基于Onenet云平台的移动环境采集装置

高原 王锐哲 张天宇

河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023

基金项目：2023年度河南科技大学国家级大学生训练计划项目(2023110)

摘 要：随着我国农业种植规模的增加，本项目针对高环境要求的农作物设计了一款可移动的环境采集装置。该装置以低功耗微处理器为核心，实现无人车自动巡航，通过外设传感器实现数据采集，并通过物联网技术将数据上传至服务器，实现数据的可视化和远程可控。该设备具有低成本、实用性强以及广阔的市场前景。它能够替代人工操作，实现高环境要求的农作物种植的智能化。

关键词：农业种植；自动巡航；数据采集；物联网；智能化；

中图分类号：TP249文献标识码：A

Mobile Environmental Information Collection System based on the Onenet cloud platform.

Gao Yuan,Wang Ruizhe,Zhang Tianyu

(Henan University of Science and Technology,School of Information Engineering,Luoyang Henan 471023,China)

Abstract: With the increase in the scale of agricultural cultivation in China, this project designs a movable environmental monitoring device for high environmental requirements crops. The device is powered by a low-power microprocessor and enables unmanned vehicle autonomous cruising. It utilizes peripheral sensors to collect data and employs Internet of Things (IoT) technology to upload the data to a server, enabling data visualization and remote control. This device offers low cost, strong practicality, and broad market prospects. It can replace manual operations and achieve intelligent cultivation of high environmental requirement crops.

Key words: agricultural cultivation, autonomous cruising, data collection, Internet of Things, intelligent cultivation

收稿日期：2023-10-19

基金项目：2023年度河南科技大学国家级大学生训练计划项目(2023110)

作者简介：高原(2002-),男，河南南阳人，本科生，主要研究方向：嵌入式人工智能开发

XX 山西电子技术 2024年第6期

1 引言

农业是社会经济、技术和文化进步的重要体现。为了保障农产品供应和推进农业现代化，我国引进了智能温室大棚控制、智能农田灌溉和自动水果采摘等农用技术设备。然而，由于不完全适应我国国情、高昂的价格和维修困难等问题，我国也自主研发了一些技术，如监测植物生长所需的二氧化碳、温湿度和光照强度，以及人工控制温湿度和现代设施。这些技术的应用显著提高了农业产量和发展水平。

随着我国科技的进步，物联网和自动控制技术在农业中扮演着重要角色。物联网技术具有互联性、实时性和可视化性等特点，而自动控制技术则具备精确性和节约成本的优势。将这两种技术应用于农业中，通过移动底盘、传感器等设备实时采集农场环境信息，确保高环境要求的农作物在良好的生长环境中茁壮成长。利用无线传感网络技术，农户可以在任何地方监测和控制作物的生长环境，减轻工作负担。通过物联网技术，农户可以在平台上进行操作，实现喷灌、加温、自动释放CO2等控制，从而提高农作物产量。为了提高农作物质量和产量，可采用可移动环境信息采集系统，将采集的数据传输和可视化展示，并结合农业知识库进行决策，实现农作物的精确管理[1]。

收稿日期：2023-10-19

基金项目：2023年度河南科技大学国家级大学生训练计划项目(2023110)

作者简介：高原(2002-),男，河南南阳人，本科生，主要研究方向：嵌入式人工智能开发

2 系统设计方案

农业物联网系统由移动底盘装置和采集反应装置两部分组成，实现了农业的智能化和自动化。

移动底盘装置采用阿克曼底盘结构，承载整个系统并实现移动功能。通过使用UWB定位技术进行路径规划，底盘能够自动巡航，确保在农场内的准确定位和移动。这部分的主要功能是提供系统的可移动性，使得设备能够自主导航到需要进行采集和反应的区域。

采集和反应装置则由微控制器STM32和外部传感器组成。微控制器通过与传感器的连接，实时采集农场环境的数据，并将数据存储在SRAM中。借助物联网模块ESP8266和微控制器传输的AT指令，系统能够连接到WIFI网络并进行数据的网络传输。云服务器接收到数据流后，通过平台进行数据的可视化展示，农户和决策者可以随时了解农场环境的变化情况。

此外，平台上的按键功能还能对反应装置进行控制。通过简单的操作，农户可以实施一些物理操作，例如喷灌加湿、空气加热干燥等。这样的操作可以根据农作物的需求进行调整，提供良好的生长环境。

整个系统的优点在于集成了移动性和数据采集反应的功能。移动底盘装置使系统具有灵活性和自主导航能力，可针对农场中不同区域的需求进行定位和移动。采集和反应装置通过传感器和网络传输，实现了对农场环境数据的实时监测和可视化展示，为农户和决策者提供精确的农业决策和管理支持。

图1 系统总设计方案

2.2研究思路

底盘运动采用了模糊PID闭环控制算法，其中阿克曼转向系统通过舵机控制打向和后轮差速进行转弯，实现了小车的灵活性和最小转弯半径。（1）转向部分采用PID控制方法，包括比例、积分和微分控制器。在这个装置中，仅使用了PD控制方式。通过试探性地调整比例和微分参数，PID控制器能够实现对底盘运动的精确控制。模糊PID闭环控制算法结合了模糊逻辑和PID控制的优点，可以在不确定的环境中更好地调节控制器参数，提高底盘运动的性能和稳定性。（2）差速部分根据不同的速度要求调整差速，由于不同速度下的转弯半径不同。根据小速度下的比例系数Hp，通过Hp乘以设定差速K的比例，可以对系数K进行放大或缩小，从而实现差速与行驶速度的线性关系。

采集装置采用卡尔曼滤波算法：由于作物生长的环境较为复杂，可能影响传感器采集的数据，采集的数据也为多样，此时采集到的数据就会失去精确性，卡尔曼滤波融合算法能够在复杂的环境中进行数据状态的判别，在经过递推公式的递推下，能够进行系统状态的估计，减少原始数据的失真度，且精度高。具体融合算法如3.1。

3 采集装置数据融合算法

本系统采用卡尔曼滤波融合算法对传感器采集的数据进行融合、优化，采用卡尔曼滤波后只需很小的储存内存，传感器在采集农作物环境的参数时，分布的位置也不同，在时间上也比较分散，根据卡尔曼滤波的特点，在农业数据采集时，选用卡尔曼滤波是最好的选择。

3.1卡尔曼滤波融合算法过程[2]：

采用卡尔曼滤波来分析农作物环境前一时刻和后一时刻估计值的存在关系，来推断出当前的状态，由于采集的数据是离散的，要引入一个离散控制过程系统来描述离散数据，使用线性微分方程，方程为：

系统的观察方程为：

根据搭建的系统的模型，系统的上一个状态已经显示出，下一个状态就可以进行预测，预测方程为

式中：是由上一个状态进行预测出的值，是上一个状态最佳值，是现在状态方程的控制量。

式中：是的协方差，是相对应的协方差，为转置矩阵，是系统产生的协方差

根据上面两个状态方程得到了预测值,最终得到了卡尔曼滤波器状态的更新方程如下所示：

式中：为卡尔曼增益，I是为1的单位矩阵。

图2 卡尔曼滤波具体流程图

4结论

该系统移动底盘装置和采集反应装置的结合实现了农业的智能化和自动化。移动底盘装置采用阿克曼底盘结构和UWB定位技术，实现了系统的可移动性和自主导航能力，使设备能够准确定位和移动到需要采集和反应的区域。采集和反应装置通过微控制器与外部传感器的连接，实时获取农场环境数据，并借助物联网模块实现数据的网络传输和云服务器的接收与处理。农户和决策者可以通过平台进行数据的可视化展示，随时了解农场环境的变化情况，从而提供精确的农业决策和管理支持。总体而言，该系统的优点在于灵活性、自主导航能力和实时数据采集反应功能的集成，为农业提供了智能化和自动化的解决方案，有助于提高农作物的生长效率和农场的管理效果

参考文献

[1]姚於康.发达国家设施农业智能化发展现状、趋向和启示[J].世界农业,2010(10).

[2]汪言康.基于无线传感网络农业大棚环境智能采集系统[J].新疆:新疆大学,2019.