一种基于移动式机器人的作物生长环境数据采集控制系统及其方法

1.本发明属于农业设备，具体涉及一种基于移动式机器人的作物生长环境数据采集控制系统及其方法。


背景技术：

2.随着老龄化的日益严重和农村人口的流失，对自动化的需求正在迅速扩大。智慧农业具有广阔的前景与市场。随着自动化技术的飞速发展，自古以来作为民生最重要组成部分的农业技术也在自动化的道路上取得了长足的进步。目前，智能农业机器人的研究已成为农业装备研发的重要组成部分。它可以用来完成许多繁琐的任务。目前，智能农业机器人越来越受到世界各国研究人员的重视。与传统的手动机械相比，农业机器人具有人力资源投入少、效率高、安全风险低等优点。直到最近，已经提出了许多农业机器人，它们可以执行多种任务，包括：水果采摘、农业监测、农资装卸、水果收获和运输、灌溉、除草、耕作、播种等。
3.然而，虽然农机企业和众多高校在智慧农业上投入了大量精力，但大部分研究仍处于实验验证阶段，尚未实现商业化，所以农业机器人还处于一种方兴未艾的状态，作物生长过程中的系统化控制与监测系统无法成型。
4.传统数字农业工厂的环境数据监测系统往往通过在固定位置设置相对应的传感器方式来实现，并且监测数据不够准确，尤其对于环境空间较大时，数据不准确性表现的更为突出，此外，现有数字农业工厂的环境数据监测系统往往缺少对土壤参数数据的检测，或严重依赖于人工进行检测，自动化程度底，检测效率不高。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种基于移动式机器人的作物生长环境数据采集控制系统及其方法，本发明可以很好的配合水肥一体机系统与通风系统、洒水系统，空调系统，补光系统等进行智能化种植。
6.本发明的技术方案如下：
7.本发明首先提供了一种基于移动式机器人的作物生长环境数据采集控制系统，其包括：
8.移动式机器人，用于采集作物生长局部区域的土壤参数数据和空气参数数据；所述移动式机器人上搭载有土壤传感器采集终端和空气传感器采集终端；
9.空间环境传感器，布设在种植作物的大棚内，用于获取大棚内的空气参数数据；
10.空调系统，布设在大棚内，用于调节大棚内的环境温度；
11.补光设备，布设在大棚内，用于在需要时对大棚内的作物进行补光；
12.喷洒系统，布设在大棚内，用于调节大棚内环境和土壤的湿度；
13.水肥系统，用于向作物供给水肥，并能够调节水肥供给的流量，其包括肥料桶、用
于混合肥料的水肥机、用于稀释水肥的水井、用于输送水肥的主管道、与主管道相连的多条水肥垄管道、设置在水肥垄管道上用于最终向植物施加水肥的滴箭以及设置在主管道、水肥垄管道上的流量阀；
14.控制系统，用于获取移动式机器人和空间环境传感器检测的数据，并控制空调系统、补光设备、喷洒系统和水肥系统工作。
15.优选的，所述的移动式机器人包括：
16.车体，其具有滚轮、滚轮驱动机构和用于为用电部件供电的电池组，车体能在大棚内移动；
17.空气传感器采集终端，其包括光合有效辐射传感器、二氧化碳传感器、温湿度传感器；
18.机械臂，其一端通过z轴旋转装置安装在可升降架安装上，所述可升降架安装固定设置在车体上，机械臂的另一端安装有土壤传感器采集终端；所述机械臂自身具有多个转动关节，能调整土壤传感器采集终端的位姿；
19.土壤传感器采集终端，其为土壤温湿度、ec、ph、氮磷钾一体式传感器，用于检测土壤参数数据；
20.通信模块，用于向控制系统实时传输移动式机器人采集的局部土壤参数数据和空气参数数据。
21.本发明还提供了一种所述系统的作物生长环境数据采集控制方法，其包括如下步骤：
22.空间环境传感器实时获取种植区域内的全局空气参数数据，并将数据发送给控制系统，控制系统将空间环境传感器采集的全局空气参数数据与适宜作用生长的空气参数范围进行比较，对存在异常的区域，通过控制空调系统、补光设备、喷洒系统进行工作，从而使种植区域内的全局空气参数控制在适宜范围内；
23.当需要进行作物生长环境局部检测时，将移动式机器人移动至设定的初始工位上，并启动移动式机器人；移动式机器人按照既定的行进路线沿垄进行移动；移动过程中通过空气传感器采集终端实时获取作物局部空气参数数据，并发送给控制系统，若移动式机器人采集的局部空气参数数据与空间环境传感器采集的全局空气参数数据的差值在设定范围内，则认为局部空气参数数据正常；若超过设定范围，则标记为异常并预警，由人工对传感器设备有无设备故障机械能确认，若设备无故障，则通过开启空调系统、补光设备、喷洒系统对异常区块进行空气参数调节；
24.移动式机器人在行进过程中，逐一对每一作物对应的种植土壤进行局部土壤参数检测，并将数据发送给控制系统，控制系统将数据与适宜作用生长的土壤参数范围进行比较；对数据异常的植株进行标记并预警；若同一垄上超半数植株的土壤参数存在相同的异常情况，则控制该垄对应的水肥垄管道的流量，对土壤参数进行调节。
25.与现有技术相比，本发明兼顾了全局空气参数检测和局部空气参数检测，以全局空气参数检测为主要的空气参数调节依据，使得参数调节具有实时性，且更为高效。同时，本发明以局部空气参数检测来克服全局空气参数检测存在检测盲区或检测精度低的问题。本发明可以测量多种环境数据，包括温湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤温湿度等数据，其中土壤数据采用机械手可多点反复采集，并实现全区域覆盖。
26.本发明可以使工作人员方便查看数据并实时掌控环境数据，并通过该数据与分析结果可自动或手动进行相应的环境设备运作；当传感器监测到土壤环境参数脱离正常值范围时，水肥机工作。当空间环境参数脱离所要求的范围值时，喷洒系统，空调系统，补光设备进行工作。
附图说明
27.图1为本发明作物生长区域及环境数据采集控制系统的布置俯视示意图；
28.图2为本发明环境数据采集控制系统部分组件的布置示意图；
29.图3为本发明移动式机器人的结构示意图；
30.图4为本发明机械臂端部与土壤传感器采集终端的连接示意图；
31.图5为本发明空间环境传感器示意图。
32.图中，图1中，1.水肥机；2.肥料桶；3.水井；4.流量阀；5.可移动机器人；6.通风系统；7.番茄植株；8.水肥垄管道；9.空调系统；10补光设备；11.喷洒系统；12.空间环境传感器；5-1.车体；5-2.电机；5-3.滚轮；5-4.电池组；5-5.通信模块；5-7.光合有效辐射传感器；5-8.二氧化碳传感器；5-9.温湿度传感器，5-10.机械手臂；5-11.土壤传感器采集终端；12-1.光合有效辐射传感器；12-2.二氧化碳传感器；12-3.温湿度传感器。
具体实施方式
33.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
34.如图1-3所示，本实施例以番茄植株7的种植为例，对基于移动式机器人的作物生长环境数据采集控制系统进行说明。番茄植株7沿垄进行种植，株间距离可选择为25-50cm，本发明采用等间距种植；一垄上可种植10-25株。
35.本发明的基于移动式机器人的作物生长环境数据采集控制系统包括：移动式机器人5和固定式的其它系统组件；其中固定式的其它系统组件主要包括空间环境传感器12、空调系统9、补光设备10、喷洒系统11、水肥系统和控制系统。
36.本发明的移动式机器人5用于采集作物生长局部区域的土壤参数数据和空气参数数据；所述移动式机器人上搭载有土壤传感器采集终端和空气传感器采集终端。如图3所示，移动式机器人5包括：车体5-1、空气传感器采集终端、机械臂5-10、土壤传感器采集终端、通信模块5-5；其中车体5-1具有滚轮5-3、滚轮驱动机构5-2和用于为用电部件供电的电池组5-4，车体5-1能在大棚内移动；
37.空气传感器采集终端，其包括光合有效辐射传感器5-7、二氧化碳传感器5-8、温湿度传感器5-9；
38.机械臂5-10，其一端通过z轴旋转装置安装在可升降架安装上，所述可升降架安装固定设置在车体5-1上，机械臂的另一端安装有土壤传感器采集终端；所述机械臂5-10自身具有多个转动关节，能调整土壤传感器采集终端的位姿；
39.通信模块5-5，用于向控制系统实时传输移动式机器人采集的局部土壤参数数据和空气参数数据。
40.土壤传感器采集终端为土壤温湿度、ec、ph、氮磷钾一体式传感器，用于检测土壤参数数据；可以测得不同植株的土壤氮磷钾、温湿度，ph、ec值等成分数据，当该传感器插入植株土壤时，便可直接测得。
41.本发明主要关注土壤ph、土壤氮磷钾、土壤ec、土壤温度、土壤水分等土壤参数。所述土壤温湿度、ec、ph、氮磷钾一体式传感器集成了土壤ph传感器、土壤氮磷钾传感器、土壤ec传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器。以下对上述参数及传感器要求做介绍。
42.土壤ph传感器：通常酸性土壤是指酸碱度在6以下的土壤。对鉴定土壤的酸碱度对于改善土壤性质有着非同小可的意义。传感器精度:
±
0.5ph，量程：2.5-9ph。
43.土壤氮磷钾传感器：土壤氮磷钾传感器又称土壤养分速测仪，适用于检测土壤中氮磷钾的含量，通过检测土壤中氮磷钾的含量来判断土壤的肥沃程度，进而方便系统的评估土壤情况。传感器精度:
±
2％f.s.，量程：1-1999mg/kg。
44.土壤ec传感器：ec值是用来测量溶液中可溶性盐浓度的，也可以用来测量液体肥料或种植介质中的可溶性离子浓度。利用土壤ec传感器预防高浓度的可溶性盐类使植物受到损伤或造成植株根系的死亡。传感器精度:
±
3％，量程：0-10000μs/cm。
45.土壤温度传感器：用来检测花木生长发育直接有关的地面下浅层内的温度。通过对土壤温度进行监测，使土壤温度保持在农作物适宜的生长温度范围，保证农作物增产增收。传感器精度:
±
0.5℃，量程:-40～80℃。
46.土壤水分传感器:能够精确测土壤湿度和其它多孔介质的体积含水量。此土壤湿度采集器可与温室环境监测、土壤墒情采集、自动灌溉控制等系统集成，实现水分的长期动态连续监测。长期埋设于土壤和堤坝内使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。传感器精度:
±
3％，量程:0～100％。
47.本发明所称的土壤参数数据包括土壤温湿度、电导率、ph、氮磷钾含量；所述空气参数数据包括光合有效辐射、二氧化碳浓度和空气温湿度。
48.如图5所示，本实施例的空间环境传感器12有多个，均匀布置在大棚内用于获取大棚内的空气参数数据；空间环境传感器12设置在支撑架上使其具有设定高度，空间环境传感器12包括光合有效辐射传感器12-1、二氧化碳传感器12-2、温湿度传感器12-3。固定位置的空间环境传感器可以检测整体环境参数，但由于植株局部位置可能存在所需环境条件要求不足的情况，本发明通过移动机器人局部进行检测，当检测到局部参数存在异常时，启动相对于位置的通风系统，空调系统，喷洒系统，补光系统等，维持一个局部与整体的均衡。
49.温湿度传感器:大棚的温湿度直接决定了大棚作物的产和质量，温湿度是衡量温室大棚的重要指标，它直接影响到栽培作物的生长和产量，为了能给作物提供一个合适的生长环境,要加强温室内的温湿度调节。传感器精度：
±
0.4℃；量程：-40～105℃，精度：
±
5％rh；量程：0-100％rh。
50.二氧化碳传感器：农作物所需的二氧化碳浓度通常为1000-1500ppm。在农业温室中安装二氧化碳传感器可以确保在二氧化碳监测器浓度不足的情况下及时发出警报，从而使用气肥料，保证作物正常生长。传感器精度：
±
50ppm，量程：0-50000ppm。
51.光照强度传感器：用来控制光饱和强度提高光照利用效率，增强光和作用。光照强度对植物开花多，结实多，花芽多有直接相关。精度：5lx；量程：0-65535lx。
52.光合有效辐射传感器：采用电化学方法，可用来测量二氧化硫浓度。控制大棚内二
氧化硫浓度，直接影响到植物的生长、发育、产量和质量。传感器精度：0.1ppm；量程：20-2000ppm。)
53.空调系统9布设在大棚内，用于调节大棚内的环境温度；空调系统9包括通风扇和空调，通风扇和空调有多组，均匀布置在大棚内，受控制系统控制。在本实施例中，在大棚顶部设置若干通风扇，且在大棚四周侧壁上布设若干通风扇，用于促使大鹏内空气的流动，以及与室外空气的交换。空调可按大棚面积选择性布设。考虑到能耗，在能够通过风扇、喷洒系统和补光灯对温度进行控制的情况下，不启用空调。空调选用水冷式空调，降低成本。在满足温度控制的情况下，本发明的空调系统可以仅包含通风扇而不配备空调。
54.在本实施例中，补光设备10为补光灯，其布设在大棚内，用于在需要时对大棚内的作物进行补光；所述补光设备有多个，受控制系统控制。补光灯主要用于在光照强度不足时，补充光照。当大棚内温度较低时，也可通过打开补光灯，使棚内温度得到提升。
55.喷洒系统11，布设在大棚内，用于调节大棚内环境和土壤的湿度；在本实施例中，所述的喷洒系统11为若干喷淋头，其通过管路和泵连接水井，喷洒系统11有多个，均匀布置在大棚内的作物种植区域，用于调节环境和土壤的湿度，同时当棚内温度过高时，若通风扇降温效果不理想，则可以打开喷洒系统配合通风扇降低棚内温度。
56.本发明的水肥系统用于向作物供给水肥，并能够调节水肥供给的流量，其包括肥料桶2、用于混合肥料的水肥机1、用于稀释水肥的水井3、用于输送水肥的主管道、与主管道相连的多条水肥垄管道8、设置在水肥垄管道上用于最终向植物施加水肥的滴箭以及设置在主管道、水肥垄管道上的流量阀4。具体的，如图1所示，所述肥料桶2有多个，用于盛装不同的废料；所述水肥机1与各肥料桶2连接用于按照设定的配方混合肥料，水肥机1的出口连接主管道，主管道上通过管路连接水井3，水井3向主管道供给设定量的水用于稀释水肥，水肥垄管道8作为支路连接在主管道上，水肥垄管道8沿作物种植的垄布设；滴箭用于向植物施加水肥，流量阀4用于控制主管道和各水肥垄管道的流量。
57.控制系统是本发明的核心控制部件，其与移动式机器人通过无线通信，通信模式可以是4g/5g，wifi，蓝牙等方式；其与空间环境传感器之间通过信号线进行连接。控制系统用于获取移动式机器人和空间环境传感器检测的数据，并控制空调系统、补光设备、喷洒系统和水肥系统工作。
58.本发明还可进一步包括布设在大棚内的监控摄像头，用于实时监控棚内的情况，尤其是移动式机器人的工作情况。
59.空间环境传感器12实时获取种植区域内的全局空气参数数据，并将数据发送给控制系统，控制系统将空间环境传感器12采集的全局空气参数数据与适宜作用生长的空气参数范围进行比较，对存在异常的区域，通过控制空调系统9、补光设备10、喷洒系统11进行工作，从而使种植区域内的全局空气参数控制在适宜范围内；
60.本发明系统的整体设计思路是：以固定的全局空气参数检测为主要的空气参数调节依据，控制系统对采集的全局空气参数进行判断，从而整体上调节棚内的空气参数，使得参数调节具有实时性，且更为高效。同时，本发明考虑到全局空气传感器的布设是较为稀疏的，其存在检测盲区，无法准确反应棚内各处区域空气参数信息的问题，因此以局部空气参数检测来克服全局空气参数检测存在检测盲区或检测精度低的问题。
61.当需要进行作物生长环境局部检测时，将移动式机器人移动至设定的初始工位
上，并启动移动式机器人；移动式机器人按照既定的行进路线沿垄进行移动；移动过程中通过空气传感器采集终端实时获取作物局部空气参数数据，并发送给控制系统，若移动式机器人5采集的局部空气参数数据与空间环境传感器12采集的全局空气参数数据的差值在设定范围内，则认为局部空气参数数据正常；若超过设定范围，则标记为异常并预警，由人工对传感器设备有无设备故障机械能确认，若设备无故障，则通过开启空调系统9、补光设备10、喷洒系统11对异常区块进行空气参数调节；
62.移动式机器人在行进过程中，逐一对每一作物对应的种植土壤进行局部土壤参数检测，并将数据发送给控制系统，控制系统将数据与适宜作用生长的土壤参数范围进行比较；对数据异常的植株进行标记并预警；若同一垄上超半数植株的土壤参数存在相同的异常情况，则控制该垄对应的水肥垄管道的流量，对土壤参数进行调节。
63.以下番茄开花期操作为例。番茄开花期生长适宜温度白天为25-26℃、夜间13-15℃；土壤湿度65-70％，空气湿度50-65％为宜。在一次操作中，移动机器人监测到土壤湿度为55％，空气湿度低于50％，光合有效辐射为32000勒克斯，二氧化碳浓度为0.15％，白天温度29度采集数据经处理后发送给控制系统，控制系统开启喷洒系统，15分钟后继续监测发现，空气湿度约63％，温度为26度，土壤湿度为59％，此时启动水肥一体机，对该植株进行滴灌，直至土壤湿度为67％，符合范围65-70％，水肥机停止工作。
64.以番茄结果采摘期为例，此阶段生长量大，需求水分多。在一次操作中，经移动监测机器人检测，土壤湿度60％，低于要求的土壤湿度75％以上，空气湿度40％，其余要求的50％左右，温度30度。此阶段根系处于生长旺盛期，需肥量大，测得氮磷钾低于所需值，光照强度低于30000勒克斯，此时启动喷洒系统，将湿度提升至50％，经通风系统与空调系统把温度降低到26度，开启水肥一体机滴灌系统，随水冲施酵母源含氨基酸浓缩5kg/667m2 全溶性冲施肥，滴灌7.5kg/667m2，利于根系再次生长促进养分吸收，开启补光系统，将光强提升到32000勒克斯。
65.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。