低碳智能种植小车的设计与应用

杨博，程清伟，李庆鸿，叶佐镇，李家辉，谢顺成

低碳智能种植小车的设计与应用

杨博，程清伟，李庆鸿，叶佐镇，李家辉，谢顺成

（华南理工大学广州学院，广东广州510800）

低碳智能种植小车的设计，主要是为解决人工挖坑种植劳动强度大、效率低及大型机械化种植成本高、体积庞大灵活性低、性能不稳、无法大规模使用的问题。本设计在电气控制上利用空气压缩机产生高压空气，并结合STM32系统控制电磁阀开闭来控制气压缸的往返运动，并且由WiFi232模块对种植机进行无线遥控制电磁阀的开闭，再驱动在机械结构下完成挖口、投苗、覆土、镇压、铺设滴灌植树的一般流程，从而实现智能种植。

低碳；智能；种植；设计

国家林业局印发《国家林业局2016年工作要点》通知，我国全年计划完成造林1亿亩、森林抚育1.2亿亩，实现林业产业总产值6.3万亿元、林产品进出口贸易额1 500亿美元。这对于现有的人工装备，种植工作任务大，作业季节性强，仅育苗一项，人工就无法满足要求。实践表明，由机械智能化植树造林才能最大限度地提高生产率，降低生产成本，提高造林成活率。此外，发展植树造林的“未来产业”，将有效地解决生产过剩、劳动力过剩的矛盾，大大缓解“现在产业”市场竞争的压力，促使有序竞争和有效管理体系建立起来，为“未来产业”发展提供物质保障。但是我国在树苗种植方面，还是以人工为主，机械为辅，而国内目前的植树机体积巨大，性能不稳，成本高。基于以上情况，设计出适用于林业与农业的智能化、低成本的低碳智能种植小车。

1 低碳智能种植小车的基本组成及工作原理

低碳智能种植小车主要由底盘搭载平台装置、种植装置、覆土压实装置、自动投苗装置、浇水工作模块、空气压缩机装置，传感器模块、电机及驱动模块及无线WIFI远程控制模块。

其工作原理：低碳智能种植小车的智能系统是采用STM32系统控制，智能系统的人机交流界面可以设定农作物行间距、株间距、种植的深度，并通过小车上的检测装置检测到土壤的温度、湿度。智能种植小车根据所检测数据，传输到智能控制系统处理并作出判断，是否对种植环境给予改造。智能种植小车在改造种植环境时可通过控制小车浇水的浇水装置给农作物适当的水量并可提高农作物的成活率。低碳智能小车在种植系统控制、土壤监测、农作物种植、浇水等功能方面，实现了智能种植的过程。

低碳智能种植小车的机械结构及电气控制上是利用空气压缩机产生高压空气，通过STM32系统控制电磁阀开闭来控制气压缸的往返运动，并且由智能系统中的程序控制电磁阀的开闭，从而完成低碳智能种植小车在挖口、投苗、覆土、镇压、铺设滴灌等植树环节。低碳智能种植小车在农作物运输、投苗、种植、压实、浇水过程集为一体，同时智能小车中的工作模块与控制模块分开，从而减轻了小车重量，使智能种植小车更加灵活方便，工作效率更高。智能种植小车的控制模块可通过人为手持遥控，通过WiFi模块发送指令及接收机器工作状况，根据智能小车的工作情况调整相关参数，以实现小车运行方面得以最佳。低碳智能种植小车的工作原理如图1所示。

图1 低碳智能种植小车的工作原理

2 小车智能模块工作过程

2.1 智能种植装置

智能种植装置由空气压缩机、气压缸、种植管、电磁阀继电器和滑轨组成，空气压缩机工作时产生高压空气从而推动气压缸活塞上下运动实现种植挖口。智能STM32控制系统衔接继电器，利用小电流控制大电流的方式控制电磁阀的开闭来控制气压缸的工作状态，然后电磁阀进气带动种植枪快速平稳往下运动，使种植枪插入土中，完成挖种植坑的流程。

2.2 覆土压实装置

覆土压实装置利用杠杆原理将种植枪口打开，并对种植坑进行扩大，同时植物从种植枪中滑落至种植坑中，然后种植气压缸带动种植枪上升，最后由压实气压缸带动填土机构进行覆土压实并将种植枪口关闭。图2为种植及压实机构三维模型图。

图2 种植及压实机构三维模型

2.3 自动投苗装置

智能种植小车的自动投苗装置主要由齿轮、齿条、步进电机、滑轨和放置苗圃的架子组成。控制该装置的步进电机由STM32控制系统控制电机驱动，当步进电机正向转动时，与转子衔接的齿轮啮合齿条携带放置苗圃的架子前进，在滑轨的约束下，往前移动，当苗圃到达投苗口时，投下苗圃至种植枪，与此同时，步进电机停止转动，从而完成投苗的流程，等待下一投苗工作流程。

2.4 智能浇水装置

智能浇水装置是由水箱、水管、喷头、水泵和电磁阀组成。小车在压实机构工作完成后，通过STM32控制系统，控制电磁阀通断电来控制水水泵的工作状态。通过电磁阀来控制浇水，可以通过设置参数来调节水的流量，满足不同苗圃对水分的要求，从而提高了苗圃的存活率，种植机水泵参数如表1.

表1 水泵参数

2.5 气压控制装置

气压控制装置由一个便携式充气泵和储气瓶组成，小车气压工作时，蓄电池为便携式充气泵提供电能，使得便携式充气泵对气瓶进行充气。充气泵与空气压缩机比较，充气泵在结构上没有储气的气瓶，无法直接输出高的气压。所以该机构上的气瓶起到了存储气体和蓄压的作用。当气瓶内气压达到一定数值时，电磁阀控制气体的进出及流量，达到输出不同压力的目的。

2.6 基于STM32系统控制原理

小车智能控制系统采用STM32处理芯片。利用WIFI232模块对种植机进行无线遥控，首先采用L298电机驱动模块驱动电机，实现机器人的运动，其次过STM32系统控制电磁阀开闭来控制气压缸的往返运动，并且由程序控制电磁阀的开闭完成挖口、投苗、覆土、镇压、铺设滴灌植树的一般流程。

2.7 探测系统

探测系统主要采用温度，湿度传感器，以及超声波传感器，该系统工作前完成探测任务，根据传送回来的数据分析，对该区域的种植环境进行预判段，判断对其改造的方向、程度，最大程度改善环境，一方面根据探测回来的数据，对土壤的温度、湿度进行分析，探测的结果为后来改造做充足的准备。图3是探测系统流程图。

图3 探测系统流程图

3 智能小车工作效率分析

低碳智能种植小车对于人工种植和传统的机械种植，工作效率有所提高，低碳智能种植小车选用的驱动电机的参数如下表2，通过相应的计算得出种植小车的工作效率。

表2 电机参数

已知电机的输出转矩T、轴距L，可求得力F.

F=T/L=375 N

种植机的行走速度计算，根据电机的输出功率P，以及驱动力F，可求得。

V=P/F=0.4 m/s

设定树苗种植间隔b为1.5 m，挖坑种植一颗树苗的时间t1为1 min，则种植一颗小树苗需的总时间为t.

t=t1+1.5/0.4=63.75 s

一天工作8 h，车宽a为0.6，则可以算出植树机一天的种植棵树y和种植面积S：

y=8×3 600/63.75=451.8颗

S=aby=0.6×1.5×451.8=406 m2

与传统的人工相比，图4为低碳种植小车与传统人工工作效率对比图。

图4 种植小车与传统人工工作效率对比

4 结论

低碳智能种植小车是一款新型种植机器，旨在广泛应用于林业农业。本设计采用气动驱动，运用自动投苗，从而实现种植过程的运输、投苗、种植、压实、浇水的功能，减少对苗圃的损伤，提高苗圃的成活率。作为人口大国，我国对进口粮食瓜果极具依赖且木材供需矛盾日益尖锐，木材供不应求。新型植树机通过无线远程遥控控制智能化完成挖坑、投苗、覆土、镇压、铺设滴灌等植树一整套流程，降低劳动强度的同时大大减少农业瓜果种植的流程。

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The Design and Application of low Carbon Intelligent Planting Trolley

YANG Bo，CHENG Qing-wei，LI Qing-hong，YE Zuo-zhen，LI Jia-hui，XIE Shun-cheng
（South China University of Technonlogy of Guangzhou，Guangzhou 510800，China）

The design of low carbon intelligent car is growing，high labor intensity，low efficiency and high cost，large mechanized planting large volume flexibility is low，performance is not stable，not large-scale use in order to solve the problem of artificial digging planting.The design of the electrical control using air compressor to generate high pressure air，and combined with the movement of STM32 system to control the electromagnetic valve to control the pneumatic cylinder，and by the WiFi232 module of planting machine to open and close and then drive to complete export，investment and general process of digging seedlings，soil，planting trees，laying drip suppression in mechanical structure wireless remote control solenoid valve，so as to realize intelligent planting.

low carbon；Intelligence；plant；design

S223.99

A

1672-545X（2017）07-0111-03

2017-04-25

广东大学生科技创新培育科技发明类重点项目（编号：pdjh2017a0961）

杨博（1996-），男，本科在读，主要研究方向为车辆工程；程清伟（1988-），男，广东湛江人，硕士，实验师，高级技师，主要研究方向为车辆工程。