摘要：以打造家庭式全自動小型農場為理念，設計開發一款集自動播種、澆水、施肥、環境監測和控制等功能于一體的智能云種植機器人。基于笛卡爾坐標系統的硬件設計且融合DIY理念，具有良好的空間延伸性且易于組裝。播種機構可以適應多粒度種子的精密播撒，具有較為廣泛的使用范圍。融入云物聯技術開發了云種植管理平臺，用戶可以通過電腦、手機APP實現對種植環境溫濕度、光照、CO2濃度等現場情況的實時監測、補光、通風等環境控制、視頻監控，以及對植物生長數據的記錄、分析和管理等功能；還可以通過專家庫指導種植過程，為植物選取最佳的養護方案。該機器人適用于家庭種植、科普實踐及種植實驗，具有良好的實用性和市場推廣價值。

　　關鍵詞：智能化；種植機器人；笛卡爾坐標系統；云種植管理平臺

　　隨著人們生活品質的日益提高，越來越多的人選擇在自家的陽臺、庭院中種植花草或瓜果蔬菜，但是由于平時工作繁忙或者經常出差，常常疏于對植物的照顧。因此，國內外便出現了像智能花盆、智能養花助手這樣的種植利器[1]。例如瑞士的KoubachiWiFiPlantSensor（圖1），外形與高爾夫球桿的球頭相似，只要將“桿身”插入花盆的土中，傳感器就能自動檢測和監控土壤中的空氣、濕度、養分等指標，然后通過WiFi信號將數據傳輸到使用者的手機上。法國的ParrotFlowerPower（圖2），該設備裝有4個傳感器，可以根據土壤電導率、植物暴曬時間、土壤溫度、土壤中的介電常數等指標分別對土壤肥力水平、光照條件、環境溫度、土壤濕度進行監測，并能每隔15min向移動設備APP傳送一次數據。配套APP會基于一個包含6000多種植物生長數據的數據庫對實時數據進行自動分析，能為植物選取最佳的養護方案，并提醒以及告知用戶該如何照料植物，是否需要施肥或者澆水等。美國的SmartHerbGarden（圖3）每天會自動將適量的水導入泥土中，并利用頂部的LED燈為植物提供適當的光照，保證植物茁壯成長。此外，該設備還使用了含有納米技術的載體土壤，能夠使氧氣、水分、養分更加均衡地供給植物。除了底盤上的塑料浮標可以顯示出水箱水量外，在水量不足時，智能燈座會不斷閃爍來提醒加水。在國內也出現了類似的智能養花裝置，如花卉培養器和用于提供營養液的澆灌器，它們內含智能控制系統，能實現對所養植物的遠程澆灌，在增加生活樂趣的同時，為人們的種植活動提供方便，解除種植煩惱，提高植物的成活率。

　　1種植機器人機械本體方案設計

　　種植機器人的機械本體基本框架如圖4所示，它是一個基于笛卡爾坐標系統建立的X/Y/Z三軸導軌結構，主要包括底座、立柱、橫梁和移動滑軌，均采用同步帶式直線導軌滑臺結構。兩個立柱通過底座上左右兩邊的滑臺實現Y方向的直線運動；橫梁在兩個立柱上的高低位置可調，調好后通過螺栓固定；移動滑軌通過十字滑塊與橫梁相連接，可以實現X和Z軸方向的直線運動，X/Y/Z3個方向的運動可以確保種植機構能夠達到種植區域的每個位置進行作業。種植面積由底座導軌和橫梁的結構尺寸決定，直線導軌為標準件，擁有多種規格和型號，可以根據實際種植空間大小自行定制結構尺寸，具有良好的空間延伸性。滑臺和導軌間通過螺栓固定，易于組裝和拆卸，充分體現了DIY理念。

　　2種植機器人控制系統設計

　　種植機器人的控制核心選用ArduinoMega2560微處理器。如圖6所示，微處理器上搭載有步進電機驅動板，用于驅動X/Y/Z軸3個方向上步進電機的運動；電機驅動板用于驅動吸種電機運轉；圖像采集裝置和相應的圖像傳輸通訊模塊，用于采集種植現場的視頻畫面并回傳至云平臺，實現對種植現場的實時監控；USR-GM3嵌入式無線透傳模塊，通過HTTPDClient模式將數據直接傳向HTTP服務器端，并交由Web服務器Tomcat打包處理，再由頁面腳本程序轉發至云服務器存儲；光照度、環境溫濕度、土壤濕度和CO2模塊，可以實時監測植物生長的環境參數。當環境參數不符合預先設定要求時，能夠自動控制LED光照、通風、澆灌等系統的開啟[4]。控制系統程序流程如圖7所示。

　　3云種植管理平臺

　　云種植管理平臺[5]采用當前JavaWeb開發最流行的框架spring＋hibernate＋struts為基礎搭建平臺技術框架。Web框架內的程序在運轉中，邏輯流可分為接口層、業務邏輯層和訪問層。接口層擬定了遠程情形的某一請求，提供技術說明；依照給定的請求，調用某一函數；業務邏輯層構建了必備的規程，例如數據的轉發、下發控制命令和設置參數等操作；訪問層銜接了傳遞過來的多樣化信息，在不同頁面之間共享。種植環境參數檢測、設備遠程控制、種植分析、生長過程回放和種植專家庫等主要模塊均采用圖形化界面，MySQL作為數據庫管理軟件，數據庫完全按照標準化建設，所有的數據命名都是以模塊的縮寫和表的英文組成，這樣能夠統一數據庫表的命名；采用面向對象的設計方法，先進行對象實體的設計，然后將對象持久化到數據庫中，采用Visio設計工具將所有表與表之間關聯，這樣將整個系統的設計和數據庫的設計有機結合起來。通過這一智能化云平臺，用戶可以實時監控植物生長情況，遠程操縱LED光照、通風、澆水和施肥系統，記錄植物生長數據，統計分析種植環境參數等，并且提供種植知識庫作為專家庫指導種植環境參數的設置和方案調整的依據，從而實現科學的精細化種植，提高種植的成活率和質量，減輕使用者的勞動強度。圖8～圖11為云種植平臺的部分界面。

　　4種植機器人的實現及功能測試

　　根據上述設計方案，分別搭建了陽臺式和桌面式兩款種植機器人。陽臺式種植機器人樣機如圖12所示，由于樣機整體尺寸不是很大，適用于陽臺一角，而不是用于露臺的種植，如果做成圖4所示的龍門結構，空間感覺會比較局促，因此去掉了立柱，將種植機構即Z軸安裝在了橫梁上，從而使得整體結構尺寸更為輕巧，這也從一個側面體現了種植機器人本體結構具有較大的靈活性，可以根據實際種植空間選擇適合的本體結構。除此之外，將傳感器以及攝像頭都集成在了一個小型氣象站中，氣象站控制系統與種植機器人控制系統通過藍牙通信，進行數據和指令的傳輸。圖13為桌面式種植機器人的樣機，與陽臺式所不同的是，該種形式的種植機器人將傳感器以及攝像頭都集成在了箱體當中，在后續的完善過程中，會將該箱體外表面進行封裝，正面設置可開合的門，使其形成一個封閉的種植溫室環境。

　　5結論

　　通過機械本體以及控制系統設計，分別實現了陽臺式和桌面式兩種智能云種植機器人的樣機制作，并將物聯網和云計算技術相結合實現了云種植平臺的開發。在實驗室條件下，對該機器人和云種植平臺這一完整系統進行了聯調測試，較好地實現了預期功能。該機器人基于笛卡爾坐標系統的硬件設計，充分融合了DIY設計理念，具有良好的空間延伸性且易于組裝。播種機構可以適應多粒度種子的精密播撒，具有較為廣泛的使用范圍。融入云物聯技術可以提高家庭種植的科學性和趣味性。該款機器人的設計適用于家庭種植，科普實踐及種植實驗，具有良好的實用性和市場推廣價值。

　　參考文獻：

　　[1]卓犖.智能養花利器[J].浙江林業，2015（1）：38-39.

　　[2]楊詠倩.基于物聯網技術的智能種植監測系統[D].青島：中國海洋大學，2015.

　　[3]王曉冰，廉小親，郝寶智，等.基于物聯網的智能種植監測系統[J].測控技術，2017，36（8）：102-106.

　　[4]艾海波，魏晉宏，邱權，等.微型植物工廠智能控制系統[J].農業機械學報，2013，44（S2）：198-204.

　　[5]王建平，王良帆.基于iOS平臺的溫室大棚物聯網云管理系統的研制[J].中國農機化學報，2017，38（3）：66-72.