适应于大棚种植节能型特种机器人研发.doc

适应于大棚种植的节能型特种机器人的研发 　　【摘 要】为了弥补传统的大棚种植需要人工调节棚内作物生长所需要的温度、水分、肥料等生长因素的缺陷，本文设计了一种降低人们的工作量，增强人们的工作效率，对提高农业产量有益的适应于大棚种植的节能型特种机器人。该机器人主要由微控制器、液晶显示屏、语音播报器、电磁阀、蓝牙通讯模块、电机、温度传感器、湿度传感器、超声波传感和稳压芯片构成 【关键词】大棚种植;智能节能;机器人 一、研制背景及意义 大棚种植技术是一种比较常见的农业技术，主要运用于蔬菜和水果的种植。传统的大棚种植所需的人为工作量大，效率低，事倍功半。目前国家大力倡导农业种植机械化、智能化，所以大棚种植的机械化与智能化符合当下的发展方向，是增加工作效率、提高作物产量的有效途径。本次研发的是一款具有处理常见农业问题的智能机器人，可以广泛地使用在全国各地的农业大棚。该机器人将使用温度传感器，湿度传感器，液晶显示屏，按键系统，语音播报系统，及时处理信息，采用电磁阀及继电器的组合来实现智能的灌溉功能，其智能的处理，对提高农业生产量和效率，都有很大的帮助，对实现我国农业现代化都有着积极的意义 二、设计方案 （一）电器控制部分 本次研发的是一款具有处理常见农业问题的智能机器人，可以广泛地使用在全国各地的农业大棚。机器人以Cortex_M4系列的核心处理系统MK60DN512为CPU，该CPU具有高效快速处理数据的功能。机器人采用U-cosII嵌入式系统开发，引入PID级计算。电器控制分为四个模块：数据采集模块，传感器模块，蓝牙通讯模块，交互式模块。电器控制的核心在于精确地电源设计加上程序的控制，把各种参量数据处理，作为回馈值，指导农业生产。电器控制中用到的主要芯片有：MK60DN512，LM2940，LM11173.3，74LS294，ISD1820PY，DS18B20等 MK60DN512芯片含DSP指令，性能可达1.25DMIPS/MHZ，多达32信道的DMA适用于数据的快速搬移。该芯片内存空间可扩展，从32 KB闪存/ 8 KB RAM 到1 MB闪存 / 128 KB RAM。独立闪存模块可以同时进行代码执行和固件升级。FlexRAM 支持EEPROM 字节写/字节擦除操作，指示最大EEPROM 空间 EEPROM 最高超过一千万次的使用寿命，EEPROM 擦除/ 写速度远高于传统的EEPROM，保证了该机器人的使用寿命 该机器人使用的温度传感器具有许多优异的性能，这也是基于该机器人识别外界温差作出回应速度所选出的性能较优异的一款芯片。该机器人具有语音处理系统，当内部的环境不适宜庄稼生长的时候，ISD1820PY语音芯片会发出语音提示，智能识别大棚内的温度湿度。机器人通过手臂采样土壤的湿度，温度等参数，通过机器人的外部显示器显示出来。该机器人使用的电路，均在低功耗下完成，考虑到机器人的能源问题，特别地采用太阳能电池板对外界进行能量的吸收，节约能源。MK60DN512芯片通过继电器及电磁阀，可以控制灌溉的流量，达到水资源的充分利用 （二）机械部分 该机器人机械部分分为机器人模块，人机交互控制模块，机器人动力模块。机器人模块主要是机械结构设计，考虑到自动化设计，人机交互工作台主要由模拟数字电路构成。其中机器人的交互控制模块主要由蓝牙发送数据，回馈回控制面板，通过控制台可以监视，大棚实际情况，农作物的生长环境等因素。在设计时考虑的主要问题有：数据采集的准确性;机器人的动力问题;经济效益及制作成本;机器人能否实现预期的功能;使用该机器人前后，实际节约能源和材料多少 三、理论设计计算 我们采用了PID计算实际温差和目标温差，调节出最适宜种植的环境的PID参数，同时考虑到经济曲线的影响，求取了一组适宜的PID值参数作为本套系统控制的回馈量： u（x）=Kp（err（t）+■■err（t）dt+■） 其中Kp为增益系数。为了计算方便，引进计算机进行辅助计算，对该公式进行了离散型变形，计算式如下： u（k-1）=Kp（err（k-1）+Ki？蒡err（j）+Kd？蒡（err（k-1）-err（k-2））） Kp，Ki，Kd为三个具体的参数，根据实验现象调得 为了使机器人分析得出的回馈值更加准确，我们在CPU的RAM中动态写入了一些参考指标，排除偶然现象 机器人工作成本的计算： W=365×24×2.08mA×0.7 引入机器人与未引入机器人的计算成本比较 Q1=？蒡Mi Q2=？蒡（Mi+W÷365-M0） 其中Mi为传统每日均消耗，Mo为目标差值，不难看出，当寻得的差值合理时，其Q2》Q1.具有很好的经济效益 四、工作原理及性能分析