基于Makeblock的智能生态种植箱设计与开发.pdf

2021年 4期 智慧农业 种植与养殖 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 基于 Makeblock的智能生态种植箱设计与开发 张 闯 1 高 强 1 2 武英童 3 周 明 1 刘俊 炜 1 1 沈 阳 工程学 院 辽宁沈 阳 110136 2 沈 阳 建 筑 大学机 械 工程学 院 辽宁沈 阳 110168 3 沈 阳 农业 大学 辽宁沈 阳 110866 随着 工 业 化的发 展 传 统 的人工 劳 作 趋 向于 智能机 械 工 作 利用 物 联网 技术实现 农业设 备 智能化 已 逐 步 发 展为 国 内 外 的 研究 焦 点 1 随着 现 代农业设 备 的发 展 家 用 型农业 生 态 系 统 也 开 始 受到 人 们 的 重 视 我国 家 用 型 生 态 系 统 起 步较 晚 市 场尚 未 开 发 随 着 2060碳 中 和的 提 出 预 示 着 增 大 绿 色植 物种 植 将 是 大 势所 趋 家 用 型 生 态 种 植 也将 会 脱颖 而 出 目 前 关于 家 用 型 生 态 种 植 研究 较 少 且以 理 论 研究 为 主 如 高 帅 等人 2 对 家 用 阳 台农业 发 展 现 状 进行 综 述 杨冬连 等人 3 结合 物 联网 技术 设 计 了 一 种 智能 种 植 箱 系 统 周 赵凤 4 对 阳 台 立 体种 植 进行 方 案 与 软件 设 计 李军 辉 5 基 于 Esp8266使 用机智 云 平台 实现 阳 台 生 态 的 手 机 控 制 对 于 温室 大 棚 现 有 国 内 外 研究 较 多 这 对 家 用 型 智能生 态 种 植 箱 设 计 与 开 发 具有较 大的 参 考价 值 如 李 云 强 6 基 于 Arduino连 接 传感器 与 显示 器 对 植 物 生 长 环境实 时 监 控 按照 预 先 设 定的 最 佳 环境 状 态 分 别 控 制 继电 器 调 节 大 棚 的环境 山 东 科 技大学生 林 相 春 7 以 山 东智能 温室 控 制 系 统为 研究 对 象 设 计 了 一 套 智能控 制 系 统 本 文 针 对 家 用 型 智能生 态 种 植 展 开 研究 设 计 一 种 能 改 自动 调 节 温 度 湿 度 光 照 等环境 参 数的 种 植 箱 使 植 物在 无人 监 管 时 能够 在 适 宜 的环境 下 生 长 1整体 结 构 设计 本 文 设 计 的生 态 种 植 箱 的 NXUG三维 模 型 如图 1 所 示 由 透 光 箱 体 1 固 定 顶 棚 2 滑 动 顶 棚 3 种 植 底板 4 第 一 电 机 5 第 一 丝 杠 6 第 一 螺纹滑 动 块 7 第二 电 机 8 第二 丝 杠 9 第二螺纹滑 动 块 10 横 向 导 轨 11 第 三 电 机 12 带 传动机 构 13 纵 向 导 轨 14 喷 淋装置 15 调 温 风 扇 16 显示 面 板 17等 组 成 种 植 箱 的 四 周 由 透 光 箱 体 固 定 顶 棚 滑 动 顶 棚 种 植 底板 组 成 透 光 箱 体与种 植 底板 组 成 开 顶 的 长 方 体 固 定 顶 棚 固 定 在 一 侧 的 透 光 箱 体 板 上 方 滑 动 顶 棚 的 初 始 位 置 在 另 一 侧 固 定 顶 棚 与 滑 动 顶 棚 接 触 部 分 有一 条 导 轨 保 证 滑 动 顶 棚 直 线 运 动的 方 向 滑 动 顶 棚 可以 实 现 植 物 的 遮 光 固 定 顶 棚 与 滑 动 顶 棚 下 的 补光 灯 可以 实 现 植 物 的 补光 箱 体 外 部 的 显示 面 板 可以 实 时 显示 生 态 系 统 内 的 温 度 湿 度 另 一 侧箱 体 内部 的 调 温 风 扇 可以 调 节 种 植 箱 内 温 度 第 一 电 机 第 一 丝 杠 第 一 螺纹滑 动 块 组 成的 第 一 丝 杠 传动机 构 通 过 第 一 螺纹滑 动 块连 接 滑 动 顶 棚 实现 滑 动 顶 棚 的 横 向 移 动 第二 电 机 第二 丝 杠 第二螺纹滑 摘 要 以 半封闭 的 温室 生 态系 统 为 研究 对 象 利 用 现 代 设 计 CAD CAE手段 设 计 一 款 基于 MagePiPro的 智能生 态 种 植 箱 使 用 NXUG三维软 件 建立整 机的 三维实 体 模型 与 动 画仿真 验 证 结 构 的 合理 性 与可 靠 性 基于 MagePiPro开 发 板 设 计 种 植 箱温度 湿度 光照 的 控 制 系 统 实 现 植物 生长 环境 的 自 动调 节 最后 使 用 3D打印 激 光 切割 等 材料 成型 方 法 制 作 样 机 验 证 了 设 计 的可 行 性 关键词 Makeblock 生 态 种 植 箱 智能 控 制 传 感 器 结 构 设 计 中图分类号 S2 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 04 0028 05 Abstract Takingthesemi closedgreenhouseecosystemastheresearchobject thispaperdesignsanintelligentecological plantingboxbasedonMagepiProusingmodernCAD CAEdesignmethod NXUG3Dsoftwarewasusedtoestablishthe3D solidmodelandanimationsimulationofthewholemachinetoverifytherationalityofthestructure BasedontheMagepiPro developmentboard thecontrolsystemoftemperature humidityandilluminationintheplantingboxisdesignedtorealizethe automaticregulationoftheplantgrowthenvironment Finally 3Dprinting lasercuttingandothermaterialformingmethodsare usedtomakeaprototype whichverifiesthefeasibilityofthedesign Keywords Makeblock ecologicalplantingbox intelligentcontrol sensor structuredesign 基金项目 2019年辽宁省大学 生 创新创 业 计划 项目 编号 201911632033 通信 作者 高 强 1986 男 硕士研究生 工程师 研究方向 机 电 一 体 化 设 计 28 2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 种植与养殖 动 块 组 成的 第二 丝 杠 传动机 构 通 过 第二螺纹滑 动 块连 接 第 三 电 机 带 传动机 构 纵 向 导 轨 喷 淋装置 实现 以 上 四 个 部 分 在 纵 向 导 轨 上 的 移 动 喷 淋装置 再 通 过 第 三 电 机 带 传动机 构 组 成的 带 传动机 构 实现 在 纵 向 导 轨 上 的 移 动 使 喷 淋装置 能够 在种 植 箱 内 全方 位 移 动 实现 水 雾 无 死 角全方 位 覆盖 1 透 光箱 体 2 固 定 顶 棚 3 滑 动 顶 棚 4 种 植 底板 5 第 一 电 机 6 第 一 丝杠 7 第 一 螺纹滑 动 块 8 第二 电 机 9 第二丝杠 10 第二螺纹滑 动 块 11 横 向 导轨 12 第 三电 机 13 带 传 动 机 构 14 纵 向 导轨 15 喷 淋装 置 16 调 温 风扇 17 显 示面板 图 1 生 态 种 植 箱三维模型 2 控制 系统 设计 智能生 态 种 植 箱 内 的环境 是 一 个 半封闭 的生 态 系 统 影 响 种 植 箱 内 的 植 物 生 长 的 因 素 主 要 有 温 度 湿 度 光 照 空 气 成分等 由 于 各 个 参 数 之 间 具有 强 耦 合 性 其 复 杂 的 非线 性 关 系 难 以 通 过 常 规 的模 型 表 示 8 对 于 此 类 问题 可以 通 过 模 糊 控 制 BP神 经 网络 控 制 等 方 法 实 现智能控 制 9 模 糊 控 制 是 一 种 智能的 非线 性 控 制 方 法 10 常 用 于 时 变 非线 性 系 统中 可以 很 好 地处理 难 以 用数学 表达 的 复 杂 对 象 典 型 的模 糊 控 制 系 统 如图 2所 示 模 糊 控 制 系 统 由 输 入 端 模 糊 控 制 器 执 行机 构 被 控 量 输 出 端 和测 量 装置六 个 部 分 组 成 通 过 将 操 作 人 员或 专 家 经 验 编 成模 糊 规 则 然 后将 来 自传感器的实 时 信 号 模 糊 化 将 模 糊 化 后 的信 号 作为 模 糊 规 则 的 输 入 完成模 糊 推 理 将 推 理 后得 到 的 输 出 量 加 到 执 行器 上 BP网络 是 一 种 典 型 的 多 层 前 馈 型 网络 11 广泛 应 用 于 模式 识 别 故 障 诊 断 该 模 型 结 构 如图 3所 示 图 3三 层 BP网 络 结 构 BP网络 一 般 由 输 入 层 隐藏层 输 出 层 组 成 数据 从 输 入 层 依 次 传 播至隐藏层 输 出 层 在输 出 层 将 误 差 反 向 传 播 并 调 整 网络 的 权 值 参 数 之后 不 断 迭 代 上 述 步 骤 直 至误 差 为 零 完成 网络 的 训练 过 程 根 据智能生 态 种 植 箱 的 特 点 选 取 温 度 湿 度 光 照 三 种 因 子 作为输 入 量 通 过 如图 4所 示 的智能控 制组 合 策略 进行控 制 图 4智能生 态 种 植 箱 控 制 系 统 2 1控制 系统 组成与运行 如图 5所 示 智能生 态 种 植 箱 的控 制 系 统 主 要 由 数 据 采 集 数据处理 与 分析 数据 显示 调 节 执 行 四 个 部 分 组 成 图 5控 制 系 统 模块 组 成 模糊化 模糊决策 精确化 数据库和规则库 被控对象 模糊控制器 测量装置 给定量 实际量 被控量 图 2典 型模 糊 控 制 系 统 结 构 xi xi xi yk yk ED i j k wij wjk 数据采集 数据处理 与分析 数据显示 调节执行 29 2021年 4期 智慧农业 种植与养殖 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 2 1 1数据 采 集 模 块 数据 采 集 模 块由温 度 湿 度 光 照 等传感器 组 成 用 于 实 时 监 控环境 参 数 2 1 2数据处理 与 分析模 块 参 数分析模 块 是 控 制 系 统 的 核 心 部 分 采 用 MagePiPro开 发 板 加 装 MegaPiProRJ25转 接 板 用 于 处理和分析环境 参 数数据 并发 送 到 数据 显示 与 调 节 执 行模 块 2 1 3数据 显示 模 块 数据 显示 模 块 接收 转换 后 温湿 度 的数 字 量 将 温 度 湿 度 分 别 显示 在 屏幕 上 2 1 4调 节 执 行模 块 温 度 调 节 通 过 控 制 调 温 风 扇转 速 与 滑 动 顶 棚 打 开 来 调 节 温 度 湿 度 调 节 通 过 喷 淋装置 令 水 雾 无 死 角 地 覆盖 整 个 生 态 箱 进行 湿 度 调 节 与 灌溉 光 照 调 节 通 过 控 制 固 定 顶 棚 滑 动 顶 棚 下 的 补光 灯 与 滑 动 顶 棚 的 开 合 来 调 节光 照 2 2控制 系统 硬件组成 2 2 1主 控 板 MegaPiPro MegaPiPro是 一 个基 于 ATmega2560的 微 主 控 板 完 全 兼 容 Arduino编 程 MegaPiPro拥 有 强 大的 驱 动能 力 输 出 功 率 最 高可 达 120W 其 主 要 技术 规 格 如 表 1 所 示 MegaPiPro有 四 个 Port插 口 一 个 四 路 电 机 扩展 接 口 一 个 RJ25转 接 板 接 口 一 个 智能 舵 机 接 口 强 大的 扩展 能 力 使其可以轻 松 应 对 教 育 比 赛 娱乐 等 各 方面 的 要 求 支 持 多个 编 程环境 包括 基 于 Scratch的 图形 化 编 程 软件 mBlock和 慧编 程 还有 Arduino以 及 Python3环境的 编 程 其 端口 及接 插 模 块 介绍 如图 6所 示 MegaPiProRJ25转 接 板 工 作 电 压 为 5V 模 块 尺寸 为 66mm 42mm 可以 将 MegaPiPro针 脚 转换 为 Makeblock的 RJ25接 口 可以 用 来 连 接 Makeblock的 电 子 模 块 可以 引 出 8个 Port口 使 用 6P6CRJ25接 口 方 便 接线 其中 5号 接 口 为 硬 件 串 口 使 用 该 接 口 的模 块 有 蓝牙双 模模 块 WiFi模 块 6 12号 接 口 为 单 双 数 字 模 拟 I2C接 口 传感器 开 关 显示 屏 等模 块 使 用 该 接 口 MegaPiProRJ25转 接 板 连 接 MegaPiPro主 控 板 如图 7所 示 图 7MegaPiPro主 控 板 与 RJ25转 接 板 的 连接 MegaPiPro的 ATmega2560的 芯 片 电 路 原 理 图如 图 8所 示 2 2 2传感器 传感器 需要 采 集 智能生 态 种 植 箱 内 的 温 度 湿 度 光 照 的数据 使 用 Makeblock创 客 平台 的传感器 通 过 RJ25线 连 接 到 MegaPiProRJ25 转 接 板 其中 温 度 湿 度使 用 温湿 度 传感器 采 集 光 照 通 过 光 线 传感器 采 集 温湿 度 传感器 如图 9所 示 温湿 度 传感器 就 是 一 个 含 有 校 准 数 字 信 号 输 出 的传感器 它 的 核 心 元 件 为 DHT11温湿 度 传感器 包括 了 一 个 电 阻 式 湿 度 传感 组 件 和 NTC温 度 测 量 组件 校 准系 数 以 程 序 形 式 存储 在 OTP存储 器 中 并 在 处理 检 测 到 的信 号 时 由 传感 器 调 用 其 主 要 技术 规 格 如 表 2所 示 温湿 度 传感器 电 路 原 理 图如图 10所 示 光 线 传感器 如图 11所 示 光 线 传感器 就 是基 于 半 项目 规格 主控芯片 ATmega2560 16AU 输入电压 DC6V 12V 工作电压 DC5V 串口 3个 I C口 1个 SPI口 1个 模拟输入口 16个 DC Current per I O Pin 20mA Flash 256kB SRAM 8kB EEPROM 4kB Clock speed 16MHz 模块尺寸 87mm 63mm 图 6MegaPiPro端口 及 接 插 模块 介绍 表 1MegaPiPro主 控 板 技术 规格 30 2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 种植与养殖 图 9温湿度 传 感 器 实 物图 表 2温湿度 传 感 器 技术 规格 图 10温湿度 传 感 器 电路 原理 图 图 8MegaPiProATmega2560的 芯片 电路 原理 图 导 体 的 光 电 效 应 原 理 所 开 发的 它 的 核 心 元 件 为 光 电晶 体 管 其 电 阻 随 光 的 强 度 增加 而 减 小 通 过 和 另 一 电 阻 串 联 输 出 电 阻 的分 压 值 便 能 将 变化的 光 信 号 变 换 为 变化的 电 气 信 号 并 从 模 拟 口 输 出 其 主 要 技术 规 格 如 表 3所 示 光 线 传感器 电 路 原 理 图如图 12所 示 3 样 机 模型搭建 对 样 机 按 1 1比 例 进行 制 作 驱 动 电 机 使 用 9V直 流 电 机 纵 向丝 杠 使 用 铝 型 材 滑 动 块 电 机 座 喷 淋装 置 等 非标 件 使 用 3D打 印 技术进行 材 料 成 型 透 光 箱 体 项目 规格 工作电压 5V DC 控制模式 单总线数字信号 输出电流 max 2 5mA 温度范围 0 50 2 湿度范围 20 90 RH 5 RH 精度 1 RH 1 模块尺寸 51mm 24mm 18mm 图 11光线 传 感 器 实 物图 项目 规格 工作电压 5V DC 工作温度范围 30 C 70 C 模块尺寸 52mm 24mm 18mm 控制方式 单模拟口控制 模拟输出值 100 500 表 3 光线 传 感 器 技术 规格 图 12光线 传 感 器 电路 原理 图 31 2021年 4期 智慧农业 种植与养殖 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 到 STM32F103R6的 存储 器 中 复 位 后 程 序 开 始 运 行 登 录 OneNET云 平台 对 数据的 可 视 化进行 编辑 能够 在 界 面 上 显示 环境 参 数数据 并能够 把 控 制 命令 下 发 到平 台 使 恒温 机和 低 功耗 空 气 循 环机 执 行 相 应的控 制 命 令 从 而实现大 棚 环境 参 数 物 联网 监 控 系 统 5结束语 本 文 设 计 以 STM32处理器 为 核 心 的 终端 硬 件 电 路 分析了传 输 协议 完成了 软件 的 编 写 测 试 结 果 表 明 大 棚 环境 参 数 物 联网 监 控 系 统 具有 成 本低 功耗 小 监 测 精度高 开 发 周 期 短 等 优 点 该 系 统 能够实现 对 大 棚 温湿 度 进行 远 程 监 测的 功 能 在 该 系 统 上 增加 传感器 便 可以 对 更多 的大 棚 环境进行 监 测 同 时 也 可以 利用 该 平 台 下 发的 命令 对 大 棚 的 设 备 进行控 制 实现 对 大 棚 的 远 程 监 控 参考文献 1 景 希 高 国 伟 基于 PID调 节 的 恒温 控 制 系 统 J 计 算 机测量与 控 制 2021 29 4 110 114 2 刘 董 李京 慧 迟宗涛 等 基于 模 糊 PID控 制 的 控 温箱 设 计 J 传 感 器 与 微 系 统 2021 40 3 73 76 3 廖董 得 李 然 刘 婷 等 热 水 器 出水 温度 控 制 装 置及方 法 J 轻 工科 技 2021 37 3 56 57 4 闫 柏霖 庄佳 林 孙 可 心 等 PID控 制 器 在 水 温 控 制 系 统中 的应用 J 自 动化 应用 2020 8 1 2 5 程 明 滕宪 斌 陈景 泰 等 一 种单 片 机 控 制 的 水 温 测 试 系 统 J 广 州 航 海 学 院 学报 2021 29 1 67 70 6 张 光 跃 金诚谦 基于 云 平 台 设施 种 植 监 测 系 统设 计 J 中 国 农机 化 学报 2019 40 6 140 144 7 黄力 魏 文 冲 基于 OneNET云 平 台 的农业 温室 大 棚 上 限阈值 远 程 监 控 的 实 现 J 信息 与 电 脑 2020 32 1 163 165 8 李 想 李 松 基于 物 联网 技术 的农业 温室 智能监 控系 统 模型 研究 J 信息 系 统工程 2018 7 121 9 田彬彬 朱亮 孙 歆钰 基于 单 片 机农业 温室温湿度 监 控系 统 的 设 计 J 广 东蚕 业 2020 54 3 78 79 通 过 激 光 切割 亚 克 力 材 料 制 作 样 机模 型 如图 13所 示 4结束语 如 今 随着 我国 城 镇 化的 推 进 大 多 数人 回 到 家 后 只 能 被 封闭 在 空 中高高 的 鸟笼 里 只 有 透 过 窗 户 才 能 看 到 外面 的 世界 呼 吸 到新 鲜 的空 气 针 对 以 上 问题 打 造 便 携 式无人化 阳 台 花 园 让 人 近 距离 接 触 大自然 实 现了 城市 森林花 园 建 筑 基 于 Makeblock创 客 平台 的 MegaPiPro主 控 板 设 计 的智能生 态 种 植 箱 使 用 多 类 传感器 收 集 数据自动 调 节 种 植 箱 内 的环境 并 将 种 植 箱 内 的 温 度 湿 度在 数 码 管 上 实 时 显示 可以 有 效 地 对 绿 色植 物 生 长 的智能化 监 管 该 设 计 有 很 大的应用空间 其 成 本是 大 部 分 家 庭 可 以 接 受 的 价 格 具有一 定的 推 广 价 值 参考文献 1 刘 成 良 林 洪 振 李 彦 明 等 农业 装 备智能 控 制 技术研究 现 状 与发 展 趋 势 分析 J 农业机 械 学报 2020 51 1 1 18 2 高 帅 黄 超 群 丁 龙 保 等 家 用 阳 台型 农业 生 态系 统 的发 展现 状 与 建 议 J 农业 技术 与 装 备 2021 3 39 40 3 杨 冬 连 耿艳香 赵 晶 等 智能 种 植 箱 系 统 的 设 计 与 实 现 J 山西 科 技 2020 35 3 47 49 52 4 周 赵凤 邵威 邱祁 等 阳 台 农业 立 体 栽培 机 控 制 器 的 设 计 J 安徽 农业 科学 2019 47 9 189 193 5 李 军 辉 基于 Arduino 机 智 云 的 阳 台 生 态控 制 系 统 的 设 计 J 北京 农业 职 业 学 院 学报 2020 34 3 44 50 6 李 云强 基于 Arduino的 智能 温室 大 棚 的 控 制 系 统设 计 J 国 外 电 子 测量 技术 2018 37 5 114 118 7 林 相春 温室 大 棚 智能 控 制 系 统 的 研究 与 设 计 D 青岛 山东 科技大 学 2020 8 秘 立 鹏 宋 建成 王天水 等 设施 农业 温室 大 棚 网 络 型 自 适 应 控 制 系 统 的 开 发 J 农机 化 研究 2014 36 7 124 128 9 邢 希 君 宋 建成 吝伶艳 等 设施 农业 温室 大 棚 智能 控 制 技术 的 现 状 与 展望 J 江苏 农业 科学 2017 45 21 10 15 10 李 悟早 郭 术 义 任思 杰 模 糊 控 制 理 论综述 J 河南 科技 2019 11 12 15 11 ZouJ HanY SoSS Overviewofartificialneuralnetworks J MethodsinMolecularBiology 2009 458 458 15 图 13样 机 模型 上接 27页 32