CN110771483A - 一种自动灌溉机器人系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能机器人技术领域。一种自动灌溉机器人系统，包括设置在机器人上的机器人控制模块、设置在待灌溉土壤上的土壤湿度检测模块；机器人控制模块包括第一单片机、移动控制模块、供水模块、水量检测模块和第一无线数据传输模块；移动控制模块、供水模块、水量检测模块和第一无线数据传输模块均与第一单片机连接；土壤湿度检测模块包括第二单片机、土壤湿度传感器、LCD显示屏和第二无线数据传输模块；土壤湿度传感器、LCD显示屏和第二无线数据传输模块均与第二单片机连接；土壤湿度传感器包括若干个并分别插在待灌溉土壤的不同区域中采集土壤湿度信息。本发明自动化程度高、操作方便且能进行分区灌溉。

Description

一种自动灌溉机器人系统及其控制方法

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种自动灌溉机器人系统及其控制方法。

背景技术

近年来随着科技的快速发展，人们对农业技术重视度已经渐渐的提高，而灌溉是农业必不可少的环节。传统的灌溉方法对劳动力需求量大，不仅会出现灌水滞后、灌水不均、灌水不足或过度灌水现象，还导致水资源的浪费问题。在科技发达年代农业中最潮流的灌溉方法是自动化灌溉，自动灌溉机器人是具有检测土壤湿度和灌溉的功能，不仅可以准确、及时、适量地进行灌溉工作，减少了灌溉的人工劳动力，在大幅提高用水效率的同时还降低劳动力成本，提高了农作物产量与农业的生产效益等，因此对自动灌溉机器人系统研究是必不可少的。

当前自动灌溉机器人系统的研究成果虽然很突出，但都是大面积的进行灌溉，分小区域灌溉机器人还未有，导致农作物得不得较好的灌溉，并且灌溉时费时费力，造成水资源浪费。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种自动化程度高、操作方便且能进行分区灌溉的自动灌溉机器人系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种自动灌溉机器人系统，包括设置在机器人上的机器人控制模块、设置在待灌溉土壤上的土壤湿度检测模块；所述机器人控制模块包括第一单片机、移动控制模块、供水模块、水量检测模块和第一无线数据传输模块；所述移动控制模块、供水模块、水量检测模块和第一无线数据传输模块均与第一单片机连接；所述土壤湿度检测模块包括第二单片机、土壤湿度传感器、LCD显示屏和第二无线数据传输模块；所述土壤湿度传感器、LCD显示屏和第二无线数据传输模块均与第二单片机连接；所述第一无线数据传输模块与所述第二无线数据传输模块连接；所述土壤湿度传感器包括若干个并分别插在待灌溉土壤的不同区域中采集土壤湿度信息。

进一步的，所述机器人包括车架，所述车架底部设有万向轮和两驱动轮。

进一步的，所述移动控制模块包括红外寻迹模块、直流驱动电机和RFID模块；所述红外寻迹模块安装在车架底部最前端；两所述驱动轮分别与直流驱动电机连接；所述RFID模块安装在车架前部；待灌溉土壤的不同区域中分别设置有卡号不同的RFID标签卡。

进一步的，所述水量检测模块包括称重模块和压力传感，所述水量检测模块安装在所述车架上的中间位置，所述水箱安装在所述水量检测装置的上方，所述水量检测模块用于检测水箱内的水量。

进一步的，所述供水模块包括水箱、第一继电器、第二继电器、第一水泵和第二水泵；所述第一继电器和第二继电器分别与所述第一单片机连接，所述第一继电器与第一水泵连接，所述第二继电器与第二水泵连接，所述第一水泵设置在所述水箱内，所述第二水泵设置在所述水箱的上方；所述供水模块根据第一单片机的控制信息控制第一继电器和第二继电器的启动或停止。

进一步的，所述第一无线数据传输模块和第二无线数据传输模块均为HC-06蓝牙模块。

一种自动灌溉机器人的控制方法，包括如下步骤：

(1)土壤湿度传感器对土壤进行土壤的湿度值采集，并通过第一单片机把采集到的值与设定值进行对比；

(2)若测到的待灌溉土壤某区域的土壤湿度值高于设定值时，则通过第一无线数据传输模块将把该区域的信号经第二无线数据传输模块传送到机器人，机器人接收到该信号，先通过水量检测模块检测水箱内的储水量，当检测到水箱内的储水量不足时，启动第二水泵将水抽进水箱；若水箱内水量充足时，则启动直流驱动电机，使用巡线的方式移动机器人，采用 RFID模块勘测相应停止位置,检测到该区域的RFID标签卡后，控制机器人停止移动，通过第一继电器启动第一水泵进行灌溉工作；

(3)若测到的土壤湿度值低于设定值时，第一无线数据传输模块将把该区域的信号经第二无线数据传输模块传送到机器人，控制第一继电器关闭第一水泵使机器人停止灌溉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的自动灌溉机器人系统自动化程度高、操作方便且能进行分区灌溉。通过将土壤湿度传感器插在待灌溉土壤的不同区域中采集土壤湿度信息，利用土壤湿度传感器采集和检测泥土的湿度，若测到待灌溉土壤的某区域土壤的湿度值高于设定值时，则通过第一无线数据传输模块将把该区域的信号经第二无线数据传输模块传送到机器人，触发移动控制模块带动机器人通过巡线的方式行驶到相应的位置执行灌溉任务，若测到的土壤湿度值低于设定值时，则通过第二无线数据传输模块传送到机器人，控制第一继电器关闭第一水泵使机器人停止灌溉。

本发明能够实施精准浇水，节约了水资源，提高了水资源的利用水平，还能节省人力成本和时间成本，提高了灌溉工作的智能化水平。

附图说明

图1是本发明一种自动灌溉机器人系统的整体结构框图；

图2是本发明机器人的结构示意图；

图3是本发明红外寻迹模块的电路连线框图；

图4是本发明L298N驱动的电路图；

图5是本发明供水模块的电路连线框图；

图6是本发明水量检测模块的电路连线框图；

图7是本发明土壤湿度传感器电路图；

图8是本发明土壤湿度检测模块的电路图；

图9是本发明自动灌溉机器人的控制方法的总体流程图；

图10是本发明移动模块的控制流程图；

图11是本发明水量检测模块的控制流程图。

其中：1-车架；2-万向轮；3-驱动轮；4-水箱；5-第一水泵；6-第二水泵。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。需要说明的是，本发明的具体实施例只是为了能更清楚的描述技术方案，而不能作为本发明保护范围的一种限制。

请参阅图1-图8，一种自动灌溉机器人系统，包括设置在机器人上的机器人控制模块、设置在待灌溉土壤上的土壤湿度检测模块；机器人控制模块包括第一单片机、移动控制模块、供水模块、水量检测模块和第一无线数据传输模块；移动控制模块、供水模块、水量检测模块和第一无线数据传输模块均与第一单片机连接；土壤湿度检测模块包括第二单片机、土壤湿度传感器、LCD显示屏和第二无线数据传输模块；土壤湿度传感器、LCD显示屏和第二无线数据传输模块均与第二单片机连接；第一无线数据传输模块与第二无线数据传输模块连接；土壤湿度传感器包括若干个并分别插在待灌溉土壤的不同区域中采集土壤湿度信息。

本发明的自动灌溉机器人系统自动化程度高、操作方便且能进行分区灌溉。通过将土壤湿度传感器插在待灌溉土壤的不同区域中采集土壤湿度信息，利用土壤湿度传感器采集和检测泥土的湿度，若测到待灌溉土壤的某区域土壤的湿度值高于设定值时，则通过第一无线数据传输模块将把该区域的信号经第二无线数据传输模块传送到机器人，触发移动控制模块带动机器人通过巡线的方式行驶到相应的位置执行灌溉任务，若测到的土壤湿度值低于设定值时，则通过第二无线数据传输模块传送到机器人，控制第一继电器关闭第一水泵使机器人停止灌溉。

机器人包括车架1，车架1底部设有万向轮2和两驱动轮3。如图2所示为机器人的简单结构示意图，车架1前面为两个轮子，后面为一个轮子，三轮移动装置具有一定的稳定性，不仅结构简单，与地面的接触较好，是轮式移动机构里常用的结构。机器人移动的方向由前面两个直流驱动电机决定，利用两个直流驱动电机正反转来控制机器人的转向。前面两个轮子是运用直流驱动电机对两个轮子进行单独驱动，而后面的轮子是万向轮2，无驱动力，主要起到支撑的作用，可以自由转动。

由于自动灌溉机器人的设计上采用了多个传感器，需要大量的串口进行连接，因此选择 Arduino MEGA 2560控制板作为自动灌溉机器人的第一单片机的主控板，控制板具有54个串口，适合需要大量串口的设计。而土壤湿度检测模块只用到土壤湿度传感器、LCD显示屏和蓝牙模块，运用少量的I/O串口，因此选择Arduino UNO控制板作为第二单片机的分控板，与Arduino MEGA 2560控制板相比下Arduino UNO控制板的串口较少，只有20个串口接口，土壤湿度检测模块用到的传感器较少，不影响使用。

移动控制模块包括红外寻迹模块、直流驱动电机和RFID模块；红外寻迹模块安装在车架 1底部最前端，红外寻迹模包括设置在车架1底部最前端左、中、右位置的左边红外传感器、中间红外传感器和右边红外传感器；两驱动轮3分别与直流驱动电机连接；RFID模块安装在车架1前部；待灌溉土壤的不同区域中分别设置有卡号不同的RFID标签卡。红外寻迹模块的型号采用TCRT5000红外寻迹模块，待测土壤的各区域通过黑线区分，红外寻迹模块的主要工作是检测黑白线，使机器人沿着黑线行驶，图3为红外寻迹模块的连线框图。一般地，红外寻迹传感器距离地面的最佳测量距离是3～8mm，因此将红外寻迹模块安装在机器人车架1底盘最前端的底部，使传感器接近地面的距离，不会阻挡到红外寻迹模块对黑线的检测，能保证机器人正确的沿着黑线行驶。

RFID模块在机器人中所要完成的任务是控制车子执行停止动作，将RFID模块安装在机器人车架1底盘下前方部位，在红外寻迹模块的上方，因其他部件不会阻挡到RFID模块来读取RFID标签，每一个区域的RFID标签卡卡号都不同，若机器人收到第一个区域需要灌溉的信号时，机器人则通过巡线的方式行驶，当机器人身上RFID模块检测到第一个区域的RFID 标签时，机器人停止行驶，并驱动第一水泵5进行浇灌。RFID模块的引脚分析表如表1所示。

表1

RFID模块	MEGA 2560控制板
		VCC	接电源正极3.3v
MISO	50号接口
		MOSI	51号接口
SCK	52号接口
		RST	53号接口
GND	接地

本实施例中，自动灌溉机器人前两个直流驱动电机的转向是由L298N电机驱动模块通过输出高低电平来控制的，图4为L298N驱动的电路图，内部共有2个H桥式驱动器，D1到D8是用于保护内部三极管的续流二极管。C1、C2、C3和C4是滤波电容，防止一些电流不稳定带来的干扰，100uf电容是吸收低频干扰，0.1uf电容是吸收高频脉冲干扰。L298芯片IN1～IN4引脚分别外接到控制板上的26～29I/O接口，表2为驱动模块的控制方式和直流电机运转状态表,表中的“0”表示低电平，“1”表示高电平。

表2

ENA	IN1	IN2	直流驱动电机运转状态
				1	1	1	正转
1	0	1	反转
				1	0	0	快速停止
0	0	0	停止

供水模块包括水箱4、第一继电器、第二继电器、第一水泵5和第二水泵6；第一继电器和第二继电器分别与第一单片机连接，第一继电器与第一水泵5连接，第二继电器与第二水泵6连接，第一水泵5设置在水箱4内，第二水泵6设置在水箱4的上方；供水模块根据第一单片机的控制信息控制第一继电器和第二继电器的启动或停止。供水控制模块主要器件有继电器和水泵，接线框图如图5所示。供水模块选择了无刷直流水泵，和有刷水泵相比下，无刷水泵使用寿命比有刷水泵使用寿命长。通过继电器来控制水泵的通电和断电，实现水泵抽水的功能，采用了两个无刷水泵和两个继电器，一个用于抽水给植物灌溉，另一个用于抽水进入水箱4中，将抽水灌溉的水泵放置于水箱4中，而抽水进入水箱4的水泵安装在水箱 4上方。水箱4采用透明塑料材质制成也便于直观观察水箱4水量。

水量检测模块包括称重模块和压力传感，水量检测模块安装在车架1上的中间位置，水箱4安装在水量检测装置的上方，水量检测模块用于检测水箱4内的水量。用LCD液晶屏显示器显示水箱4的水量，低于最低重量时，则启动第二水泵6抽水进入水箱4，避免水量过低造成第一水泵5空转而烧坏的现象和无法对植物进行灌溉，水量检测模块连线框图如图6 所示，称重模块采用HX711模块，使用HX711模块与电阻应变式压力传感器和固定支架组成一个类似电子秤装置，将水量检测装置安装在机器人底板上的中间位置，水箱4则安装在水量检测装置上方。

本实施例中，土壤湿度传感器采用YL-69土壤湿度传感器，用于采集和检测土壤的水分， YL-69土壤湿度传感器，它是由不锈钢探头和防水探头构成，可以长时间的埋在土中。本实施例采用了4个土壤湿度传感器，主要将土壤湿度传感器安装在不同区域的泥土里面，利用杜邦线和控制板连接，用LCD液晶屏显示出检测到的湿度，土壤湿度传感器电路图如图7所示，图中J1是插在土壤里的探头，AC口是用来采集电压的压值，当土壤湿度低时，探头之间电阻接近无穷大，反之土壤湿度大时，探头之间电阻则减小，AC的电压则会变化。LM393 为一个比较器，可以通过R4设定一个设定值，D1为开关提示LED，当湿度大于设定值时，OUT 输出高电平，D1开关指示灯亮，反之，输出低电平，D1开关指示灯灭。D2是电源提示LED，上电后自动亮起。

第一无线数据传输模块和第二无线数据传输模块均采用HC-06蓝牙模块进行信号传输。目前科技研究实验中采用最多的一个技术是无线数据传输，比如NRF24L01无线模块和红外技术。按无线传输价格和编写程序难易的选择，选择了HC-06蓝牙串口透传模块，蓝牙模块引脚分析表如表3所示，蓝牙模块体积小、价位低，还是透明传输，原封不动的把数据从发送端传输到接收端，如同一个数据的搬运工，因此选用了HC-06蓝牙模块，HC-06蓝牙模块的作用是传输信号，土壤湿度检测系统检测到某个区域土壤水分过低需要浇灌时，通过HC-06 蓝牙模块发送需要浇灌的信号给机器人，机器人通过HC-06蓝牙模块接收此信号后，则控制电机工作移动到需要灌溉的区域。

表3

蓝牙模块	控制板
		VCC	接电源正极5V
TX	17号接口
		RX	16号接口
GND	接地

本实施例中，土壤湿度检测主要是分为四个不同区域进行检测，土壤湿度传感器一、土壤湿度传感器二、土壤湿度传感器三和土壤湿度传感器四分别对应插在上述四个不同区域的土壤中，整体连线框图如图8所示。通过Arduino UNO控制板控制每个区域的土壤湿度传感器循环对土壤进行信息采集，并且通过LCD显示屏显示出每个区域的湿度，同时Arduino UNO 控制板将采集到的土壤湿度值和设定预置阀值进行比较，如若Arduino UNO控制板判断到某个区域的土壤湿度值高于设定值，那么通过无线数据传输模块把信息传送给机器人，机器人收到信息后直流驱动电机通过巡线方式移动，当检测到该区域所对应的ID标签卡时机器人停止移动，进行浇灌工作。若Arduino UNO控制板判断到该区域土壤湿度值低于设定值时，表明机器人已经给该区域进行灌溉，并且该区域的土壤水分已经适合，并通过无线数据传输发送信号给机器人，让机器人停止灌溉。

一种自动灌溉机器人的控制方法，包括如下步骤：

(1)土壤湿度传感器对土壤进行土壤的湿度值采集，并通过第一单片机把采集到的值与设定值进行对比；

(2)若测到的待灌溉土壤某区域的土壤湿度值高于设定值时，则通过第一无线数据传输模块将把该区域的信号经第二无线数据传输模块传送到机器人，机器人接收到该信号，先通过水量检测模块检测水箱4内的储水量，当检测到水箱4内的储水量不足时，启动第二水泵 6将水抽进水箱4；若水箱4内水量充足时，则启动直流驱动电机，使用巡线的方式移动机器人，采用RFID模块勘测相应停止位置,检测到该区域的RFID标签卡后，控制机器人停止移动，通过第一继电器启动第一水泵进行灌溉工作；

(3)若测到的土壤湿度值低于设定值时，第一无线数据传输模块将把该区域的信号经第二无线数据传输模块传送到机器人，控制第一继电器关闭第一水泵使机器人停止灌溉。

另外，移动模块由3个红外寻迹模块、直流驱动电机和一个RFID模块组成，起到核心控制作用，移动模块具体控制流程图如图9所示。主要是用于控制器人以巡线方式移动到待灌溉土壤的相应位置，以便机器人完成工作，其中还运用到了RFID模块，主要作用是用于勘测机器人是否到达需要灌溉的区域，使机器人停止在相应的位置进行灌溉。

水量检测模块的具体控制流程图如图10所示，主要是用来检测水箱4里的水量，防止水箱4储水量不足，无法对需要灌溉的区域进行灌溉。

土壤湿度检测模块的控制流程图如图11所示，机器人控制模块和土壤湿度检测模块之间通信是由两HC-06蓝牙模块进行的，而土壤湿度传感器用来检测土壤的湿度，在整个系统中起到重要作用，通过土壤湿度传感器对土壤的进行定点监测，防止土壤水分过低，导致农作物出现缺水状态。另外若无线数据传输模块坏掉，那机器人将无法收到土壤湿度检测系统传送的信号，则无法给缺水的区域进行灌溉，因此无线数据传输模块和土壤湿度传感器是较为重要的组成部分。湿度传感器测到的数值越小，湿度越高，反之数值越高，湿度越低。湿度在300～600之间的泥土是比较合适，土壤处于不缺水状态，不需要浇灌，而当湿度高于600 时的泥土较为干燥，土壤水分缺失，需要浇灌。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (7)

1.一种自动灌溉机器人系统，包括设置在机器人上的机器人控制模块、设置在待灌溉土壤上的土壤湿度检测模块；其特征在于：所述机器人控制模块包括第一单片机、移动控制模块、供水模块、水量检测模块和第一无线数据传输模块；所述移动控制模块、供水模块、水量检测模块和第一无线数据传输模块均与第一单片机连接；所述土壤湿度检测模块包括第二单片机、土壤湿度传感器、LCD显示屏和第二无线数据传输模块；所述土壤湿度传感器、LCD显示屏和第二无线数据传输模块均与第二单片机连接；所述第一无线数据传输模块与所述第二无线数据传输模块连接；所述土壤湿度传感器包括若干个并分别插在待灌溉土壤的不同区域中采集土壤湿度信息。

2.根据权利要求1所述的一种自动灌溉机器人系统，其特征在于：所述机器人包括车架，所述车架底部设有万向轮和两驱动轮。

3.根据权利要求2所述的一种自动灌溉机器人系统，其特征在于：所述移动控制模块包括红外寻迹模块、直流驱动电机和RFID模块；所述红外寻迹模块安装在车架底部最前端；两所述驱动轮分别与直流驱动电机连接；所述RFID模块安装在车架前部；待灌溉土壤的不同区域中分别设置有卡号不同的RFID标签卡。

4.根据权利要求2所述的一种自动灌溉机器人系统，其特征在于：所述水量检测模块包括称重模块和压力传感，所述水量检测模块安装在所述车架上的中间位置，所述水箱安装在所述水量检测装置的上方，所述水量检测模块用于检测水箱内的水量。

5.根据权利要求1所述的一种自动灌溉机器人系统，其特征在于：所述供水模块包括水箱、第一继电器、第二继电器、第一水泵和第二水泵；所述第一继电器和第二继电器分别与所述第一单片机连接，所述第一继电器与第一水泵连接，所述第二继电器与第二水泵连接，所述第一水泵设置在所述水箱内，所述第二水泵设置在所述水箱的上方；所述供水模块根据第一单片机的控制信息控制第一继电器和第二继电器的启动或停止。

6.根据权利要求1所述的一种自动灌溉机器人系统，其特征在于：所述第一无线数据传输模块和第二无线数据传输模块均为HC-06蓝牙模块。

7.一种自动灌溉机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)土壤湿度传感器对土壤进行土壤的湿度值采集，并通过第一单片机把采集到的值与设定值进行对比；

(2)若测到的待灌溉土壤某区域的土壤湿度值高于设定值时，则通过第一无线数据传输模块将把该区域的信号经第二无线数据传输模块传送到机器人，机器人接收到该信号，先通过水量检测模块检测水箱内的储水量，当检测到水箱内的储水量不足时，启动第二水泵将水抽进水箱；若水箱内水量充足时，则启动直流驱动电机，使用巡线的方式移动机器人，采用RFID模块勘测相应停止位置,检测到该区域的RFID标签卡后，控制机器人停止移动，通过第一继电器启动第一水泵进行灌溉工作；

(3)若测到的土壤湿度值低于设定值时，第一无线数据传输模块将把该区域的信号经第二无线数据传输模块传送到机器人，控制第一继电器关闭第一水泵使机器人停止灌溉。

Images