CN207966027U

CN207966027U - 一种现代农业智能巡检系统

Info

Publication number: CN207966027U
Application number: CN201820381934.8U
Authority: CN
Inventors: 王新宇; 王禹昕; 唐仁卿
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2028-03-20

Abstract

本实用新型公开了一种现代农业智能巡检系统，其包括巡检车、引导轨道和充电组件；巡检车包括车体，车体上设置有与驱动轮相连接的直流电机，直流电机通过电机驱动器和正交编码器与主控制器电连接；车体的底部设置有霍尔传感器和磁场传感器；车体上设置有声光报警器和机械臂，机械臂上设置有温湿度传感器；车体的前端设置有摄像头和超声波传感器，摄像头与树莓派电脑电连接；温湿度传感器和树莓派电脑分别与GPRS通信模块相连接；车体内设置有与GPRS通信模块、主控制器和树莓派电脑电连接的电源模块；引导轨道上设置有多谐振荡器和永磁体。本实用新型有效降低了使用成本和维护成本，并降低了农田检测的操作复杂度。

Description

一种现代农业智能巡检系统

技术领域

本实用新型涉及农田检测领域，具体涉及一种现代农业智能巡检系统。

背景技术

21世纪以来，特别是最近几年，农田灌溉自动控制技术在不断进步，而数据采集是灌溉控制系统的核心问题，国外在灌溉控制方面发展起步早，自动化程度较高，已形成了比较完善的灌溉控制体系。比如，以色列全国早已全部实施节水灌溉技术，其中25％为喷灌，75％为微滴灌，所有的灌溉均由计算机控制，实现了不同农作物的因时、因作物、因地用水和用肥自动控制。

国内在农田温湿度监测方面也取得了很大的进展，但起步晚，相关设备落后，人员素质低，与国外先进水平相比有一定的差距。目前国际上普遍采用的是“基于ZigBee技术的无线传感器网络”技术，但存在一些缺点。比如，无线传感器网络数据传输与处理较为复杂，需要较高水平的专业技术人员操作，难以保证传感器的覆盖率和正常使用率，在较大范围内铺设传感器成本较高；且我国一些地区不同年份，季度种植的作物不同，因此需要的传感器密度也不同。因此，设计一种能够准确、实时采集农田信息，成本较低，适应性较强，易于学习，能够完成对农田施水量的实时监测和控制的设备和系统，实现精准灌溉的设备势在必行。

实用新型内容

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种现代农业智能巡检系统解决了现有农田检测操作复杂成本高的问题。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：

提供一种现代农业智能巡检系统，其包括巡检车、用于引导巡检车运动的引导轨道，以及向巡检车充电的充电组件；巡检车包括车体，车体的底部前端设置有驱动轮，车体的底部后端设置有万向轮，车体上设置有与驱动轮相连接的直流电机，直流电机通过电机驱动器和正交编码器与设置在车体内的主控制器电连接；车体的底部设置有分别与主控制器电连接的霍尔传感器和磁场传感器；车体上设置有与主控制器电连接的声光报警器和机械臂，机械臂上设置有温湿度传感器；车体的前端设置有摄像头和超声波传感器，摄像头与设置在车体内的树莓派电脑电连接；超声波传感器与主控制器电连接；温湿度传感器和树莓派电脑分别与GPRS通信模块相连接；车体内设置有与GPRS通信模块、主控制器和树莓派电脑电连接的电源模块；引导轨道上设置有多谐振荡器和永磁体；

充电组件包括相匹配的第一无线通讯装置与第二无线通讯装置、电压检测模块、次控制器和剪式伸缩架，以及设置在剪式伸缩架前端并用于向电源模块充电的充电器；第一无线通讯装置和电压检测模块设置在车体上并分别与主控制器相连接；电压检测模块的检测端连接电源模块；第二无线通讯装置和剪式伸缩架分别与次控制器相连接。

进一步地，主控制器的型号为STM32F446。

进一步地，多谐振荡器的型号为TL555。

进一步地，霍尔传感器的型号为A3144。

进一步地，电机驱动器的型号为L298N。

进一步地，机械臂的控制芯片为TMS320C5000。

进一步地，GPRS通信模块的型号为Siemens MC35i。

进一步地，温湿度传感器包括型号为QDY-TW1的温度传感器和型号为 FC-28的湿度传感器。

进一步地，次控制器的型号为STM32F103；剪式伸缩架包括与次控制器相连接的伺服电机，伺服电机的型号为Tower Pro MG995。

进一步地，第一无线通讯装置与第二无线通讯装置的型号均为nrf24101；电压检测模块的型号为LM339。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型可以根据多谐振荡器和永磁体的引导实现全程自动巡检，节约人力资源，减少巡检人员的工作量，降低传统大量铺设传感器的成本，提高农民的经济收益。本实用新型可以进行自动充电，减少车体的停工充电维护时间，进而提高巡检系统的工作效率。

2、本实用新型可以采集农田的温度湿度数据，通过GPRS通信模块上传到上位机，为合理精准安排农田每株农作物的灌溉量提供数据支持，实现精准灌溉。有利于提高水资源的利用率，为农作物提供更精准的生长环境。

3、本实用新型可以将农田图像通过GPRS通信模块实时传递给上位机，实现远程监控。

4、本实用新型采用超声波传感器检测障碍物并通过声光报警器进行报警，及时提醒工作人员清除道路障碍物。

5、本实用新型可以通过机械臂自动将温湿度传感器放入土壤中并取出，实现移动检测，有效降低传感器铺设费用。

附图说明

图1为巡检车的结构示意图；

图2为本实用新型的电路框图；

图3为正交编码器输出波形图；

图4为电机驱动器系统框图；

图5为行走PID控制器系统框图；

图6为剪式伸缩架的结构示意图。

其中：1、车体；2、万向轮；3、驱动轮；4、机械臂；5、摄像头；6、超声波传感器；7、霍尔传感器；8、磁场传感器；9、温湿度传感器；10、声光报警器；11、剪式伸缩架；12、充电器。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，该现代农业智能巡检系统包括巡检车、用于引导巡检车运动的引导轨道，以及向巡检车充电的充电组件；巡检车包括车体1；引导轨道设置在农田中，充电组件可以设置在引导轨道的支路上；车体1的底部前端设置有驱动轮3，车体1的底部后端设置有万向轮2，车体1上设置有与驱动轮3相连接的直流电机，直流电机通过电机驱动器和正交编码器与设置在车体1内的主控制器电连接；车体1的底部设置有分别与主控制器电连接的霍尔传感器7 和磁场传感器8；车体1上设置有与主控制器电连接的声光报警器10和机械臂 4，机械臂4上设置有温湿度传感器9；车体1的前端设置有摄像头5和超声波传感器6，摄像头5与设置在车体1内的树莓派电脑电连接；超声波传感器6与主控制器电连接；温湿度传感器9和树莓派电脑分别与GPRS通信模块相连接；车体1内设置有与GPRS通信模块、主控制器和树莓派电脑电连接的电源模块；引导轨道上设置有多谐振荡器和永磁体。

如图2和图6所示，充电组件包括相匹配的第一无线通讯装置与第二无线通讯装置、电压检测模块、次控制器和剪式伸缩架11，以及设置在剪式伸缩架 11前端并用于向电源模块充电的充电器12；第一无线通讯装置和电压检测模块设置在车体上并分别与主控制器相连接；电压检测模块的检测端连接电源模块；第二无线通讯装置和剪式伸缩架11分别与次控制器相连接。

在本实用新型的一个实施例中，主控制器的型号为STM32F446。多谐振荡器的型号为TL555。霍尔传感器7的型号为A3144。电机驱动器的型号为L298N。机械臂4的控制芯片为TMS320C5000。GPRS通信模块的型号为Siemens MC35i。温湿度传感器9包括型号为QDY-TW1的温度传感器和型号为FC-28的湿度传感器。次控制器的型号为STM32F103；剪式伸缩架11包括与次控制器相连接的伺服电机，伺服电机的型号为Tower Pro MG995。第一无线通讯装置与第二无线通讯装置的型号均为nrf24101；电压检测模块的型号为LM339。

主控制器通过第一无线通讯装置和第二无线通讯装置与次控制器通信，进而实现巡检车向充电组件发送控制信号，使次控制器驱动伺服电机伸出剪式伸缩架11，使充电器12向电源模块进行充电，当充电完成，次控制器接收来自主控制器的信号并驱动伺服电机收回剪式伸缩架11。电压检测模块采用LM339芯片，其内部集成了4个独立的电压比较器，通过设置电压参考值构成双限电压比较器，通过调试单个电源模块电压在3.7V到4.5V时为高电平，其他电压为低电平，实现电源模块的电压检测，进而向主控制器发送是否需要充电的信号，配合次控制器的控制，实现自动充电。

本实用新型的主控制器采用STM32FX，其基于32位ARM Cortex-M架构，具有丰富的外设和强大的性能，同时提供了配套的驱动库，开发者不需要逐一去熟悉寄存器，加快了开发效率，同时将硬件层进行抽象，也便于在不同型号的MCU之间进行程序的移植。

本实用新型引导导轨的引导信号采用CMOS工艺的TL555芯片组成多谐振荡器，经过分压后得到可变幅值的20KHZ方波信号。磁场传感器8用于检测引导信号并判别方向，电机驱动、直流减速电机和正交编码器构成一套完整的驱动系统，该系统使用闭环PID控制器进行控制，最终实现巡检车的自动行驶。

使用霍尔传感器7检测引导导轨上横向铺设的永磁体来实现定点停车，然后主控制器控制机械臂4自动按照控制算法预设的路径将温湿度传感器9送到土壤中，实现数据的精准采集。

使用增量式霍尔正交编码器对直流电机进行测速，其输出波形如图3所示， A相与B相之间相位互差90°，直流电机旋转一周可以获得90个脉冲(以减速器输出轴测量)，通过测量单位时间内的脉冲数目即可获得直流电机转速，A相和B相之间的相位关系可以作为判断转向的依据，设正转时A相超前B相90°，则反转时B相超前A相90°。

在STM32MCU中，使用4个定时器对直流电机进行控制：

a)第一定时器负责产生PWM波输出，其频率为10KHz，占空比千分之一分辨率，通过改变占空比实现电机转速的调节。

b)第二定时器和第三定时器分别配置为输入捕获模式，对左右两个直流电机的正交编码器脉冲进行计数，在A相脉冲的上升沿进行计数，计数器的增减方向取决于B相脉冲在A相脉冲上升时的电平，通过读取计数器的值即可得知脉冲的数目，正向时脉冲数

n＝CNT

如果反向，则计算公式为

n＝MOD-CNT+1

其中MOD为计数器重装载值。为定时器配置计数器溢出中断，当计数器反向溢出时转速反向，当MOD设置的足够大时，一般不会发生正向溢出。

c)第四定时器作为周期中断定时器来使用，其中断周期为50ms，每进入中断服务函数即执行一次速度计算，同时进行一次PID计算，并对占空比进行调节以保持速度恒定。

电机驱动器系统框图如图4所示，预期输入R(s)为目标电机转速，反馈量为电机转速Y(s)，控制输出U(s)为PWM波占空比，比例环节可以提高系统上升到稳态的时间，积分环节可以消除稳态误差，而微分环节可以消除超调量。

本实用新型的行走包括电机速度PID控制器和方向PID控制器，两者共同构成双环PID控制器，如图5所示，框图对输出限幅和放大部分进行了简化，其R_d为预期方向，E_d为方向误差R_s为预期速度E_s为速度误差，U_s为控制输出， Y_s为速度输出，Y_d为方向输出，F_d为方向反馈，F_s为速度反馈。

通过两个PID控制器的级联，组成了循迹控制器，两个PID控制器参数分别进行整定，根据经验，可以采用的一种做法是先将K_i和K_d设为零，增加K_p一直到回路输出震荡为止，之后再将K_p设定为1/4振幅衰减，然后增加K_i直到一定时间后的稳态误差可以被修正为止。需要注意的是，对于增量式PID算法，需要对增量Δu(k)进行输出限幅以防止积分饱和，对控制输出进行限幅以保证机械结构的动作区间在极限范围内。

配置ADC周期性地对磁场感应电动势的幅值进行采样，对采样数据E_a和 E_b进行映射处理并转换为小车当前的绝对位置，即F_d＝f(E_a，E_b)，预期方向 R_d＝0，即巡检车应位于引导导轨中心，如果E_d＝R_d-F_d≠0，则PID控制器会改变电机转速对方向进行纠正，使得巡检车按照预定的轨道行驶。

机械臂构型定为肩部旋转、俯仰，肘部俯仰，腕部俯仰、旋转，J1轴(上下运动Z轴)可以采用滚珠丝杆+线性导轨+高速高分辨率伺服马达；J2轴(摆臂旋转Y轴)可以采用谐波减速机+高速高分辨率伺服马达；J4轴(末端旋转X 轴)可以采用行星减速机+高速高分辨率伺服马达。

本巡检车在行驶过程中，通过超声波传感器6检测路径上是否存在障碍物，若存在则向主控制器发送信号，主控制器控制声光报警器10工作，提醒相关人员及时清理障碍物。

本智能巡检系统每套成本约2300元，每辆巡检车至少可以巡检3.6亩农田，如果采用国际通行的无线传感器系统，需要投入3万余元，因此本巡检系统有效降低了使用成本和维护成本，并降低了农田检测的操作复杂度。

Claims

1.一种现代农业智能巡检系统，其特征在于：包括巡检车、用于引导所述巡检车运动的引导轨道，以及向所述巡检车充电的充电组件；所述巡检车包括车体，所述车体的底部前端设置有驱动轮，所述车体的底部后端设置有万向轮，所述车体上设置有与所述驱动轮相连接的直流电机，所述直流电机通过电机驱动器和正交编码器与设置在所述车体内的主控制器电连接；所述车体的底部设置有分别与所述主控制器电连接的霍尔传感器和磁场传感器；所述车体上设置有与所述主控制器电连接的声光报警器和机械臂，所述机械臂上设置有温湿度传感器；所述车体的前端设置有摄像头和超声波传感器，所述摄像头与设置在所述车体内的树莓派电脑电连接；所述超声波传感器与所述主控制器电连接；所述温湿度传感器和树莓派电脑分别与GPRS通信模块相连接；所述车体内设置有与所述GPRS通信模块、主控制器和树莓派电脑电连接的电源模块；

所述引导轨道上设置有多谐振荡器和永磁体；

所述充电组件包括相匹配的第一无线通讯装置与第二无线通讯装置、电压检测模块、次控制器和剪式伸缩架，以及设置在所述剪式伸缩架前端并用于向所述电源模块充电的充电器；所述第一无线通讯装置和电压检测模块设置在所述车体上并分别与所述主控制器相连接；所述电压检测模块的检测端连接所述电源模块；所述第二无线通讯装置和剪式伸缩架分别与所述次控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的现代农业智能巡检系统，其特征在于：所述主控制器的型号为STM32F446。

3.根据权利要求1所述的现代农业智能巡检系统，其特征在于：所述多谐振荡器的型号为TL555。

4.根据权利要求1所述的现代农业智能巡检系统，其特征在于：所述霍尔传感器的型号为A3144。

5.根据权利要求1所述的现代农业智能巡检系统，其特征在于：所述电机驱动器的型号为L298N。

6.根据权利要求1所述的现代农业智能巡检系统，其特征在于：所述机械臂的控制芯片为TMS320C5000。

7.根据权利要求1所述的现代农业智能巡检系统，其特征在于：所述GPRS通信模块的型号为Siemens MC35i。

8.根据权利要求1所述的现代农业智能巡检系统，其特征在于：所述温湿度传感器包括型号为QDY-TW1的温度传感器和型号为FC-28的湿度传感器。

9.根据权利要求1所述的现代农业智能巡检系统，其特征在于：所述次控制器的型号为STM32F103；所述剪式伸缩架包括与所述次控制器相连接的伺服电机，所述伺服电机的型号为Tower Pro MG995。

10.根据权利要求1所述的现代农业智能巡检系统，其特征在于：所述第一无线通讯装置与第二无线通讯装置的型号均为nrf24101；所述电压检测模块的型号为LM339。