农田信息采集车的设计与试验

【作者】 姚照胜； 刘涛； 刘升平； 邓国强； 武威； 孙成明；

【机构】 江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室扬州大学农学院； 江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心； 中国农业科学院农业信息化研究所；

【摘要】 【研究背景】农田信息获取是掌握农田环境和作物生长状况的必要手段,是利用农田大数据实现精准农业的基础。农田信息化采集指通过各类传感器和各项指标来判断环境状况与作物长势,相较于人工调查,更具有标准性和规范性。快速高效获取农田环境与作物长势信息能提供准确的田间前端数据,为制定科学合理的施肥、喷药、灌溉措施提供依据,达到精准施肥、合理施药、节约灌溉的目的。随着物联网和大数据技术的兴起,利用物联网和大数据技术获取农田信息成为当前研究的热点之一。针对传统农业物联网系统传感器少、投入成本高、建设周期长和对环境不友好等问题,设计了一种可移动式农田信息采集智能车。【材料与方法】本文利用低成本部件,搭建一种可移动式田间信息采集车,实现作物行间农田信息和图像的采集。该采集车的系统总体设计,包括动力系统、运动控制系统、供电系统、无线图像传输系统和传感器检测系统等。利用Matlab仿真对关键部件机械臂的构成和运行情况进行了分析和模拟,对采集车进行小麦田间性能测试。【结果与分析】经田间试验,农田信息采集车通过WiFi与手机连接,图传信号强,手机遥控操作延时在200ms内,最大遥控距离45m。低转速大扭力电机和宽履带式车轮可以保持最大0.8m/s的速度行驶,越障最大倾斜角可达30°,在田间复杂环境下通过性强。车身小巧,能在行间距15cm以上的作物行间完成前进、倒退、转向等操作。可以以第1视角观察到作物行间画面,视频画面流畅、清晰,在匀速行驶状态下平均帧率为21.3f/s,视角调整精确。信息采集功能可完整实现,可以获取环境温湿度、光照强度、CO₂浓度、风速等数据,通过搭载的机械臂和土壤传感器,获取土壤温度、湿度信息,单点平均采集时间为45s。结果显示采集车整体设计合理,车辆通过性强,最大倾斜角度达30°,最大遥控距离45m,获取图片清晰。将传感器采集的数据与常用高精度仪器测量结果进行比对,农田信息采集车所采集温度、湿度、光照强度、CO₂浓度、风速、土壤温度和土壤湿度与高精度仪器设备所测数据相关系数均大于0.90,满足采集需求。【结论】（1）针对传统农业物联网系统存在传感器少、投入成本高、建设周期长和对环境不友好等问题,设计了一种以STC11F32XE微处理器为核心,搭载温湿度传感器、光照强度传感器、CO₂浓度传感器、风速传感器和土壤温湿度等传感器的农田信息采集车,通过Wi Fi将控制设备与信息采集车连接,实现远距离遥控行走和农田环境信息采集。（2）为解决土壤温湿度采集的需求,采用特殊设计的钻头,将土壤传感器与加宽钻头结合,利用5自由度机械臂与钻头电机,实现土壤温湿度传感器钻入土下约5cm,获取土壤温湿度信息。（3）田间试验表明:图传画面流畅、清晰,在匀速行驶状态下平均帧率为21.3f/s,视角调整精确;遥控延时在200ms内,最大遥控距离45m,最大行驶速度为0.8m/s,最大越障倾斜角为30°,可在行间距15cm以上的作物行间行走;所采集温度、湿度、光照强度、CO₂浓度、风速、土壤温度和土壤湿度与高精度仪器设备所测数据相关系数均大于0.90;单个农田信息采样点平均采集时间为45s。该采集车可实现定时定点大范围获取田间数据的功能,能够替代和补充传统物联网系统。更多还原