附中荣耀｜科创大赛省一等奖并入选国赛！附中学子在第38届江西省青少年科技创新大赛获佳绩！

近日，第38届江西省青少年

科技创新大赛结果揭晓

我校郭峻泽、吴政辰同学的项目

《微型轮式环境巡检机器人的设计与制作》

获一等奖，并选送参加国赛

戚翼飞、赵清平获评优秀指导教师

研究背景

传统的大棚巡检多采用人力或固定式环境监测终端，每个单体棚中需要铺设多个环境传感器，导致整体成本过高，并且电源，布线和维护等问题也限制了其在实际农业生产中的大规模应用。因此，目前大部分的农业环境巡检终端仍然处于试验或小规模运用阶段。

不同农作物不同生长阶段所需环境不同，以大棚常见作物西红柿为例，西红柿主要生长阶段分为发芽期，幼苗期，开花期，结果期以及着色期。不同生长阶段内农作物对温度、土壤湿度、二氧化碳含量等环境因素的要求不同。以温度为例，西红柿是喜温蔬菜，一般来说15-35℃的温度范围内均可适应番茄生长，番茄不同发育阶段对温度的要求有一定差别。幼苗期过高或过低的温度容易导致秧苗生长缓慢、花芽分化不良、发育受阻，以及花朵质量下降。在开花结果阶段，容易发生落花和落果现象。开花期对温度非常敏感，最适宜的气温是白天20-30℃，夜间15-20℃。如果遇到低温或超过30℃的高温，花粉粒的萌发和花粉管的伸长都会受到影响，导致受精不良，从而容易发生落花和落果。结果期的适宜温度是白天24-26℃，夜间12-17℃。而在果实着色阶段，最适宜的温度是20-25℃，超过30℃会导致着色不良。

鉴于其不可移动性，固定式的环境监测终端在对不同批次，生长周期不同的作物时效率较低，无法通过更换监测点来对处于不同生长周期的作物进行定制化的监测和管理。农业上急需一款机动性更强，部署范围更广的检测设备，从而提高对不同作物，不同生长阶段的环境监测效率。

如今农业上已经开始将一些机器人产品用于大棚巡检，但大部分产品都为较大型的机器人系统，不适用于单体大棚的实际需求。并且，大部分的机器人为独立设备，未能与大棚作物的种植管理系统高效联动。

解决方案

本项目提出了一种创新的解决方案，将微型轮式机器人与模块化的传感器组件相结合，并将其接入物联网管理平台。通过这种方式，我们不仅可以实现对作物生长环境的远程监控和管理，建立起一种更加自动化、智能化、集成化的大棚巡检方式。

首先，本项目旨在降低成本和资源优化。本项目采用轮式机器人移动巡检的方式代替定点铺设的大量监测点，有效降低了硬件成本。此外，轮式机器人所使用的电源、传感器等部件都采用模块化设计，便于维护和更换，从而降低了人工维护成本。

其次，本项目旨在通过利用轮式机器人的移动性从而提高对不同作物，不同生长阶段的环境监测效率。在简化并升级供电系统后，该巡检机器人可支持一小时以上的连续运行。与固定环境采集终端相比，一台设备即可收集处于不同位置，不同生长阶段的农作物环境数据。数据在上传到物联网管理平台进行分析和与理想数据的对比后，农业管理人员可以对不同生长阶段的农作物提出针对性的管理方案，从而提高管理效率。

本项目接入南昌市农科院研发的物联网设备管理平台，在将该设备连接到平台后，可以通过该平台实时调取车载传感器监测到的大棚中的温度，湿度，大气压强等多项重要农业指标，从而为农业管理人员提供及时，直观的反馈。农业管理人员可以将实际数据与农作物生长的理想指标进行对比，在发现异常数据后，农业管理人员可使用该平台同时管理和操控其他物联网智能农业设备，包括远程灌溉，温控，通风，补光设备等，从而对异常数据进行调控和修正，实现温室大棚的一体化智能管理。轮式巡检机器人所带来的实时监控和决策的优势可以使农民及时发现作物生长不良或疾病的早期迹象，并采取相应的行动，从而防止潜在的损失。这种数据反馈与智能管理的方式将进一步提升大棚巡检的效率和准确性，为农业生产带来更多的便利和效益。

南昌市农科院研发的物联网设备管理平台

最后，为了进一步简化数据反馈和提高其及时性，本项目也接入了智慧农业APP,农户可通过手机客户端接收到该环境采集车所收集到的数据。该APP目前已实装实时状态监控和管理，设备报警等功能，一些功能如数据分析和比对等仍处于试验阶段。

智慧农业APP设备管理平台

技术原理

轮式机器人

轮式机器人采用以STM32F103单片机为主控MCU的主控板为机器人控制系统的核心，从而对巡检机器人系统进行可靠远程控制。该控制板主要用于小车型机器人的控制，同时具有对外部输入电源稳压功能。使用KEIL5软件来编译，烧录和调试程序代码。机器人控制板由主控MCU，电机、舵机驱动，远程通讯接口，SWD下载调试口等主要部分组成（见图三）。轮式机器人所用代码主要分为两部分，分别为电机驱动程序以及遥控配对程序。

轮式机器人主板原理图

传感器组件

传感器组件为模块化的便携式集成设备，整体以白色百叶箱包裹保护，内部集成的传感器共有3种，包括温湿度传感器SHT30、光照强度传感器SHT30、气压传感器MS5611。

电源模块

团队自主设计了一款供电模块，该模块符合PD3.1协议标准，最高支持140W双向充放电设计。我们采用了市场上最通用的Type-C插口，可以同时输出车辆所需的12V和6V电源。此外，由于该模块具有双向供电功能，在紧急情况下，它还可以反向输出符合PD3.1标准的140W功率，为其他大功率设备提供电力供应。

自研供电模块

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来源｜国际部

编辑 | 查书雨

审核 | 陈亮 盛常春