孫玉萍 李宗唐

（西安培華學(xué)院，陜西 西安 710125）

在新的發(fā)展時期，依靠科學(xué)技術(shù)推動農(nóng)業(yè)發(fā)展，無疑是一項重要的實踐命題。習(xí)近平于2013年11月提出精準(zhǔn)扶貧思想［1］。從2013年至今，各地區(qū)政府響應(yīng)習(xí)近平的號召，紛紛出臺了相應(yīng)的扶貧政策，而養(yǎng)殖業(yè)憑借投資小、精準(zhǔn)度高以及收入穩(wěn)定等優(yōu)點成為脫貧攻堅的主力軍。黨的十九大報告中提出了鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，需要抓好農(nóng)村人居環(huán)境建設(shè)，加強(qiáng)農(nóng)村污染治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等。

1 背景及目的

目前，國家為推動貧困區(qū)縣經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鼓勵在不破壞生態(tài)環(huán)境的同時大力發(fā)展畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。然而，貧困地區(qū)家庭收入的來源主要為青壯年外出務(wù)工所得，在家中留守的多是婦女、兒童和老人。這一群體普遍存在勞動力缺乏、文化水平低的問題，對養(yǎng)殖沒有科學(xué)認(rèn)識，對畜禽糞便不能進(jìn)行科學(xué)處理，且環(huán)境保護(hù)意識薄弱，導(dǎo)致糞便污染管理不能有效開展［2］。

一些養(yǎng)殖戶環(huán)保意識薄弱，選擇在養(yǎng)殖場內(nèi)設(shè)置下水道。對于畜禽類糞便的清理，他們選擇直接用水沖洗，并引流至場外不遠(yuǎn)處的化糞池中，并經(jīng)常將未處理的禽畜糞便直接作為肥料施加到農(nóng)田中。由于養(yǎng)殖環(huán)境較差且未處理的糞便中含有大量有害物質(zhì)，導(dǎo)致農(nóng)田受污染情況嚴(yán)重。養(yǎng)殖戶盲目施加肥料，用量不符合農(nóng)作物的生長需要，導(dǎo)致肥料施加量過大，使農(nóng)作物出現(xiàn)了貪青、瘋長的情況，延長了農(nóng)作物的生長周期，對農(nóng)田造成了嚴(yán)重?fù)p害，同時大大減少了農(nóng)作物收益。糞便和排泄物中的病原菌通過土壤、水源以及空氣等進(jìn)行傳播，也會將病原體傳染給人們。

由于技術(shù)落后，貧困山區(qū)養(yǎng)殖粗放，大都深受疫病、技術(shù)服務(wù)等因素的困擾。從根本上解決這些問題，在不影響的發(fā)展下推動經(jīng)濟(jì)進(jìn)步，做到產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居，需要對畜禽的糞便進(jìn)行科學(xué)化集中收集處理［3］。本項目提出一種基于無線通信技術(shù)和微處理器技術(shù)的智能清掃機(jī)器人，旨在從污染源頭對糞便進(jìn)行處理，解決養(yǎng)殖過程中糞便收集清理問題。

2 整體設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項目設(shè)計的智能清掃機(jī)器人，整體系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

清掃機(jī)器人通過無線傳感模塊將采集的障礙物信息（如畜禽糞便）運用無線技術(shù)進(jìn)行傳輸，并將識別的內(nèi)容解析和控制指令發(fā)送給主控制端實現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎、停留以及前進(jìn)等功能。若檢測到前方出現(xiàn)障礙物，主控制端立刻向機(jī)器人發(fā)出停止指令，并將信號發(fā)送給清掃模塊，完成清掃［4］。

本項目也可集成多種無線模塊，實現(xiàn)清掃、物體實時跟蹤以及實地信息傳輸?shù)榷喾N功能。該項目中設(shè)計采用無線信息傳輸模塊，主要集成傳感器、處理單元和通信模塊節(jié)點，且各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡(luò)。無線信息傳輸模塊將采集的障礙物信息經(jīng)過優(yōu)化后反饋給主控制器，主控制器把命令處理成對可控設(shè)備的相應(yīng)操作指令，并將操作指令以電脈沖信號形式發(fā)出，而執(zhí)行模塊將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的形式發(fā)送給清掃模塊，從而實現(xiàn)清掃。

2.2 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能從以下3個部分來實現(xiàn)。第1部分由無線信息傳輸模塊和主控制器組成，實現(xiàn)對障礙物信息的采集；第2部分由主控器和接口電路組成控制總平臺，實現(xiàn)對該系統(tǒng)的總體控制；第3部分由主控制器、感應(yīng)電機(jī)及周圍電路組成清掃模塊，實現(xiàn)對障礙物的清掃。通過以上3個部分最終實現(xiàn)整體系統(tǒng)功能，而在實現(xiàn)基本要求的基礎(chǔ)上，還可集成視頻遙控等功能，為養(yǎng)殖戶提供更加方便、快捷的服務(wù)［5］。

3 項目實施

3.1 主控制器

本系統(tǒng)選用基于ARM的32位增強(qiáng)型MCU作為主控制器，基本電路由其最小系統(tǒng)及電源指示燈組成，工作電壓2.0～3.6 V。由于電路需要的無線傳感模塊驅(qū)動電壓為5 V，所以需添加3.3 V穩(wěn)壓芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該芯片功耗低、性能高、成本低，滿足主控制系統(tǒng)對資源的需要。

3.2 傳感模塊

3.2.1 超聲波傳感器。采用HC-SR04超聲波模塊，模塊性能穩(wěn)定，測距精確且精度高，盲區(qū)只有2 cm，符合系統(tǒng)對傳感器的要求。項目實施過程如圖2和圖3所示。

圖2 無線傳感器工作示意圖

圖3 執(zhí)行模塊工作示意圖

整體實施過程如下：主控制器產(chǎn)生一個方波用來驅(qū)動無線傳感器發(fā)射檢測糞便的聲波，聲波碰到障礙物反射回?zé)o線傳感器接收端；若沒有檢測到糞便，則輸入低電平給主控制器，使得主控制器驅(qū)動無線傳感器繼續(xù)尋找糞便；若檢測到糞便，則輸入高電平給主控制器，使得主控制器驅(qū)動清掃模塊進(jìn)行清掃。

3.2.2 壓力傳感器。壓力傳感器可以以一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以識別的電信號，在生活中極為常見。本項目的壓力傳感器模塊采用具有模數(shù)轉(zhuǎn)換的高精度、低成本的HX711芯片。該清掃機(jī)器人在清掃模塊備有清理箱，清理箱底部設(shè)有壓力傳感器。壓力傳感器可將清理箱所承受的質(zhì)量轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送給主控制器。提前預(yù)設(shè)清理箱的最大承重，傳感器將清理臂每清理一次時箱內(nèi)實施重量反饋給主控制器。當(dāng)“清理箱最大承重-清理箱內(nèi)糞便質(zhì)量≤1 kg”時，傳感器將信息發(fā)送給主控制器，主控制器停止檢測、清理、行進(jìn)并驅(qū)動蜂鳴器報警，等待下一步處理。由于該機(jī)器人實用性較強(qiáng)，所以在制作出初步原理樣機(jī)后需要進(jìn)行實地考察，根據(jù)實際情況改良原理樣機(jī)的方案，最終完成制作。

3.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊由舵機(jī)、清潔工具及指示燈組成。芯片接收到無線傳感器的障礙物信息，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比達(dá)到驅(qū)動舵機(jī)的目的。清掃工具與舵機(jī)相連，舵機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動清潔工具執(zhí)行清掃指令，從而實現(xiàn)對糞便的清理。

4 結(jié)語

近年來傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，作為本項目的技術(shù)核心，不僅節(jié)約了成本，而且減少了傳輸線路間的串?dāng)_，提高了產(chǎn)品性能和智能化水平，使得人們在使用過程中操作更為簡單、方便。項目所提出的智能清掃機(jī)器人通過對畜禽糞便進(jìn)行收集，有助于后期的循環(huán)利用，利用自動化設(shè)備代替人工水沖洗，減少了水資源的浪費，初步防治了空氣污染和農(nóng)田污染，為后續(xù)對糞便科學(xué)化處理提供了技術(shù)支持，實現(xiàn)了對養(yǎng)殖場環(huán)境污染的治理［6］。