N电机驱动芯片与移动机器人行走电机M1连接，且在LN298N电机驱动芯片与移动机器人行走电机M1之间串入四个二极管D1～D4。74HC06芯片的设置是为了增强FPGA控制器的驱动能力；TLP521光电耦合器是为避免驱动电路对FPGA控制器输出信号的干扰；四个二极管D1～D4的设置是为消除移动机器人行走电机在启停、制动及换向时产生的反电动势对移动机器人行走电机的损坏；通过改变FPGA控制器引脚Pin_137输出的PWM脉冲占空比来改变驱动轮电机的调速控制。
优选地，还包括低电压检测电路、低电压报警电路和CF卡数据存储模块，低电压检测电路与FPGA控制器的输入端连接，低电压报警电路和CF卡数据存储模块分别与FPGA控制器的输出端连接。
在本实施例中，为了提高移动机器人在温室内的移动灵活性、快速性和稳定性，移动机器人采用四轮轮式结构，其中前后两个为万向轮和左右两个为驱动轮。左右两个轮上分别安装两个独立的行走电机，通过控制左右轮的速度差来实现车体转向，通过改变行走电机的输入脉冲频率控制调速，实现机器人的前进、左转、右转、后退以及调头等功能。安装在机器人前端的一路超声波传感器KS109和左右两侧各安装三路等间距的红外传感器RPR220用来获取机器人前方障碍物距离和两侧障碍物的方位信息，便于实现路径的合理规划；安装在机器人左前、左后、右前和右后方四路接触传感器OTH8084将获取任一个方向上的碰撞信息反馈到FPGA控制器，以便做出避障决策；安装在机器人上的APC220无线模块将采集的温室环境参数和障碍物信息发送到监控PC机，便于技术人员查阅环境信息以及对现场设备启/停和机器人行走进行控制。
系统上电后首先对各模块进行初始化，选择控制模式，若为手动控制模式，移动机器人行走前先判断电池电压是否低于7.5V，若电池电压低于7.5V则蜂鸣器报警，并在触摸显示屏上显示需充电，人工操作进行充电，若电池电压高于7.5V则机器人处于正常工作电压，借助现场红外遥控器、触摸屏、监控PC机和智能手机终端实现各环境参数的设置、查询和执行机构远程控制等功能。若为自动控制模式，首先设置环境检测时间，判断电池电压是否低于7.5V，若电池电压低于7.5V则蜂鸣器报警，移动机器人自动寻找充电器，对接成功后进行充电，机器人执行停止指令，当电池充电结束后重新启动机器人，环境检测倒计时时间开始计时，避障传感器和环境检测传感器分别获取避障信息和温室环境参数检测值，若移动机器人行走过程中有障碍物则FPGA控制器使移动机器人合理避障继续行走，同时现场触摸显示屏显示当前环境采样值和各执行机构的运行状态，若环境参数在设定范围则各执行机构维持当前状态，若环境参数在设定范围外则根据参数设定范围发送升温、降温等相关执行机构的启停控制指令，实现温室环境的智能调控。若环境参数检测倒计时时间到则本次检测过程结束，否则继续执行上述循环过程。
为验证本发明系统的可行性、有效性和实用性，以种植蝴蝶兰中苗期为研究对象，在校产学研花卉温室种植基地进行测试，其24h内温室环境参数测试结果如表1所示。
表1 24h内温室环境参数变化情况
从表1可知，白天（08:00-19:00）温度变化范围为25.0~30.0℃，平均值为27.4℃，波动范围为-2.4～2.6，夜里（19:00-07:00）温度变化范围为18.3～22.8℃，平均值为20.1℃，波动范围为-1.8～2.7，与蝴蝶兰生长所需最佳的白天温度27℃和夜间温度20℃相比上下波动较小，且昼夜温差保持在5～8℃之间，有利于蝴蝶兰所需养分的积累、健壮生长和叶色纯正；24h内湿度变化范围65.2~75.0%RH，平均值为70.5%RH，波动范围在-4.7～4.5%RH之间，能够自动维持温室内空气湿度在65～75%RH之间，有利于蝴蝶兰植株生长、保持叶面水分和防止病害发生；24h内温室CO2浓度控制在415.1～949.3ppm之间，且平均CO2浓度为715.4ppm，有利于促进蝴蝶兰光合作用，提高产量和增加抗病性能；24h内温室光照强度控制在10042～20000lx之间，平均光照强度为15548.4lx，与蝴蝶兰中苗（待缓苗）生长发育最适宜的光照强度15000lx处相比上下波动较小，光照强度比较稳定，有利于蝴蝶兰获取充足养分、生根和叶片生长。

Claims (7)

1.一种基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，其特征在于：包括FPGA控制器、模式按钮、移动机器人行走电机、检测机构、执行机构、红外遥控器、无线传输模块、触摸显示屏和人机交互机构，模式按钮和检测机构分别与FPGA控制器的输入端连接，移动机器人行走电机和执行机构分别与FPGA控制器的输出端连接；人机交互机构通过无线传输模块与FPGA控制器双向连接；触摸显示屏、红外遥控器与FPGA控制器双向连接；所述检测机构包括环境检测电路和避障检测电路；所述环境检测电路包括温湿度传感器、光照强度传感器和CO2浓度传感器；所述避障检测电路包括超声波传感器、接触传感器和红外传感器；所述人机交互机构包括监控PC机、GPRS模块和移动终端；监控PC机通过无线传输模块与FPGA控制器双向连接，移动终端通过GPRS模块与监控PC机无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，其特征在于：所述执行机构包括湿帘系统、升温系统、通风系统、补灯光系统、天窗电机、侧窗电机、遮阳幕电机、保温幕电机和CO2发生器。
3.根据权利要求1所述的基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，其特征在于：所述模式按钮包括自动模式和手动模式两种模式，自动模式时，避障检测电路和环境检测电路分别将各自的检测信号传输给FPGA控制器，FPGA控制器接收处理后发送相应的控制命令给触摸显示屏、移动机器人行走电机和执行机构；触摸显示屏显示环境参数和执行结构的运行状态，移动机器人行走电机带动移动机器人行走动态检测环境状态，执行机构动作维持或改变环境状态；FPGA控制器通过无线传输模块将环境参数值和执行机构执行情况发送至监控PC机上，监控PC机通过GPRS模块传输至移动终端上；当手动模式时，通过红外遥控器或监控PC机或移动终端或触摸显示屏给FPGA控制器发送控制命令，FPGA控制器接收命令进行处理后，控制触摸显示屏显示环境参数和执行结构的运行状态，控制移动机器人行走电机带动移动机器人行走动态检测环境状态，执行机构动作维持或改变环境状态；FPGA控制器通过无线传输模块将环境参数值和执行机构执行情况发送至监控PC机上，监控PC机通过GPRS模块传输至移动终端上。
4.根据权利要求1或3所述的基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，其特征在于：所述环境检测电路包括DHT11温湿度传感器、GY-30光照强度传感器和MH-Z14二氧化碳浓度传感器，所述DHT11温湿度传感器的DATA接口与 FPGA控制器的管脚pin28双向连接，且DHT11温湿度传感器的VCC接口与5V外部电源连接，且在VCC接口与DATA接口之间设置有上拉电阻R1；所述GY-30光照强度传感器的SDA接口与FPGA控制器的管脚pin8双向连接，FPGA控制器的输出管脚pin9与GY-30光照强度传感器的SCL接口连接，且GY-30光照强度传感器的VCC接口与5V外部电源连接；所述MH-Z14二氧化碳浓度传感器的RXD接口与FPGA控制器的输出管脚pin86连接，MH-Z14二氧化碳浓度传感器的TXD接口与FPGA控制器的输入管脚pin87连接，MH-Z14二氧化碳浓度传感器的VCC接口与5V外部电源连接；且在VCC接口与RXD接口之间设置有上拉电阻R2，在VCC接口与TXD接口之间设置有上拉电阻R3。
5.根据权利要求1或3所述的基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，其特征在于：所述避障检测电路包括KS109超声波传感器、RPR220红外传感器和OTH8084接触传感器，所述KS109超声波传感器的SCL接口与FPGA控制器的输出管脚pin24连接，KS109超声波传感器的SDA接口与FPGA控制器的管脚pin25双向连接，KS109超声波传感器的VCC接口与5V外部电源连接，且在VCC接口与SCL接口之间设置有上拉电阻R6，在VCC接口与SDA接口之间设置有上拉电阻R7；所述OTH8084接触传感器的动触点为两个，一个动触点悬空，另一个动触点与FPGA控制器的输入管脚pin26连接，并经上拉电阻R5和发光二极管与5V外部电源连接；所述RPR220红外传感器与FPGA控制器的输入管脚pin27连接。
6.根据权利要求1或3所述的基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，其特征在于：FPGA控制器的输出管脚pin135～pin137与74HC06芯片连接，74HC06芯片的输出端经电阻R8～R10与TLP521光耦合器连接，TLP521光耦合器经电阻R11～R13与LN298N电机驱动芯片与移动机器人行走电机M1连接，且在LN298N电机驱动芯片与移动机器人行走电机M1之间串入四个二极管D1～D4。
7.根据权利要求1所述的基于机器人的温室大棚环境智能监控系统，其特征在于：还包括低电压检测电路、低电压报警电路和CF卡数据存储模块，低电压检测电路与FPGA控制器的输入端连接，低电压报警电路和CF卡数据存储模块分别与FPGA控制器的输出端连接。
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