【IoT畢設】機智雲物聯網平臺+arduinoNano高效智能種樹小車

摘要:針對目前人工種樹效率低的問題，設計了一種全自助高效智能種樹小車。介紹了裝置的結構組成，剖析了裝置的運動機理。通過SolidWorks三維軟件對傳動部件進行了結構設計。利用藍牙模塊實現了種植過程的信息傳遞、發送命令等，物聯網機智雲模塊可以實時上報種植數據至雲平臺。製作了裝置模型樣機，試驗測試結果表明：該裝置完成一棵樹的種植時間需要約8.45s，完成區域10m×10m的土地種植時間需要約73.85s。裝置完全實現了自動運樹、挖坑、下樹、填坑、澆水等功能，爲樹木自動種植領域的研究奠定了基礎

傳統的種樹機器，只能夠針對種樹中的某一個環節，無法真正實現全自動化種樹。例如郝朝陽等[12]研究的基於51單片機的智能環湖種樹小車採用機械臂下樹，成本較高。隨着物聯網、數字技術和5G+技術的發展，種樹的水平有了進一步的提高。全自動化種樹不但能夠使種樹更加便捷，而且還能確保種樹的效率，因此全自動化種樹是解決土地荒漠化的必然趨勢。同時與5G技術和物聯網相結合，做到萬物互聯的理念。用戶可以通過遠程手機隨時隨地知道這片種樹區域種樹車的情況，也可以通過小車上的屏幕顯示瞭解情況，便於及時作出反應，極大地提高了工作效率。

1裝置工作原理

圖1所示爲種樹車整體結構。當確定了種樹區域時，該區域內可以同時工作多輛種樹小車，在工作之前利用物聯網機智云云平臺下發每輛車的種植區域。此時種樹車向前運動至預定的區域，鑽頭利用GPS定位模塊確定種樹地點，鑽頭開始沿着光軸上下移動，根據種樹的類型，控制下挖的深度，挖出樹坑。與此同時，行星齒輪塔帶動樹夾開始轉動，當到達樹坑上方時，停止轉動。

車繼續向前運動，按照預先設置的樹距，確保樹夾夾的樹正好位於已挖好坑的上方。

推樹的電推杆橫向運動，推動樹苗剝離開樹夾，在限位裝置的限制下，利用樹和樹底部本身的重力，豎直掉落在坑中。當樹落下的時候，會遮擋激光發射器發射出來的紅外線，接收器未接收到紅外線，將信息通過藍牙傳給推土機構，電推杆開始橫向運動，將鑽頭挖出的土重新匯聚到坑中時，垂直的電推杆在楔塊調整後的角度向下運動，實現壓土的功能。壓土結束後，啓動水泵實現澆水功能，保證了樹苗的存活。

圖1種樹車整體結構

在車體後部運樹、下樹、壓土，澆水的過程中，在車體的前部鑽頭位置，GPS定位模塊已經定位並挖好下一個坑洞，種樹小車向前移動，重複種樹的過程。這樣前後同時工作極大地提高了工作效率。每種完一棵樹，物聯網機智雲模塊便會將剩餘的樹苗信息和剩餘的水量返回至雲平臺，當樹苗餘量和水量不足時，會發出報警信號，返回種樹的補給站進行補給。樹苗餘量不足回到補給站時，對應的樹夾運動至上樹的機械臂對面，舵機和電磁閥接收到返回信號，電磁閥斷電，舵機帶動着曲柄連桿運動，打開正面的限位裝置，便於機械臂上樹。

在鑽頭上方安裝有圖像識別攝像頭，拍攝的視頻可以上傳到物聯網，利用opencv分析視頻和瞬時圖片，可以得出樹苗種植情況的信息，主要包括是否垂直種植和土壤是否壓平。爲了精準定位鑽頭所挖的洞，採用了GPS北斗定位模塊，鑽頭運動到預先設置的位置上下運動挖坑，樹苗的定位可以實時返回樹苗種植的位置，並且返回雲平臺，在雲平臺的種樹地圖上標註已種區域和未種植的區域，直觀明顯看出整個區域的種植情況。同時與5G技術和物聯網相結合，做到萬物互聯的理念。整體的監測和信息傳遞採用了藍牙模塊和物聯網機智雲模塊，物聯網部分可以與手機app進行實時的信息交流，以及上報種植數據至雲平臺。

2裝置結構設計

2.1行星齒輪轉動機構

上層行星齒輪通過帶動外環實現樹夾的轉動，下層行星齒輪爲了解決齒輪轉動過程中電控部分接線的纏繞問題，在其上方設計有控制電池閥和舵機運動的單片機。兩層通過電機的兩軸連接，實現同向同步轉動。通過電機驅動太陽齒輪轉動，太陽齒輪帶動3個行星齒輪轉動，再帶動齒輪架轉動，經此過程實現樹夾的圓周運動，實現樹苗的儲存和運送。行星齒輪如圖2所示。

圖2行星齒輪轉動機構示意圖

2.2可開閉式電磁限位橡膠樹夾

橡膠的掛鉤當做樹夾，利用橡膠輪和橡膠墊的固定實現穩定夾樹的功能。設計三面限位裝置包括左側面限位裝置、右側面限位裝置和正面限位裝置。在樹下落的過程中，與限位裝置的回彈碰撞可以有效控制樹的落下範圍。所述的左側面限位裝置配有開門舵機，右面側面限位裝置配有電磁開合裝置，正面限位裝置與左側面限位裝置利用曲柄連桿與開門舵機連接，開門舵機和曲柄連桿的配合實現正面限位裝置的打開，打開之後可以實現機械臂上樹，上樹過程結束，關閉正面限位裝置，電磁開合裝置吸住正面限位裝置，實現限位的功能，如圖3所示。

圖3可開閉式電磁限位橡膠樹夾

2.3互相垂直電推杆推土結構

在車體後部合適高度處，確保電推杆完全伸出時能夠達到夯土的目的，左右分別設置一組電推杆組成推土裝置。每一組由兩個電推杆垂直連接組成，水平方向的電推杆下方固定了一個傾斜角度爲30°的推土裝置固定塊，確保水平方向的電推杆能夠將樹周圍挖出的土聚集在一起。垂直於水平方向的電推杆頂端連接夯土板，可以根據土壤的平整程度自我調節壓土的角度，並且同時左右前後移動，實現聚土和壓土的功能，如圖4所示。

圖4互相垂直電推杆推土結構

3電控方案的設計

主控板選用ArduinoNano控制板，與電機驅動模塊、圖像識別攝像頭、GPS北斗定位模塊、電推杆、螺旋鑽頭、機智雲物聯網模塊等外設相連，再通過激光發射接受器、水位檢測模塊等傳感器採集信息，控制種樹各個過程的進行。

主控板通過GPS北斗定位模塊採集的信息確定具體種樹的位置，以此實現區域化的種植，便於多輛種樹小車同時工作而互不發生干擾。主控板通過圖像識別攝像頭拍攝的視頻可以上傳到物聯網，利用opencv分析視頻和瞬時圖片，可以得出樹苗種植情況的信息，主要包括是否垂直種植和土壤是否壓平。主控板通過激光發射接受器返回的信息確定樹苗是否被種下，決定後續的壓土操作。

種樹小車電控設計主要分爲兩部分：一部分爲藍牙模塊實現了種植過程的信息傳遞，發送命令等；另一部分通過物聯網機智雲模塊可以實時上報種植數據至雲平臺。圖5爲種樹小車控制框圖。

圖5種樹小車控制框圖

文中項目添加物聯網控制功能，如圖6所示。以esp8266爲媒介，藉助node-red在線工具搭建物聯網平臺，PC端作爲總控制檯接收各類傳感器反饋的數據用以監測植樹機器人各項指標，保證機器人正常工作。

圖6物聯網控制框圖

4試驗測試

傳統的種樹機器，只能夠針對種樹中的某一個環節，無法真正實現全自動化種樹。相較於大型的植樹設備，該種樹小車在確保功能完整的情況下，合理設計，實現了體積最小化的目標。物聯網與機器視覺opencv的結合，確保了種樹過程信息的完整上報，特殊情況發生時便於及時調整。

通過分析，製作了一種全自動高效智能種樹小車實物模型如圖7所示，尺寸爲500mm×300mm×315mm。對該實物模型進行了試驗測試，數據如表1所示，完成一棵樹的種植平均需要約8.41s，完成區域10m×10m的土地種植平均需要約73.85s。裝置在試驗測試過程中，種植過程順利。

圖7實物模型圖

表1試驗測試數據

5結論

該裝置能夠將種植、自動運樹、自動挖坑、自動下樹、自動填坑、自動澆水結合在一起，真正實現解放雙手，自動化種樹，在前面一系列工作完成之後，後綴水箱噴水，保證了樹苗的存活。合理的結構安排極大地提高了空間利用率，前後同時工作，提高了工作效率，適合大批量投入生產。