一种智能测温农业巡检机器人

李柏林 梁均益 苏秋仁 陈沛霖 吴业滔 钟远兵

摘  要：智慧农业是通过先进的传感测量技术、设备技术、控制方法及决策支持系统技术的应用，实现农业生产的可靠安全、经济高效、环境友好和使用安全的目标。本文研究设计了一种智能测温农业巡检机器人，该机器人整机采用轻量化设计，能满足农户小型化运转的要求，实现远程多方向运行控制，适用于农业生产智能无人巡检、设备远程操控等，可以有效降低人工参与生产，减少农业生产巡检人员的投入，降低劳动强度，提高工作效率，为智慧农业的发展提供有益的参考。

关键词 农业 机器人 轻量化 智能测温

中图分类号：TP242.6

An Intelligent Thermometric Agricultural Inspection Robot

LI Bolin  LIANG Junyi   SU Qiuren*  CHEN Peilin  WU Yetao  ZHONG Yuanbing

Guangxi Vocational University of Agriculture， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530007 China

Abstract： Smart agriculture is to apply advanced sensor measurement technology， equipment technology， control method and decision support system technologies to achieve the reliable， safe， cost-effective， environmentally-friendly and safely-using goals of agricultural production. This paper studies and designs an intelligent thermometric agricultural inspection robot. The robot adopts lightweight design， which can meet the requirements of the miniaturized operation of farmers， and realizes remote multi-directional operation control， which is suitable for the intelligent unmanned inspection of agricultural production， the remote control of equipment， etc.. It can effectively reduce manual participation in production， reduce the input of agricultural production inspection personnel， reduce labor intensity， and improve work efficiency， which provides a useful reference for the development of smart agriculture.

Key Words： Agriculture; Robot; Lightweight;  Intelligent thermometry

智慧農业的建立是一个巨大的历史性工程，目前很多复杂的智慧农业项目正在进行中。对智慧农业技术的提供者来说，其面临的挑战是智能感知系统灵敏度不高，终端远程控制系统和执行控制指令系统精确性不足等方面的问题。在农业发展基础方面， 各国农业生产趋于饱和，农业经过多年的快速发展，架构趋于稳定、成熟，具备较充裕的生产能力。

随着中国经济的进一步发展，农业生产面积负荷增长迅速，农业生产压力增大，传统农业已无法满足日益增长的粮食需求。因此，建立统一强大的智慧农业是中国农业发展的方向。种植户是整个农业生产系统的关键设施，其工作状况直接影响整个粮食网络的正常运行，因此对其进行巡检与维护是关乎粮食生产系统安全生产的一项重要任务。虽然目前小型种植户内的自动化仪表已经可以通过联网的方式从后方监控室直接获取读数与工作状况信息，但是种植户内仍然存在大量地形复杂、气候变化、虫害处理等设施，需要人员定期进行巡视，观察农作物生长状况。智能测温农业巡检机器人正是用于帮助种植户巡视人员完成对农作物生长状况的巡检任务，从而节省人力成本 [1]。

1  国内外研究现状和发展动态

智能测温农业巡检机器人是一种结合了温度测量技术和机器人技术的智能设备，能够在农田或温室环境中进行温度测量和巡检工作。目前，智能测温农业巡检机器人在国内外的研究和发展方面已经取得了一定的进展[2-3]。

1.1国内研究现状与发展动态

智能农业机器人技术的研究和开发正在快速发展。一些农业科研机构、高校和企业都投入了资源进行相关研究。主要研究方向包括机器人导航、传感器技术、智能控制系统以及与农业相关的数据处理和决策分析[4-5]。

中国农业大学的研究团队开发了一种基于无人机的农田温度监测系统。该系统可以利用红外技术[6]实时监测农田的温度分布情况，并通过数据分析预测农作物的生长情况。研究团队展示了系统的可行性和有效性，为农民提供了实时的决策支持。北京农业机器人技术研究中心致力于开发智能农业巡检机器人，具备温度测量、巡检、数据采集等功能。该研究中心将机器人与先进的传感器技术相结合，能够对农田和温室内的温度进行精确测量，并通过云平台实现数据的实时传输和分析。此外，一些企业也推出了智能农业巡检机器人产品，具备测温、巡检、数据采集等功能，能够帮助农民提高生产效率和监测农田环境[7-8]。

1.2 国外研究现状与发展动态

智能农业巡检机器人的研究也取得了一些进展。例如，美国、日本等国家的一些大学和研究机构开展了相关项目和实验。其中，一些研究团队使用机器人和传感器技术，开发出了能够对温室内的温度进行精确测量和调节的智能控制系统，以提高农作物的产量和质量。

智能测温农业巡检机器人在国内外的研究和发展也正在不断推进。在技术创新方面，随着人工智能和机器人技术的发展，智能测温农业巡检机器人的各项功能得到了不断改进和完善。新的传感器技术如红外热像仪和多光谱传感器的应用，能够提高测温的准确性和效率。同时，机器人的自主导航和路径规划能力也在不断提高，使机器人能够更加智能地巡检农田。在数据处理与分析方面，随着大数据和人工智能技术的发展，智能测温农业巡检机器人可以采集和处理大量的温度数据。利用数据分析和机器学习算法，能够帮助农民更好地了解农田的温度变化规律，预测农作物的生长状态。同时，数据的实时传输也能够实现远程监控和远程操作。在应用推广方面，智能测温农业巡检机器人的应用正逐渐得到推广。一些农业企业和农民开始采用智能巡检机器人进行农田温度监测和巡视作业。机器人能够快速、精准地进行温度测量，帮助农民及时发现温度异常，采取相应的措施，提高农作物的产量和质量[9-10]。

总的来说，智能测温农业巡检机器人在国内外的研究和发展还处于初级阶段。目前的研究主要集中在技术验证和原型开发上，还需要进一步的研究和实践来解决实际应用中的问题，如如何提高测温精度、适应不同农作物的测温需求等。随着人工智能和机器人技术的不断发展，相信智能测温农业巡检机器人将在农业生产中发挥重要作用，并为农民提供更好的决策支持和技术服务。

2  设计方案

农业机器人控制系统最基本任务是负责控制机器人，实现其智能无人巡检。面对室外复杂的工作环境，控制系统要能及时处理各种异常状况，确保巡检机器人自身的安全。

本研究设计并制造出一种智能操作机器人，可实现双向行走和最优路径规划，同时将被测设备的声音、视频和温度将通过无线网络传送到监控室。在机器人巡检后，后台即可通过数据对农作物的生长状态进行判别。整机采用轻量化设计，能满足种植户小型化运转、远程多向控制運行的要求，为智慧农业的建设提供助力。

2.1  主结构

主体结构为钢架结构，结实耐用，总体颜色参照工程机械设计外观的黄色，使用轻薄的铁皮作为外壳包装，并做防腐防锈处理。利用步进电机驱动四轮转动，轮胎使用七孔橡胶铝合金轮，构成动力模组，四个动力模组相互镜像安装为AGV提供动能。使用AC电源插座对AGV小车进行充电及上电操作，并配备急停开关。

2.2  运转控制模块

为实现轻量化设计，产品的重量、尺寸方面应尽可能小型化，利于机器人的长时间待机工作和运转。运转控制模块应该能够实现远程的多方向控制，即前后左右运行控制，并支持摄像头双向安装。机器人表面应具有你保护涂层或者防腐设计，线缆接头无外漏；外壳具有防尘、防水功能。

2.3  智能远程视频控制模块

使用两自由度摄像头，确保摄像头拍摄的稳定以及在行驶过程中的视线。智能远程视频控制模块支持双摄像拼接，云台360°

可调节，能够实现全可视化操作，且各项运作均能实现远程手持控制。通过摄像头和传感器，可对设备的运行状态进行检测。例如：显示灯是否存在异常、系统时钟是否正确；各个功能模块的工作电压是否达标；各零件部位是否存在过热现象；定期对各仪器进行误差检测。

2.4  温度传感模块

使用温度传感器来测温的目的是为了精确测量农作物表面的具体温度以便工作人员进行温度统计进而确定近段时间的平均温度以便更好的改变大棚内的具体结构来调节长期的恒温效果而且机器人也可自行进行依靠现代智能大棚的控温系统进行控温。所使用红外线温度传感器（非接触式）非接触式传感器无需与被测介质接触而是通过被测介质的热辐射或者对流传到温度传感器，以达到测温的目的将其装在机器人视觉“眼部”中进行对农作物的扫描，主要的敏感元件与被测对象互不接触，这又称非接触式仪表。

此类仪表可用来测量运动物体也可用来精确测量[10]小目标农作物的外表温度且也能分析室外温度与农作物表面温度的差值，这有利于后续工作人员对农作物进行控温或者机器人有能力自行控温。

2.4.1 虚拟现实技术

在传统的温度控制中，往往仅通过温控仪器对空气温度进行监测和调控。而利用虚拟现实技术，可以实现对于作物的每一个部位（如根系、叶片）的温度进行实时监测和调控。通过对温度的精准掌控，可以最大程度上提高了作物的生长效率和产量，同时减少了能源和资源的浪费。

2.4.2结合预测算法实现温度智能控制

在传统的温度控制中，往往受到环境等因素的影响而导致控制效果有限。而结合大数据技术和预测算法，可以实现农业机器人对于作物生长需要及时调整温度，提高灵敏度，减少温度控制的误差，从而提高作物生长效率和品质。

2.4.3 红外线传感技术

传统农业智能控温主要根据空气温度进行调节，而新一代农业机器人引入了人性化的红外线传感技术，根据植物叶片的温度调整温度。研究发现，通过叶片温度控制，能够更好地适应不同作物的需求，保证了农作物不同生育阶段下的生长需要，从而增加其产量和品质。

2.4.4利用新型组件推动绿色化农业发展

近年来，新一代农业机器人凭借着其独特的硬件组件在控制农业生产方面有了新的突破。例如：入新型LED光源，能够更好地调节农作物生命活动所需的红光、蓝光等波长，从而有效地促进植物增长、提高光合作用效率。同时，利用薄膜太阳能板实现电源自给、自发热等功能，实现在各种环境中长时间连续作业，标志着发展的农业机器人正迎来一个崭新的运用纪元。

3  功能实现

智能农业巡检机器人是近年来农业技术发展的一部分，目前正处于不断发展和创新的阶段。智能农业巡检机器人是一种结合了传感器技术、机器学习和自动控制的智能设备，旨在提供农业生产中的温度测量、环境监测和农田巡检等功能。本文针对上述内容，设计了一种智能测温农业巡检机器人，介绍了智能测温农业巡检机器人的功能，通过以下功能，智能测温农业巡检机器人可以提供准确的温度测量和环境监测功能，帮助农民优化农作物的生长环境，并为农业生产提供决策依据，减轻农民的劳动负担，提高农田管理的效率和精确度，从而提高农产品的品质。具体可实现功能如下：

（1）日常巡检功能。农业智能操作机器人能按照设定的路线和任务自主对农作物的生长状态进行巡检，主要内容包括识别虫害、生长状态检查、空气监测、红外测温等，能对巡检全过程进行管理、录像和记录， 并为工作人员提供数据分析与决策支持。

（2）特殊巡检功能。农业智能操作机器人能替代种植人员在恶劣天气下对农作物进行自主巡检，完成大风、大雾、冰雪、 冰雹、雷雨、高热等特殊工况下的巡检，有效降低工作人员在恶劣天气进行户外作业的安全风险。

（3）自动巡检功能。农业智能操作机器人巡检系统与站内监控系统联动配合，可对农作物生长状态进行自动巡检。

（4）集中控制管理功能。种植户可设置智能机器人集控中心，对多个场地智能操作机器人进行统一控制和管理，实现机器人巡检作业标准化管理。同时，工作人员可对机器人巡检数据进行分析，及时掌握设备运行状况。

3.1  自主测温

自主测温技术是指通过传感器等设备，在农田内实时监测农作物的温度情况，并及时将更加精准的温度数据反馈给农民，帮助他们更准确地了解农作物的生长环境。为实现对温度更加精准的掌控，本文所制作的智能测温农业巡检机器人温度传感器采用了非接触式红外线温度传感器，这种传感器由光电二极管和一个涂有特殊材料的光谱滤光片组成，该光片只允许波光为8～14 μm的红外线。该技术原理原理通过农作物表面发出的红外线辐射与农作物的温度成正比，传感器将检测到农作物的红外线辐射信号转换成电信号，并通过信号处理运算测量农作物表面的温度，再通过测量数据来分析室外温度与农作物表面温度的差值，从而实现了对温度的精准掌控。

3.2  自主控温

自主控温是指机器人能够根据事先设定的控温策略，自主调节农作物的生长环境温度。本文所制作的智能测温农业巡检机器人在控温技术上采用了现代大数据预测技术和虚拟现实技术来更加精确的预测适合农作物生长的环境温度，再通过与非接触式红外线传感器[5]采集到的现实环境温度对比，最后机器人根据对比数据和预设策略来执行相对应的调温动作，从而实现了对环境温度的调整。该技术能够减少温度控制的误差，及时调整农作物生长环境温度，提高灵敏度，从而提高作物生长效率和品质。

3.3  远程操控

远程操控是指通过无线通信和互联网连接等技术手段，远距离操控和控制智能测温农业巡检机器人的运动和操作。本文所制作的智能测温巡检机器人远程操控采用了互联网技术，通过网络IP协议将智能测温巡检机器人连接到手机或者其他操作设备上，在结构上采用摄像头双向安装，能够实时将采集到的地形信息快速反馈至操作设备，最后根据返回地形信息操控机器人，从而实现智能测温巡检机器人远程的多方向控制。

4  結语

农业智能操作机器人可以帮助巡检人员完成大量重复工作，不仅可以节省人力成本，还可以避免人员懈怠而导致的安全隐患。农业智能操作机器人不仅可以协助巡检工作人员完成巡检任务，还能实现无人巡检所需的摄像功能和图像存储。该机器人主要用于对农作物开展的红外热成像监测、可见光视频拍摄、仪表图像识别、声音识别等巡检任务，能及时发现问题，并提醒种植人员，具有智能性、客观性、灵活性、安全性、 集成度高等特点。

参考文献

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[9] 郎福成，牟童，韩月.变电站智能巡检机器人系统设计[J].电工材料，2017（6）：36-38.

[10] 乔新昱. 农田小气候数据采集机器人设计[D].郑州：河南农业大学，2023.