CN110235753A - 能精准浇水的喷灌机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种能精准浇水的喷灌机器人系统，包括机器人主体、调速水泵、手持编程器、土壤湿度传感器、风速传感器，所述机器人主体包括二自由度云台、主控制器，所述二自由度云台由可左右转动180°的水平旋转组件和可上下转动180°的垂直旋转组件组成，水平旋转组件的第二驱动电机安装在底座上，垂直旋转组件的第一驱动电机安装在水平旋转组件上，所述垂直旋转组件上安装喷头，所述喷头通过管道与调速水泵连接，所述调速水泵设置在一储水箱中，一水位控制系统的液位监测器设于储水箱底部，所述第一驱动电机、第二驱动电机、调速水泵、水位控制系统、土壤湿度传感器、风速传感器分别与主控制器通过导线连接，所述手持编程器与主控制器通过无线信号连接。

Description

能精准浇水的喷灌机器人系统

技术领域

本发明涉及智能喷灌领域，特别涉及一种能精准浇水的喷灌机器人系统。

背景技术

目前，园林、花园植物的浇水方式普遍为人工浇水或者安装喷头进行喷灌浇水。其中，人工浇水的方式效率较低，且人工成本高昂。安装喷头进行喷灌的浇水方式，通常会涉及到管道开挖与铺设，安装十分繁琐，对于已经完成种植的花园，重新开挖土壤会造成植株损伤，且该喷灌方式难以针对单棵植物进行供水量调节。此外，旋转式喷头对同一区域进行浇灌，重复性太高，造成严重的水资源浪费。对于植物墙特别是苔藓墙，目前采用的喷雾头喷雾方式，难以面面俱到，即植物墙苔藓存在有的区域水量不足、或有的区域水量过多等问题，都极不利于苔藓等植物的生长。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种能精准浇水的喷灌机器人系统，其能实现精准浇水，以及满足不同的植物的喷灌需求。

本发明的技术方案是：一种能精准浇水的喷灌机器人系统，包括机器人主体、调速水泵、手持编程器、土壤湿度传感器、风速传感器，所述机器人主体包括二自由度云台、主控制器，所述二自由度云台包括可左右转动180°的水平旋转组件，可上下转动180°的垂直旋转组件，水平旋转组件的第二驱动电机安装在底座上，垂直旋转组件的第一驱动电机安装在水平旋转组件上，所述垂直旋转组件上安装喷头，所述喷头通过管道与调速水泵连接，所述调速水泵设置在一储水箱中，一水位控制系统的液位监测器设于储水箱底部，所述第一驱动电机、第二驱动电机、调速水泵、水位控制系统、土壤湿度传感器、风速传感器分别与主控制器通过导线连接，所述手持编程器与主控制器通过无线信号连接。

所述水平旋转组件与第二驱动电机的转轴周向固定，所述第一驱动电机固定在水平旋转组件上，所述垂直旋转组件与第一驱动电机的转轴周向固定。

所述第一驱动电机、第二驱动电机采用步进电机或者舵机。

所述垂直旋转组件上安装有多个喷头，所述喷头分别通过管道与电磁阀连接，所述电磁阀通过管道与调速水泵连接，且该电磁阀通过电磁阀控制电路与主控制器连接。

所述储水箱通过一进水管补水，所述进水管上设有电磁阀，该电磁阀通过电磁阀控制电路与水位控制系统连接。

所述主控制器内嵌有蓝牙串口模块，通过蓝牙串口模块使手持编程器与主控制器进行无线连接。

所述水位监测器采用气囊箱，该气囊箱固定在储水箱的箱底通过气传导导管与水位控制系统连接。

所述主控制器外接有风速传感器。

所述手持编程器的数据保存在主控制器中主控芯片的只读存储器EEPROM中，或者外增只读存储器EEPROM、FLASH芯片进行数据保存。

所述电磁阀控制电路包括继电器、PNP型三极管，所述PNP型三极管的基极经电阻与主控制器的主控芯片引脚连接，发射极接5V直流电源正极，集电极与继电器的2号引脚连接，所述继电器的2号引脚和4号引脚之间连接第一二极管，所述第一二极管的正极与继电器的4号引脚连接，负极与继电器的2号引脚连接，所述继电器的4号引脚接地，3号引脚接12V电源，5号引脚与电磁阀的电源端连接，所述电磁阀的接地端接地且经第二二极管与继电器的5号引脚连接，所述第二二极管的正极与电磁阀的接地端连接，负极与继电器的5号引脚连接。

采用上述技术方案：所述第一驱动电机、第二驱动电机、调速水泵、水位控制系统、土壤湿度传感器、风速传感器分别与主控制器通过导线连接，水平旋转组件的第二驱动电机安装在底座上，垂直旋转组件的第一驱动电机安装在水平旋转组件上。在主控制器的控制下，第二驱动电机驱动水平旋转组件可左右转动180°，且第一驱动电机会随着水平旋转组件转动，第一驱动电机驱动垂直旋转组件可上下转动180°。所述垂直旋转组件上安装喷头，因此喷头会随着垂直旋转组件、水平旋转组件发生上下左右的转动。所述喷头通过管道与调速水泵连接，调速水泵将储水箱中的水增压，沿喷头喷出，通过主控制器控制调速水泵的转速，从而调节喷头喷射水的距离和强度，以针对不同距离的植物浇水。一水位控制系统的液位监测器设于储水箱底部，通过该液位监测器实时监测储水箱的液位，若连续监测到液位低于调速水泵的正常工作值，则水位恒定系统将缺水信号传递给主控制器，使调速水泵停止转动，防止调速水泵空转。并且，主控制器可以通过土壤湿度传感器对土壤湿度进行检测，在土壤湿度低于设定值时，启动喷灌机器人开始喷灌工作。所述手持编程器与主控制器通过无线信号连接，由于手持编程器可以将喷灌机器人的各个喷灌点的工作参数，设置在主控制器中，因此在调试喷灌机器人的过程中，可以根据现场植物的分布范围以及植物对水分的需求量，通过手持编程器设置每个喷灌点的垂直旋转组件和水平旋转组件转动的角度方位、调速水泵的转速、喷灌机器人的喷灌时间、喷头种类。手持编程器与主控制之间采用无线信号连接，简化了手持编程器与主控制器之间的连接，使连接更灵活、方便。

所述第一驱动电机、第二驱动电机采用步进电机或者舵机，驱动垂直旋转组件和水平旋转组件，完成云台的转向功能。若采用步进电机可以降低制造成本，若采用舵机可以提高云台响应速度。

所述垂直旋转组件上安装有多个喷头，所述喷头分别通过管道与电磁阀连接，所述电磁阀通过管道与调速水泵连接，且该电磁阀通过电磁阀控制电路与主控制器连接。即垂直旋转组件上可以安装不同种类的喷头，在实际使用中，可以通过手持编程器设定各个喷灌点所需的喷头种类，然后由主控制器对不同喷头进行切换。

所述储水箱通过一进水管补水，所述进水管上设有电磁阀，该电磁阀通过电磁阀控制电路与水位控制系统连接，由于水位控制系统可以实时监测储水箱的水位，因此当水位控制系统监测到水位低于设定阈值时，将打开进水管上的电磁阀对储水箱进行补水，从而维持储水箱的水位恒定，保证水压的稳定，即保证调速水泵入水口的水压稳定，从而使喷头出水口的水压保持稳定。

所述主控制器内嵌有蓝牙串口模块，通过蓝牙串口模块使手持编程器与主控制器进行无线连接，减少线路连接，使用起来灵活、方便。

所述水位监测器采用气囊箱，该气囊箱固定在储水箱的箱底通过气传导导管与水位控制系统连接，采用气囊箱作为水位监测器，将气囊箱受到的水压通过气囊箱内部的气压经气传导导管传递给水位控制系统，实现对储水箱水位的实时监测。

所述主控制器外接有风速传感器，用于实时检测风速，当风速较大时，暂停喷灌，以保证喷灌的精准性。

所述手持编程器的数据保存在主控制器中主控芯片的只读存储器EEPROM中，或者外增只读存储器EEPROM、FLASH芯片进行数据保存，保证有足够的存储空间对手持编程器的数据进行保存，手持编程器也能设置多个喷灌点的工作参数。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的二自由度云台的结构示意图；

图3为本发明的主控制电路图；

图4为本发明的水位控制系统的电路图；

图5为本发明的电磁阀控制电路的电路图；

图6为本发明的手持编程器的电路图。

具体实施方式

参见图1至图6，一种能精准浇水的喷灌机器人系统的实施例，包括机器人主体、调速水泵U7、手持编程器7、土壤湿度传感器U2、风速传感器U4，所述机器人主体包括二自由度云台、主控制器12。所述二自由度云台包括可左右转动180°的水平旋转组件2，可上下转动180°的垂直旋转组件3，水平旋转组件的第二驱动电机U6安装在底座1上，垂直旋转组件3的第一驱动电机U5安装在水平旋转组件2上，所述水平旋转组件2与第二驱动电机U6周向固定，所述第一驱动电机U5固定在水平旋转组件2上，所述垂直旋转组件3与第一驱动电机U5周向固定。第二驱动电机U6驱动水平旋转组件2左右转动，由于第一驱动电机U5安装在水平旋转组件2上，因此第一驱动电机U5会随水平旋转组件2转动，第一驱动电机U5将驱动垂直旋转组件3上下转动。所述垂直旋转组件3上安装喷头4，因此垂直旋转组件3上的喷头4会随着垂直旋转组件3、水平旋转组件2发生上下左右的转动。所述第一驱动电机U5、第二驱动电机U6采用步进电机或者舵机，使用舵机可以提高云台转动速度，还可以采用步进电机来降低产品的制造成本，此外其它能驱动云台的电机也可以作为二自由度云台的驱动电机，本实施例中以舵机为例。所述第一驱动电机U5、第二驱动电机U6、调速水泵U7、水位控制系统6、土壤湿度传感器U2、风速传感器U4分别与主控制器12通过导线连接，通过土壤湿度传感器U2监测土壤湿度，当监测到土壤湿度低于设定值时，就启动喷灌机器人进行喷灌工作。所述手持编程器7与主控制器12通过无线信号连接，通过手持编程器7将各个喷灌点的工作参数设置在主控制器12中，即对各个喷灌点的垂直旋转组件3、水平旋转组件2、调速水泵U7的转速、喷灌时间、喷头种类进行设置。所述垂直旋转组件3上的喷头4通过管道与调速水泵U7连接，所述调速水泵U7设置在一储水箱9中，调速水泵U7转动使储水箱9中的水增压，使储水箱9中的水沿喷头4喷出。所述垂直旋转组件3上安装有多个喷头4，喷头4分别通过管道与电磁阀10连接，所述电磁阀10通过管道与调速水泵U7连接，且该电磁阀10通过电磁阀控制电路与主控制器12连接。垂直旋转组件3上可以安装一个或多个喷头4，当安装多个喷头4时，可以安装单股喷射喷头、多股喷射喷头或喷雾喷头等不同种类的喷头，通过主控制器12控制喷头4连接的电磁阀10的通断，从而实现不同喷头4的切换，来选择合适的喷水方式。一水位控制系统6的液位监测器5设于储水箱9底部，所述水位监测器采用气囊箱，该气囊箱固定在储水箱9的箱底通过气传导导管与水位控制系统6连接，气囊箱受到的水压可以由气囊箱内部的气压经气传导导管传递给水位控制系统6，因此通过该液位监测器5可以实时监测储水箱9的水位，如果连续监测到水位低于调速水泵U7的正常工作值，则水位控制系统6向主控制器12发出缺水信号，主控制器12使调速水泵U7停止转动，防止调速水泵U7空转。所述储水箱9通过一进水管补水，所述进水管上设有电磁阀11，该电磁阀11通过电磁阀控制电路与水位控制系统6连接，由于水位控制系统6实时对储水箱9中水位进行监测，当水位控制系统6监测到储水箱9的水位低于设定阈值时，就控制进水管上的电磁阀11打开，通过进水管对储水箱9进行补水，以维持储水箱9的水位恒定，从而保证调速水泵U7的入水口水压稳定，使喷头4出水口处的水压稳定。如果水位控制系统6监测到储水箱9的水位恢复到设定阈值时，则控制进水管上的电磁阀11关闭，停止补水，一般采用自来水对储水箱9进行补水。所述主控制器12外接有风速传感器U4，通过风速传感器U4检测风速大小，当检测到风速大于设定值时，使喷灌机器人暂停工作，防止因风速影响喷灌精准性，当检测到风速低于设定值后，使喷灌机器人恢复喷灌工作。所述主控制器12内嵌有蓝牙串口模块U11，通过蓝牙串口模块U11使手持编程器7与主控制器12进行无线连接，减少了线路连接，简化了手持编程器7和主控制器12之间的连接，实际使用中更加灵活、方便。所述手持编程器7的数据保存在主控制器中主控芯片的只读存储器EEPROM中，或者外增只读存储器EEPROM、FLASH芯片进行数据保存，保证有足够的存储空间对手持编程器7的数据进行保存，使手持编程器7能设置多个喷灌点的工作参数。

所述电磁阀控制电路包括继电器、PNP型三极管，所述PNP型三极管Q1的基极经电阻与单片机U1连接，发射极接5V直流电源正极，集电极与继电器的2号引脚连接，所述继电器J1的2号引脚和4号引脚之间连接第一二极管D1，所述第一二极管D1的正极与继电器J1的4号引脚连接，负极与继电器的2号引脚连接，所述继电器的4号引脚接地，3号引脚接12V电源正极，5号引脚与电磁阀的电源端连接，所述电磁阀的接地端接地且经第二二极管D2与继电器的5号引脚连接，所述第二二极管D2的正极与电磁阀的接地端连接，负极与继电器J1的5号引脚连接。与喷头4连接的电磁阀10和与进水管连接的电磁阀11均采用上述相同的电磁阀控制电路。

所述主控制器12的主控芯片采用STC15W4K16S4型号的单片机U1，所述单片机U1的引脚P1.0连接土壤湿度传感器U2，引脚P2.6连接风速传感器U4，引脚P1.3连接第一驱动电机U5，引脚P1.4连接第二驱动电机U6，引脚P1.5连接第四电容C4的正极，所述第四电容C4的负极接地，所述调速水泵U7与单片机U1的P1.5连接，单片机U1通过电源引脚接输入电源，通过接地引脚接地，所述电源连接线和接地线之间并联第一电容C1、第二电容C2，所述第一电容C1的正极与电源线连接，负极与接地线连接，所述单片机U1的引脚P2.5、P2.4、P2.3分别与喷头4的电磁阀10连接，引脚P3.1连接蓝牙串口模块U11的RXD引脚，引脚P3.0连接蓝牙串口模块U11的TXD引脚，引脚P3.2连接水位控制系统6缺水信号输出线。

所述水位控制系统6包括水压传感器、六反相器U5，所述水压传感器采用一LC谐振电路，所述LC谐振电路由第一电感L1与第八电容C8构成，所述第一电感L1的一端与第八电容C8的一端共同接地，第一电感L1的另一端与第八电容C8的另一端通过第六电阻R6、第三电容C3与六反相器U5 CD4069的1号引脚连接，第三电容C3与六反相器U5的1号引脚之间的结点经第四电阻R4分别与六反相器U5的2号引脚、3号引脚连接，第六电阻R6与第一电感L1之间的结点经第三电阻R3分别与六反相器U5的4号引脚、5号引脚连接，所述六反相器U5的6号引脚与单片机U1的引脚P3.5连接，六反相器U5的7号引脚接地，14号引脚连接5V电源正极，所述单片机U1的引脚P2.6连接进水管上的电磁阀11，引脚P1.4经按键Key1接地，以及经第二电阻R2连接电源正极。

所述手持编程器7包括“第一驱动电机转动+”、“第一驱动电机转动-”、“第二驱动电机转动+”、“第二驱动电机转动-”、“调速水泵转速调节+”、“调速水泵转速调节-”、“喷灌时间+”、“喷灌时间-”、“调速水泵关闭/打开切换”、“喷头切换”、“开始编程”、“结束编程”、“喷灌启动/停止运行”、“确认喷灌点”共14个按键。

在使用该喷灌机器人时，对喷灌机器人通电，然后对手持编程器7通电，两者通电后自动建立起蓝牙无线连接，然后通过手持编程器7设置喷灌机器人的各个工作参数。按下手持编程器7“开始编程”按键，喷灌机器人的主控制器12将收到开始编程命令，进入编程状态，根据现场植物的分布范围，通过手持编程器7上的“第一驱动电机转动+”、“第一驱动电机转动-”、“第二驱动电机转动+”、“第二驱动电机转动-”四个按键调节垂直旋转组件3、水平旋转组件2的转动角度，再通过“调速水泵转速调节+”、“调速水泵转速调节-”这两个按键调节调速水泵U7的转速，从而确定最终的喷灌点。另外可根据现场植物情况，通过“喷头切换”按键可以选择植物适宜的喷灌方式。确认当前的喷灌点位置后，根据现场的植物种类，通过“喷灌时间+”、“喷灌时间-”两个按键调节每次喷灌的时长，以满足对应植物的需水量。然后按下“确认喷灌点”按键，完成一个喷灌点的工作参数设置。若涉及多个喷灌点，通过重复上述程序依次对下一个喷灌点的工作参数进行设置。将所有喷灌点的工作参数设置完成后，最后通过“结束编程”按键，结束编程。通过按键“喷灌启动/停止运行”，可以手动控制喷灌机器人执行一次所有喷灌流程，检查工作参数设置是否有误。手持编程器7的数据可通过USB串口通信模块将编程数据上传至电脑中保存，以备后期调整或补充。

喷灌机器人执行手持编程器7设置的喷灌指令时，单片机U1逐个读取各个喷灌点的工作参数。单片机U1通过引脚P1.3产生脉冲信号PWM1，将此信号传递给第一驱动电机U5，单片机U1通过引脚P1.4产生脉冲信号PWM2，将此信号传递给第二驱动电机U6，PWM1和PWM2分别控制垂直旋转组件、水平旋转组件的转动角度。单片机U1通过引脚P1.5产生脉冲信号PWM_V，通过第四电容C4将该PWM_V脉冲信号转变为电压信号，传递到调速水泵U7。调速水泵U7根据收到电压信号控制相应的转速，从而保证喷灌机器人的喷灌距离。单片机U1读取编程参数T，对应当前喷灌点的停留时间，停留时间越长喷灌水量相应越多。单片机U1读取手持编程器7设置的喷头种类，控制引脚P2.3、P2.4、P2.5打开相应喷头4所连接的电磁阀10，实现切换不同的喷头功能。单片机U1通过引脚P1.0的模数转换功能，采集土壤湿度传感器U2的电路电压，经过换算得出土壤的相对湿度值。单片机U1通过引脚P2.6采集风速传感器U4测得的风速，在风速过大时，暂停喷灌。单片机U1通过引脚P3.2检测缺水信号线状态，当检测到低电平时，即为缺水信号，暂停喷灌。检测到高电平时，即为不缺水信号，继续喷灌。

水位控制系统6中采用谐振式水压传感器，LC谐振电路作为传感器的敏感器件，通过气压的大小来改变电感量，从而将被测水位的变化转换为LC谐振电路的参数变化，最终以频率参数的形式输出。谐振式水压传感器输出信号为频率可变的正弦信号，将此信号经过六反相器U5的倒相、放大、整形，最终得到单片机U1可用的方波信号。单片机U1利用内部的T1计数模式，对接收到的方波脉冲进行计数，再结合定时器，测量出脉冲频率。经过程序运算最终获得储水箱9的水位深度。通过按键Key1设定水位高阈值和水位低阈值，当检测到水位低于高阈值时，单片机U1控制引脚P2.6输出低电平，使进水管上的电磁阀11打开，对储水箱9进行补水。当检测到水位恢复到高阈值时，单片机U1控制引脚P2.6输出高电平，使进水管上的电磁阀11关闭，停止对储水箱9补水。当检测到水位到达水位低阈值时，单片机U1通过引脚P3.2输出低电平信号，即缺水信号，使喷灌机器人暂停喷灌。

本发明经手持编程器7设置好各个喷灌点的工作参数后，喷灌机器人就能根据设定好的参数自行工作，智能化程度较高，极大的提高了工作效率以及大大节约了人工成本，此外，本喷灌机器人的安装简单，安装时不需要开挖管道等，不会对已种植完成的植物造成损伤。并且，由于本发明完全可以实现精准喷灌，因此可以根据实际植物对水量的需求，逐个喷灌点的进行喷灌，不会造成土壤水分过多或过少，有利于植物生长。

Claims (10)

1.一种能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：包括机器人主体、调速水泵、手持编程器、土壤湿度传感器、风速传感器，所述机器人主体包括二自由度云台、主控制器，所述二自由度云台由可左右转动180°的水平旋转组件和可上下转动180°的垂直旋转组件组成，水平旋转组件的第二驱动电机安装在底座上，垂直旋转组件的第一驱动电机安装在水平旋转组件上，所述垂直旋转组件上安装喷头，所述喷头通过管道与调速水泵连接，所述调速水泵设置在一储水箱中，一水位控制系统的液位监测器设于储水箱底部，所述第一驱动电机、第二驱动电机、调速水泵、水位控制系统、土壤湿度传感器分别与主控制器通过导线连接，所述手持编程器与主控制器通过无线信号连接。

2.根据权利要求1所述的能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：所述水平旋转组件与第二驱动电机的转轴周向固定，所述第一驱动电机固定在水平旋转组件上，所述垂直旋转组件与第一驱动电机的转轴周向固定。

3.根据权利要求1所述的能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：所述第一驱动电机、第二驱动电机采用步进电机或者舵机。

4.根据权利要求1所述的能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：所述垂直旋转组件上安装有多个喷头，所述喷头分别通过管道与电磁阀连接，所述电磁阀通过管道与调速水泵连接，且该电磁阀通过电磁阀控制电路与主控制器连接。

5.根据权利要求1所述的能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：所述储水箱通过一进水管补水，所述进水管上设有电磁阀，该电磁阀通过电磁阀控制电路与水位控制系统连接。

6.根据权利要求1所述的能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：所述主控制器内嵌有蓝牙串口模块，通过蓝牙串口模块使手持编程器与主控制器进行无线连接。

7.根据权利要求1所述的能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：所述水位监测器采用气囊箱，该气囊箱固定在储水箱的箱底通过气传导导管与水位控制系统连接。

8.根据权利要求1所述的能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：所述主控制器外接有风速传感器。

9.根据权利要求1所述的能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：所述手持编程器的所编程的数据保存在主控制器中主控芯片的只读存储器EEPROM中，或者外增只读存储器EEPROM、FLASH芯片进行数据保存。

10.根据权利要求4或5所述的能精准浇水的喷灌机器人系统，其特征在于：所述电磁阀控制电路包括继电器、PNP型三极管，所述PNP型三极管的基极经电阻与主控制器的主控芯片引脚连接，发射极接5V直流电源正极，集电极与继电器的2号引脚连接，所述继电器的2号引脚和4号引脚之间连接第一二极管，所述第一二极管的正极与继电器的4号引脚连接，负极与继电器的2号引脚连接，所述继电器的4号引脚接地，3号引脚接12V电源，5号引脚与电磁阀的电源端连接，所述电磁阀的接地端接地且经第二二极管与继电器的5号引脚连接，所述第二二极管的正极与电磁阀的接地端连接，负极与继电器的5号引脚连接。