【IoT毕设】机智云物联网平台+arduinoNano控制板+全自动高效智能种树小车
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摘要:针对目前人工种树效率低的问题，设计了一种全自助高效智能种树小车。介绍了装置的结构组成，剖析了装置的运动机理。通过SolidWorks三维软件对传动部件进行了结构设计。利用蓝牙模块实现了种植过程的信息传递、发送命令等，物联网机智云模块可以实时上报种植数据至云平台。制作了装置模型样机，试验测试结果表明：该装置完成一棵树的种植时间需要约8.45s，完成区域10m×10m的土地种植时间需要约73.85s。装置完全实现了自动运树、挖坑、下树、填坑、浇水等功能，为树木自动种植领域的研究奠定了基础
传统的种树机器，只能够针对种树中的某一个环节，无法真正实现全自动化种树。例如郝朝阳等[12]研究的基于51单片机的智能环湖种树小车采用机械臂下树，成本较高。随着物联网、数字技术和5G+技术的发展，种树的水平有了进一步的提高。全自动化种树不但能够使种树更加便捷，而且还能确保种树的效率，因此全自动化种树是解决土地荒漠化的必然趋势。同时与5G技术和物联网相结合，做到万物互联的理念。用户可以通过远程手机随时随地知道这片种树区域种树车的情况，也可以通过小车上的屏幕显示了解情况，便于及时作出反应，极大地提高了工作效率。
1装置工作原理
图1所示为种树车整体结构。当确定了种树区域时，该区域内可以同时工作多辆种树小车，在工作之前利用物联网机智云云平台下发每辆车的种植区域。此时种树车向前运动至预定的区域，钻头利用GPS定位模块确定种树地点，钻头开始沿着光轴上下移动，根据种树的类型，控制下挖的深度，挖出树坑。与此同时，行星齿轮塔带动树夹开始转动，当到达树坑上方时，停止转动。
车继续向前运动，按照预先设置的树距，确保树夹夹的树正好位于已挖好坑的上方。
推树的电推杆横向运动，推动树苗剥离开树夹，在限位装置的限制下，利用树和树底部本身的重力，竖直掉落在坑中。当树落下的时候，会遮挡激光发射器发射出来的红外线，接收器未接收到红外线，将信息通过蓝牙传给推土机构，电推杆开始横向运动，将钻头挖出的土重新汇聚到坑中时，垂直的电推杆在楔块调整后的角度向下运动，实现压土的功能。压土结束后，启动水泵实现浇水功能，保证了树苗的存活。
图1种树车整体结构
在车体后部运树、下树、压土，浇水的过程中，在车体的前部钻头位置，GPS定位模块已经定位并挖好下一个坑洞，种树小车向前移动，重复种树的过程。这样前后同时工作极大地提高了工作效率。每种完一棵树，物联网机智云模块便会将剩余的树苗信息和剩余的水量返回至云平台，当树苗余量和水量不足时，会发出报警信号，返回种树的补给站进行补给。树苗余量不足回到补给站时，对应的树夹运动至上树的机械臂对面，舵机和电磁阀接收到返回信号，电磁阀断电，舵机带动着曲柄连杆运动，打开正面的限位装置，便于机械臂上树。
在钻头上方安装有图像识别摄像头，拍摄的视频可以上传到物联网，利用opencv分析视频和瞬时图片，可以得出树苗种植情况的信息，主要包括是否垂直种植和土壤是否压平。为了精准定位钻头所挖的洞，采用了GPS北斗定位模块，钻头运动到预先设置的位置上下运动挖坑，树苗的定位可以实时返回树苗种植的位置，并且返回云平台，在云平台的种树地图上标注已种区域和未种植的区域，直观明显看出整个区域的种植情况。同时与5G技术和物联网相结合，做到万物互联的理念。整体的监测和信息传递采用了蓝牙模块和物联网机智云模块，物联网部分可以与手机app进行实时的信息交流，以及上报种植数据至云平台。
2装置结构设计
2.1行星齿轮转动机构
上层行星齿轮通过带动外环实现树夹的转动，下层行星齿轮为了解决齿轮转动过程中电控部分接线的缠绕问题，在其上方设计有控制电池阀和舵机运动的单片机。两层通过电机的两轴连接，实现同向同步转动。通过电机驱动太阳齿轮转动，太阳齿轮带动3个行星齿轮转动，再带动齿轮架转动，经此过程实现树夹的圆周运动，实现树苗的储存和运送。行星齿轮如图2所示。
图2行星齿轮转动机构示意图
2.2可开闭式电磁限位橡胶树夹
橡胶的挂钩当做树夹，利用橡胶轮和橡胶垫的固定实现稳定夹树的功能。设计三面限位装置包括左侧面限位装置、右侧面限位装置和正面限位装置。在树下落的过程中，与限位装置的回弹碰撞可以有效控制树的落下范围。所述的左侧面限位装置配有开门舵机，右面侧面限位装置配有电磁开合装置，正面限位装置与左侧面限位装置利用曲柄连杆与开门舵机连接，开门舵机和曲柄连杆的配合实现正面限位装置的打开，打开之后可以实现机械臂上树，上树过程结束，关闭正面限位装置，电磁开合装置吸住正面限位装置，实现限位的功能，如图3所示。
图3可开闭式电磁限位橡胶树夹
2.3互相垂直电推杆推土结构
在车体后部合适高度处，确保电推杆完全伸出时能够达到夯土的目的，左右分别设置一组电推杆组成推土装置。每一组由两个电推杆垂直连接组成，水平方向的电推杆下方固定了一个倾斜角度为30°的推土装置固定块，确保水平方向的电推杆能够将树周围挖出的土聚集在一起。垂直于水平方向的电推杆顶端连接夯土板，可以根据土壤的平整程度自我调节压土的角度，并且同时左右前后移动，实现聚土和压土的功能，如图4所示。
图4互相垂直电推杆推土结构
3电控方案的设计
主控板选用ArduinoNano控制板，与电机驱动模块、图像识别摄像头、GPS北斗定位模块、电推杆、螺旋钻头、机智云物联网模块等外设相连，再通过激光发射接受器、水位检测模块等传感器采集信息，控制种树各个过程的进行。
主控板通过GPS北斗定位模块采集的信息确定具体种树的位置，以此实现区域化的种植，便于多辆种树小车同时工作而互不发生干扰。主控板通过图像识别摄像头拍摄的视频可以上传到物联网，利用opencv分析视频和瞬时图片，可以得出树苗种植情况的信息，主要包括是否垂直种植和土壤是否压平。主控板通过激光发射接受器返回的信息确定树苗是否被种下，决定后续的压土操作。
种树小车电控设计主要分为两部分：一部分为蓝牙模块实现了种植过程的信息传递，发送命令等；另一部分通过物联网机智云模块可以实时上报种植数据至云平台。图5为种树小车控制框图。
图5种树小车控制框图
文中项目添加物联网控制功能，如图6所示。以 esp8266为媒介，借助node-red在线工具搭建物联网平台，PC端作为总控制台接收各类传感器反馈的数据用以监测植树机器人各项指标，保证机器人正常工作。
图6物联网控制框图
4试验测试
传统的种树机器，只能够针对种树中的某一个环节，无法真正实现全自动化种树。相较于大型的植树设备，该种树小车在确保功能完整的情况下，合理设计，实现了体积最小化的目标。物联网与机器视觉opencv的结合，确保了种树过程信息的完整上报，特殊情况发生时便于及时调整。
通过分析，制作了一种全自动高效智能种树小车实物模型如图7所示，尺寸为500mm×300mm×315mm。对该实物模型进行了试验测试，数据如表1所示，完成一棵树的种植平均需要约8.41s，完成区域10m×10m的土地种植平均需要约73.85s。装置在试验测试过程中，种植过程顺利。
图7实物模型图
表1试验测试数据
5结论
该装置能够将种植、自动运树、自动挖坑、自动下树、自动填坑、自动浇水结合在一起，真正实现解放双手，自动化种树，在前面一系列工作完成之后，后缀水箱喷水，保证了树苗的存活。合理的结构安排极大地提高了空间利用率，前后同时工作，提高了工作效率，适合大批量投入生产。
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千斤顶
