CN110720388A - 一种智能养花机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种智能养花机器人及其控制方法，涉及控制技术领域。该智能养花机器人包括载体模块、环境状态检测模块、供水模块、电磁阀驱动模块、A/D转换器、边缘计算处理器、光伏控制器。本发明将智能载体和浇水系统相结合，综合考虑器件选型、控制方法等多个方面问题，从而实现智能养花机器人可以在植物生长条件出现异常的第一时间给出动作，通过迅速移动至光照处或浇水来维持植物的健康生长环境。

Description

一种智能养花机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种智能养花机器人及其控制方法。
背景技术
随着生活水平的不断提高，为了净化空气，舒缓心情，人们喜欢在家中或办公室内放置一些盆栽或花卉。但由于当前生活节奏日益加快，很多人为了工作而忙碌的同时忘记了对于这些植物的照顾，这就导致植物由于缺水、缺少光照或者温度不适而生长不良，甚至枯萎死亡。智能养花机器人可以对植物所处环境的温度、土壤湿度以及所受的光照程度等周围环境指标进行检测，并且根据检测结果做出动作，即是否给植物浇水或是否根据光照情况进行移动，由此保证植物良好地生长。
影响植物的生长情况的因素众多，其中以温度、湿度、光照最为重要。传统的自动养花装置大多数只是通过温湿度传感器检测土壤湿度并自动给植物浇水，然而水分并不是植物唯一需要的养料，在不能保证植物温度适宜以及光照充足的条件下，水分充足也不能使植物健康生长。绝大多数植物都要进行光合作用，但是植物所需的光照也是有限度的。传统的自动养花装置多为安装在花盆外部或花盆中，装置自身并不能移动，因此在光照足够时不能将植物移植阴凉处，导致植物因太阳暴晒而失去水分或者由于暴晒导致温度升高而枯萎。由此，传统自动养花装置功能的单一以及不能移动的缺点使其养花效果并不十分理想。此外，不同植物对温度、湿度、光照等环境因素的需求不同。因此，本发明智能养花机器人将三种植物所需养料有机结合，智能识别花的类别，为自动养花提供了一个新的方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种智能养花机器人及其控制方法。
本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种智能养花机器人，包括载体模块、环境状态检测模块、供水模块、电磁阀驱动模块、A/D转换器、边缘计算处理器、光伏控制器；
所述载体模块包括智能载体、支架以及平台板；所述智能载体内部放置蓄电池为智能载体进行供电，待测植物放置于智能载体上，智能载体和平台板通过支架固定连接，平台板上放置A/D转换器、边缘计算处理器和光伏控制器；
所述环境状态检测模块包含光传感器、温湿度传感器、光伏板以及摄像头；所述光传感器均匀放置在待测植物所在花盆边沿，其输出端连接所述A/D转换器的输入端；所述温湿度传感器放置在花盆内部，其输出端连接所述边缘计算处理器和智能载体的输入端；所述光伏板连接所述光伏控制器的输入端，固定在智能载体上并以花盆为圆心均匀分布，所述摄像头的输出端连接边缘计算处理器的输入端，并固定在与待测植物呈同一水平线的支架处，；
所述供水模块包括水袋和水管，所述水袋固定在载体模块中的支架上，水袋出水口连接所述电磁阀驱动模块的输入端，电磁阀输出端连接水管，水管放置在花盆内部供植物浇水；
所述电磁阀驱动模块控连接至供水模块出水口，其输入端连接水袋出水口，其输出端连接水管，控制供水模块对待测植物进行浇水；
所述A/D转换器的输入端连接所述光传感器的输出端，A/D转换器的输出端连接智能载体；
所述边缘计算处理器输入端连接温湿度传感器的输出端，其输出端连接电磁阀驱动模块；
所述光伏供电器的输入端连接光伏板，输出端连接智能载体和蓄电池；
所述智能载体采用六足仿生设计，智能载体的每个机械足包含三个自由度，顶部实现360°无限制旋转，并且包含整套软件开发工具包，3D模拟器，移动端应用以及与之配套的充电设备；
另一方面，一种智能养花机器人控制方法，通过前述智能养花机器人实现：包括以下步骤：
步骤1：摄像头采集植物图像传送至边缘计算处理器，边缘计算处理器根据图像识别算法对植物种类进行识别；
步骤2：温湿度传感器检测植物湿度数字信号Hi并传送至边缘计算处理器；若检测到的植物湿度Hi大于湿度设定值H，则边缘计算处理器无需发出动作信号至电磁阀驱动模块；若检测到的植物湿度Hi小于湿度设定值H，边缘计算处理器发出动作信号至电磁阀驱动模块，电磁阀驱动模块控制阀门通断对植物进行浇水；
步骤3：温湿度传感器和光传感器分别检测植物所处环境的温度数字信号T和各方向的光照强度信号Li并传送至智能载体；
若全部方向光照强度数字信号均小于设定值L，则智能载体向光照强度较高的地方移动；若全部方向光照强度数字信号均大于设定值L，则智能载体向光照强度较低的地方移动；若检测到的植物某方向光照强度信号小于光照强度设定值L，则智能载体向该方向光照强度增大的方向移动；若检测到的植物某方向的光照强度信号大于光照强度设定值L，则考虑温度对植物生长的影响，设定适宜温度范围为(T1，T2)，若检测温度T大于设定最大温度T2，则智能载体向该方向光传感器的反方向移动；若检测温度T小于设定最大温度T2，则智能载体不移动。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)快速响应性
植物生长需要维持在光照和水分充足、温度适宜的条件下。当光照、温度和水分不能满足植物生长的条件时，植物就会处于不良的生长情况中，长时间处于这种生长条件下的植物就会逐渐枯萎死亡。本发明智能养花机器人可以在生长条件出现异常的第一时间给出动作，通过迅速移动至光照处或浇水来维持植物的健康生长环境。
(2)运行成本低
在享受智能养花机器人便利的同时，也要考虑到整个装置的成本。本发明所使用的传感器性价比较高，并且智能载体的充电时长仅为2.5小时，节省运行成本。
(3)灵活度高
智能载体采用六足仿生设计，可适应多种地形。当植物的光照不足时，经光传感器检测后可灵活移动至光照强度高的地方。在向光照强度高的地区移动时，智能载体可发挥其灵活度高的特点，确保植物得到充足的光照。
(4)集多种功能于一体
传统的自动养花装置大多只能自动浇水，然而植物的健康生长并不只依靠水分，而是多种条件共同作用的结果，光照强度和温度两种也应该被考虑在内。本发明利用温度、湿度、光照强度三种传感器对于不同的植物资源进行监测，进行生长条件的综合考虑，比传统的自动养花系统功能更加强大，更加的智能化，合理化。
根据以上智能养花机器人的优点可以看出，植物所需要的最重要的三种生长条件缺一不可，需要将三种因素都考虑在内，并且要能够及时检测出不利于植物生长的条件并对此做出反应，消除不利条件。另外，在运行成本上也要做出考虑，发明的初衷是给人带来便利，如果在成本上负担过重，那么智能养花也就失去了意义。综上所述，将智能载体和浇水系统相结合是本发明的思路来源，而智能载体可以负载重物的特点使其与浇水系统相结合的目标具有极强的可行性，本发明从这些因素出发，综合考虑器件选型、控制方法等多个方面问题，从而实现智能养花。
附图说明
图1为本发明智能养花机器人装置图；
图2为本发明硬件结构框图；
图3为本发明实施例边缘计算处理器ARM7LPC2138电路原理图；
图4为本发明实施例摄像头原理图；
图5为本发明实施例SHT20温湿度传感器接线原理图；
图6为本发明实施例环境状态检测模块光传感器电路与A/D转换模块接线原理图；
图7为本发明实施例ZCT-6电磁阀驱动模块电路原理图；
图8为本发明实施例光伏供电模块原理图；
图9为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一方面，本发明提供一种智能养花机器人，如图1、图2所示，包括载体模块、环境状态检测模块、供水模块、电磁阀驱动模块、A/D转换器、边缘计算处理器、光伏控制器；
本实施例中温湿度传感器选用SHT20温湿度传感器；光传感器选用F5环保型光敏电阻；边缘计算处理器选用ARM7LPC2138；电磁阀选用ZCT-6微型电磁阀，运放选用LM741，三极管选用S8050；摄像头选用OV7670摄像头；光伏充电模块选用18V光伏板、12V小型太阳能蓄电池、12V光伏控制器；稳压器选用PAM3101DAB18芯片。
所述载体模块包括智能载体、支架以及平台板；所述智能载体内部放置蓄电池为智能载体进行供电，待测植物放置于智能载体上，智能载体和平台板通过支架固定连接，平台板上放置A/D转换器、边缘计算处理器和光伏控制器；
所述环境状态检测模块包含光传感器、温湿度传感器、光伏板以及摄像头；所述光传感器均匀放置在待测植物所在花盆边沿，其输出端连接所述A/D转换器的输入端；所述温湿度传感器放置在花盆内部，其输出端连接所述边缘计算处理器和智能载体的输入端；所述光伏板连接所述光伏控制器的输入端，固定在智能载体上并以花盆为圆心均匀分布，所述摄像头的输出端连接边缘计算处理器的输入端，并固定在与待测植物呈同一水平线的支架处；
其中边缘计算处理器ARM7LPC2138电路原理图如图3所示，摄像头原理图如图4所示，包括OV7670摄像头和稳压器PAM3101DAB18芯片。其中D0-D7为摄像头OV7670的输出，分别连接边缘计算处理器ARM7LPC2138的输入端19、21、22、26、27、29、30、31号管脚。DVDD引脚为数字电源引脚，须由+1.8V的VCC供电，采用PAM3101DAB18芯片稳压得到+1.8V电源。RESET引脚通过10kΩ上拉电阻连接VCC初始化所有寄存器到默认值，AGND和DOGND引脚分别为模拟地和数字地引脚；温湿度传感器SHT20的输出端2号管脚和3号管脚连接边缘计算处理器LPC2138的输入端12号管脚P1.17和8号管脚P1.18，处理器LPC2138的输出端16号管脚P1.16连接保护电阻R3，当P1口作通用I/O接口时，要使高电平正常输出，必须外接上拉电阻R4。三极管S8050放大信号并起开关作用控制继电器的吸合，继电器驱动电磁阀控制浇水。光传感器组成的放大电路中，运放LM741的输出端6号管脚连接模数转换器ADC输入端2号管脚，模数转换器ADC输出端14号管脚连接智能载体，实现了整个硬件装置的连接。
环境状态检测模块SHT20温湿度传感器接线原理图如图5所示，温湿度传感器SHT20的推荐供电电压为3V。电源(VDD)与GND之间需要连接一个100nF的去耦电容，并且电容位置应该尽量靠近传感器。SCL用于边缘计算处理器LPC2138与传感器之间的通讯同步。由于接口包含完全静态逻辑，因此不存在最小SCL频率。SDA引脚用于传感器的数据输入和输出。当向传感器发送命令时，SDA在串行时钟(SCL)的上升沿有效，并且当SCL为高电平时，SDA必须保持稳定。为了避免信号冲突，处理器LPC2138必须只能驱动SDA和SCL在低电平。需要一个外部上拉电阻将信号拉至高电平。
环境状态检测模块光传感器电路与A/D转换模块接线原理图如图6所示，本发明光传感器采用光敏电阻组成的放大电路检测，由电阻R1，光敏电阻R2，电容C1、C2，运放组成。电容C2采用10μF低漏感电容。考虑到光敏电阻的功耗和发热，将电阻R1与光敏电阻组成分压电路。运放选用LM741，+5V电压给运放LM741供电。光敏电阻阻值与光照强度成线性关系，因此可把流过光敏电阻的电流转化为电压信号。LM741将信号放大，之后将模拟电压信号通过AD模数转换器转换为数字信号传送给边缘计算处理器LPC2138，由LPC2138读出光照强度信号。
所述供水模块包括水袋和水管，所述水袋固定在载体模块中的支架上，水袋出水口连接所述电磁阀驱动模块的输入端，电磁阀输出端连接水管，水管放置在花盆内部供植物浇水；
所述电磁阀驱动模块控连接至供水模块出水口，其输入端连接水袋出水口，其输出端连接水管，控制供水模块对待测植物进行浇水；
ZCT—6电磁阀驱动模块电路原理图如图7所示，利用处理器ARM7LPC2138控制继电器，再利用继电器控制电磁阀。该模块包括电阻R1，NPN三极管S8050，继电器，电磁阀。三极管基极电阻R1作为保护电阻。三极管S8050起开关作用，当处理器LPC2138给出高电平信号时，三极管导通使继电器吸合，继电器进而控制电磁阀导通，使水通过水管从水袋中流出给植物浇水；反之，若LPC2138给出低电平，则三极管无法导通，继电器无法吸合，电磁阀也不导通，无法给植物浇水。
所述A/D转换器的输入端连接所述光传感器的输出端，A/D转换器的输出端连接智能载体；
所述边缘计算处理器输入端连接温湿度传感器的输出端，其输出端连接电磁阀驱动模块；
所述光伏供电器的输入端连接光伏板，输出端连接智能载体和蓄电池；光伏供电模块原理图如图8所示，在本发明中采用并联型控制器，也称旁路型控制器，利用并联在光伏板两端的电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻上以热的形式消耗掉。其中光伏控制器具有防止蓄电池过充电和过放电的功能；蓄电池的电压要小于光伏板的输出电压才可以保证蓄电池的正常充电。本发明中光伏供电模块中蓄电池放在智能载体内，保证在智能载体电量耗尽的情况下也可以正常工作，并且摄像头也由光伏供电模块供电。
所述智能载体采用六足仿生设计，智能载体的每个机械足包含三个自由度，顶部实现360°无限制旋转，并且包含整套软件开发工具包，3D模拟器，移动端应用以及与之配套的充电设备；
另一方面，一种智能养花机器人控制方法，通过前述智能养花机器人实现：如图9所示，包括以下步骤：
步骤1：摄像头采集植物图像传送至边缘计算处理器，边缘计算处理器根据图像识别算法对植物种类进行识别；
步骤2：温湿度传感器检测植物湿度数字信号Hi并传送至边缘计算处理器；若检测到的植物湿度Hi大于湿度设定值H，则边缘计算处理器无需发出动作信号至电磁阀驱动模块；若检测到的植物湿度Hi小于湿度设定值H，边缘计算处理器发出动作信号至电磁阀驱动模块，电磁阀驱动模块控制阀门通断对植物进行浇水；
步骤3：温湿度传感器和光传感器分别检测植物所处环境的温度数字信号T和各方向的光照强度信号Li并传送至智能载体；
若全部方向光照强度数字信号均小于设定值L，则智能载体向光照强度较高的地方移动；若全部方向光照强度数字信号均大于设定值L，则智能载体向光照强度较低的地方移动；若检测到的植物某方向光照强度信号小于光照强度设定值L，则智能载体向该方向光照强度增大的方向移动；若检测到的植物某方向的光照强度信号大于光照强度设定值L，则考虑温度对植物生长的影响，设定适宜温度范围为(T1，T2)，若检测温度T大于设定最大温度T2，则智能载体向该方向光传感器的反方向移动；若检测温度T小于设定最大温度T2，则智能载体不移动。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种智能养花机器人，其特征在于：包括载体模块、环境状态检测模块、供水模块、电磁阀驱动模块、A/D转换器、边缘计算处理器、光伏控制器；
所述载体模块包括智能载体、支架以及平台板；所述智能载体内部放置蓄电池为智能载体进行供电，待测植物放置于智能载体上，智能载体和平台板通过支架固定连接，平台板上放置A/D转换器、边缘计算处理器和光伏控制器；
所述环境状态检测模块包含光传感器、温湿度传感器、光伏板以及摄像头；所述光传感器均匀放置在待测植物所在花盆边沿，其输出端连接所述A/D转换器的输入端；所述温湿度传感器放置在花盆内部，其输出端连接所述边缘计算处理器和智能载体的输入端；所述光伏板连接所述光伏控制器的输入端，固定在智能载体上并以花盆为圆心均匀分布，所述摄像头的输出端连接边缘计算处理器的输入端，并固定在与待测植物呈同一水平线的支架处，；
所述供水模块包括水袋和水管，所述水袋固定在载体模块中的支架上，水袋出水口连接所述电磁阀驱动模块的输入端，电磁阀输出端连接水管，水管放置在花盆内部供植物浇水；
所述电磁阀驱动模块控连接至供水模块出水口，其输入端连接水袋出水口，其输出端连接水管，控制供水模块对待测植物进行浇水；
所述A/D转换器的输入端连接所述光传感器的输出端，A/D转换器的输出端连接智能载体；
所述边缘计算处理器输入端连接温湿度传感器的输出端，其输出端连接电磁阀驱动模块；
所述光伏供电器的输入端连接光伏板，输出端连接智能载体和蓄电池。
2.根据权利要求1所述的一种智能养花机器人，其特征在于：
所述智能载体采用六足仿生设计，智能载体的每个机械足包含三个自由度，顶部实现360°无限制旋转，并且包含整套软件开发工具包，3D模拟器，移动端应用以及与之配套的充电设备。
3.一种智能养花机器人控制方法，通过权利要求1所述一种智能养花机器人实现，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：摄像头采集植物图像传送至边缘计算处理器，边缘计算处理器根据图像识别算法对植物种类进行识别；
步骤2：温湿度传感器检测植物湿度数字信号Hi并传送至边缘计算处理器；若检测到的植物湿度Hi大于湿度设定值H，则边缘计算处理器无需发出动作信号至电磁阀驱动模块；若检测到的植物湿度Hi小于湿度设定值H，边缘计算处理器发出动作信号至电磁阀驱动模块，电磁阀驱动模块控制阀门通断对植物进行浇水；
步骤3：温湿度传感器和光传感器分别检测植物所处环境的温度数字信号T和各方向的光照强度信号Li并传送至智能载体；
若全部方向光照强度数字信号均小于设定值L，则智能载体向光照强度较高的地方移动；若全部方向光照强度数字信号均大于设定值L，则智能载体向光照强度较低的地方移动；若检测到的植物某方向光照强度信号小于光照强度设定值L，则智能载体向该方向光照强度增大的方向移动；若检测到的植物某方向的光照强度信号大于光照强度设定值L，则考虑温度对植物生长的影响，设定适宜温度范围为(T1，T2)，若检测温度T大于设定最大温度T2，则智能载体向该方向光传感器的反方向移动；若检测温度T小于设定最大温度T2，则智能载体不移动。
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