温室大棚机器人监控系统设计

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随着智慧农业、农业4.0等概念的发展,利用现代通信、计算机和机器人等新兴技术促进传统农业朝向设施农业领域迈进,即在可控的现场环境内,运用工程技术手段,以提升生产效率的现代化生产方式。农业生产环境可控是当前农业技术变革的基石,因此对农业现场各项环境变量、设施设备运行状态和生产过程加以监控是当下重要的研究方向之一。温室大棚作为设施农业核心领域之一,其传统人工监控费时费力且调节滞后,而新兴无线传感网络监控组网技术复杂且成本过高。针对上述问题并结合项目背景,课题开展基于机器人的温室大棚监控系统研究。课题所研究的温室大棚机器人监控系统采用搭载农业传感器及无线通信单元的移动机器人平台,完成温室大棚监控数据的采集与传输,并提供通过浏览器Web页面进行的远程监控。机器人平台基于改进A*+DWA算法得到的路径于温室大棚内完成数据采集,通过目前国内正在快速推广的NB-Io T技术完成中远距离数据传输,同时现场的近距离无线通信采用低功耗的BLE技术实现。监控数据采用物联网MQTT协议传输,该协议解析及用于监控的管理系统基于阿里云平台进行搭建,其一站式搭建、部署和运维的服务,极大的降低农业监控系统软件开发成本。课题主要研究内容如下:(1)对机器人平台、无线通信和后台管理系统的关键技术进行介绍。结合课题背景,最终选择轮式机器人平台,其路径规划通过改进A*+DWA算法实现;无线通信单元采用NB-Io T、MQTT和BLE技术;管理系统框架选用B/S、MVC和SSM,配合My SQL、Redis、Tomcat等中间件搭建于阿里云SAS服务器。(2)对课题需求、现场环境和路况进行分析,确定系统总体方案和各模块技术实现方案。机器人平台模块包括搭载传感器选型、行走机构运动学动力学分析、现场数据结构图构建和路径规划研究;无线通信单元包括主控、NB-Io T模块和BLE模块的芯片选型和相关电路设计;后台管理系统在完成SAS服务器及环境搭建基础上,对MQTT协议、系统架构和数据库进行设计与开发。(3)在完成系统所有设计开发后,对平台路径规划、无线通信单元、采样性能、MQTT协议、NB-Io T通信和服务器压力进行测试。在完成各部分性能测试后,在实验室搭建的温室大棚模型中,对温室大棚机器人监控系统方案进行试验分析,验证方案的可行性。
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