The research of intelligent flower watering robot based on potted plant

Scientific Journal of Control Engineering August 2014, Volume 4, Issue 4, PP.102-107

The Research of Intelligent Flower-watering Robot Based on Potted Plant Qingquan Cui 1 #, Xunhe Yin 2, Jiawen Chen 1 1 .Yunnan Land and Resources Vocational College, Kunming 650217, China 2. School of Electronics and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China #

Email: modic@163.com

Abstract With the rapid development of society, the modern rhythm of life and work is faster, there is common that nobody can manage the flowers in holidays, which results in flowers withered. Therefore, it has important research value and practical significance to research the mobile intelligent automatic watering robots. In this paper, according to the sensor technology, computer technology and automatic control technology, an intelligent flower-watering robot based on potted plant is designed. The flower-watering robot can automatic trace follow a predetermined path, soil moisture data acquisition, and automatic watering in time and fixed amount model. The intelligent watering system provides a smart, efficient, and reliable solution, and solves the unattended situation for automatic watering pot effectively, which increase the automatic degree of watering flowers. The Intelligent flowerwatering robot designed in the paper not only save water resources, but also make plant grow better.

Keywords: Robot; Flower-watering System; Intelligent Control; Automatic Path; Humidity Sensor

一种基于盆栽的智能浇花机器人的研究* 崔庆权 1，尹逊和 2，陈家文 1 1.云南国土资源职业学院，云南 昆明 650217 2.北京交通大学 电子与信息程学院，北京 100044 摘

要：随着社会飞速发展，现代生活和工作的节奏加快，由于假期等处没人管理导致花木枯死比比皆是。因此，对于

智能自动浇花的移动机器人的研究具有重要研究价值和实际意义。本文应用传感器技术、单片机技术和自动控制技术， 设计了一个基于盆栽的智能浇花机器人。该浇花机器人能够按照预定的路径实现自动寻迹、土壤湿度数据采集、自动定 量、定时浇水。该智能浇花机器人实现一个自动化、可靠的盆栽浇水方案，有效地解决了无人管理的情况下为盆栽自动 浇水，一定程度上提高了浇花的自定化程度，既节约了水资源，又能让植物更好生长。 关键词：机器人；浇花系统；智能控制；自动寻迹；湿度传感器

引言 随着社会飞速发展和生活水平的提高，办公室和家庭盆栽越来越受到了人们的关注和亲睐。盆栽可以净 化空气，美化环境，但是由于现代生活节奏的加快，由于工作忙、假期、外出旅游、外地出差等各种原因， 而没有时间从而无法照顾盆栽的时候，不能及时地为盆栽补充水分及养料，导致盆栽因缺水而死亡。在学校 和企业，由于放假回家而将花放在办公室等处没人管理导致花木枯死也是目前较为常见的问题。在办公室或 是家中，特别是学校的办公室和宿舍，各种盆栽花卉比比皆是，大部分办公室和家庭盆栽花草的死亡由于浇 水不及时引起。水是植物生存、生长的最基本需要，因此，设计一种能够在无人管理的情况下的自动控制浇 *

基金资助：受 2013 云南省教育厅科学研究项目（2013Y559）、云南国土资源职业学院科研项目支持资助（2013YJ01） 。 - 102 http://www.sj-ce.org

花系统，能够有效的防止花木在上述情况下的枯死。 随着传感器技术、单片机技术和自动控制技术等发展，各种智能化的家居和系统渐渐地融入到人们的生 活中。目前，相对于家庭用的自动盆栽花卉的浇水系统比较少，而大多数价格较高，多适用于大范围的浇 水，而一个简单、实用的家庭智能浇花系统是有一定的需求。 因此，本文设计一种基于单片机的智能浇花系 统是十分必要而且很有意义，自动定时浇水和湿度传感器浇水多种模式可以保证盆栽的水量需求；另一方 面，定时、定量浇花，把低碳、环保的理念融入到系统中，能够节约水资源。

1

浇花机器人总体设计结构 浇花机器人总体设计结构图如图 1 所示，该系统主要由一个 4 自由度机械手、土壤湿度传感器、水泵驱

动电路、四路减速电机驱动电路、2 路寻迹光电传感器和 DS1302 时间电路等组成。通过土壤湿度传感器测量 出土壤湿度信号，单片机采集土壤湿度信号并进行分析和处理，输出控制信号来控制水泵工作，通过时间控 制浇花的长短。其中，四路减速电机驱动电路为一个移动式的平台，实现浇花系统的自由移动。 4 自由度 机械手

继电器

单片机 ATmega32

湿度传感器

电机驱动 电路

2 路寻迹光 电传感器

水泵

四路减速 电机

DS1302 时间电路

图 1 浇花机器人总体设计结构图

2

智能浇花机器人的硬件设计

2.1 机器人的移动模块 为了保证智能浇花机器人的移动驱动力，本文所设计的浇花机器人的动力采用一个四轮驱动的底盘，包 含四个独立的减速电机，其减速比为 1：78，保证了浇花机器人能够自如的快速移动。移动的动作包括：快 速前进、快速后退、左转弯、右转弯、掉头，其结构如图 2 所示：

M1

M3

M2

M4

图 2 四轮驱动的底盘原理图

本文的电机采用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由 于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。驱动采用功率三极管 作为功率放大器的输出控制减速电机,这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大， 能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。 - 103 http://www.sj-ce.org

其中 M1、M2、M3 和 M4 表示四个减速电机，移动的动作的控制原理和命令如下表所示： 表 1 动作的控制原理和命令 动作 前进 后退 左转 右转 调头

M1 1 -1 0 1 -1

控制命令 M2 M3 1 1 -1 -1 0 1 1 0 -1 1

M4 1 -1 1 0 1

当四个主动轮的方向、速度一致时，实现前进或是后退；当右侧两个驱动轮（M1 和 M2）速度大于左侧 两个驱动轮（M3 和 M4）时，实现左转；反之，实现右转，其转弯的速度取决于左右两侧驱动轮的速度差。 通过采用这样的独立的四轮驱动，体现了浇花机器人移动的灵活性、快速型和稳定性。

2.2 智能浇花机器人的自动寻迹模块 采用两路光电传感器，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来 控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。 采用两只光电传感器分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位 能作出较为准确的判别和及时反应。两路光电传感器的数值与运动控制的逻辑关系图。 表 2 运动控制的逻辑关系 运动传感器数值 Left Right 0 0 0 1 1 0 1 1

运动状态 前进 左转 右转 停止

2.3 花盆土壤湿度检测模块的设计 花盆土壤湿度的检测采用高精度的湿度传感器（型号、参数等）。为了实现土壤湿度检测，传感器的检 测探头安装与一个 4 自由度的机器手的前端，方便插入土壤进行湿度的可靠性检测。湿度传感器电路原理如 图 3 所示。

图 3 湿度传感器电路原理图

土壤湿度模块对环境湿度最敏感，模块在土壤湿度达不到设定阈值时，DO 口输出高电平，当土壤湿度 超过设定阈值时，模块 D0 输出低电平；数字量输出 D0 可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电 平，由此来检测土壤湿度；模拟量输出 AO 可以和 AD 模块相连，通过 AD 转换，可以获得土壤湿度更精确 的数值。 机械手为一个 4 自由度的机械结构，执行结构选择 4 个高精度和高扭矩的舵机，提高机械手的灵活性和 - 104 http://www.sj-ce.org

驱动力。土壤湿度检测模块的工作流程如图 4 所示。 开始

驱动舵机电 路 舵机运 行 N 到达预定位 置?

Y 湿度检 测 结束 图 4 土壤湿度检测模块工作流程图

2.4 智能浇水系统模块的设计 浇水系统模块采用一个微型的抽水电泵（型号：RS320HS，额定电压：9V）实现，抽水电泵接于一个继 电器上，通过继电器控制抽水电泵的运行与停止。 设土壤湿度为 sh: if(0<sh && sh<30%) Dealy==1; if(sh>=30%) Dealy==0。当土壤的湿度小于 30%时，单片 控制端的输出信号为高电平，驱动微型的抽水电泵工作，进行浇花；当土壤的湿度高于 30%时，单片控制端 的输出信号为低电平，抽水电泵不工作，不进行浇花。

3

智能浇花机器人的工作流程 智能浇花机器人的工作原理和流程图如图 5 所示，智能浇花机器人有两种工作模式可以选择：根据土壤

湿度自动浇花和定时浇花。模式一根据土壤湿度自动浇花，自动进入到寻迹子程序驱动移动平台按照预定的 路径进行盆栽的土壤湿度检测，把所有盆栽检测完毕之后，结束本次自动浇花。模式二定时浇花，通过 DS1302 芯片实现一个万年历，通过设置浇花的时间和日期实现定期的浇花功能。

4

智能浇花机器人的运行分析 通过在本文所设计的浇花机器人的实验，为了验证其稳定性和可靠性，总共试验 20 次，其运行数据和

运行情况如表 2 所示。调试运行 10 次：成功浇花的次数为 8 次，成功率为 80%；失败次数 2 次，失败率为 20%；调试运行 30 次：成功浇花的次数为 20 次，成功率为 66.7%；失败次数 10 次，失败率为 33.3%。 失败的情况包含两个情况：（1）寻迹失败：浇花机器人在浇花的过程中，没有按照预定的浇花路径行 走，导致无法到达所需浇花得盆栽；（2）检测失败：浇花机器人按照预定路径到达盆栽处，机械手没有按 预定位置弯曲带湿度传感器的机械关节，导致土壤湿度的检测失败，进而无法按湿度的大小值来驱动水泵来 工作进行浇花。 通过分析调试运行情况表，可以看出总的浇花成功率保持在 70%以上，基本能满足初级设计的要求。但 失败率相对较高，通过分析失败的原因，主要是本文所带的驱动电路相对较多，导致相互干扰，信号无法发 送到指定位置，后续还将对整个浇花机器人的硬件电路进行进一步的设计和优化。 - 105 http://www.sj-ce.org

开始

系统初始化

模式选择

寻迹子程序

定时浇花

N 机械臂子程序

到达设定时间?

Y

检测土壤湿度 驱动水泵定 量浇花

N ≤设定湿度?

Y N

Y 浇花时间到?

驱动水泵定 量浇花

Y 浇花结束

浇花结束 图 5 智能浇花机器人的工作流程图 表 2 调试运行情况

5

次数

成功率

10 20 30

80% 70% 66.7%

失败率 寻迹失败 检测失败 10% 10% 20% 10% 26.7% 6.67%

结论与展望 本文所设计的基于盆栽的智能浇花机器人，能够按照预定的路径实现自动寻迹、检测土壤湿度、自动定

量浇水，其模式可以设置为定时自动浇花和根据土壤湿度自动浇花两种模式，通过试验验证了本文所设计的 浇花系统的可行性和可靠性，实现一个智能、高效率、可靠的盆栽浇花。但是由于控制电路所带的驱动电路 相对较多，导致相互干扰，导致了浇花得失败率相对较高，后续将继续进行深入研究和设计，对电路进行改 进，以达到较为可靠的自动化浇花的目的，让产品得到更为广泛的应用。

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【作者简介】 1

2

崔庆权（1985-），男，硕士，讲师，

尹逊和（1966-），男，汉，博士，教

研究方向：自动控制、单片机、机器人

授，研究方向：智能电网中的通信与控

技术、网络控制系统、控制理论及应用

制、网络控制系统理论与应用、控制理

等。2009 年 7 月毕业于北京交通大学，

论在网络通信中的应用。2000 年在哈尔

控制理论与控制工程专业，获得工学硕

滨工业大学控制工程系获工学博士学

士学位；2007 年 6 月毕业于北京理工大

位，曾作为博士后在清华大学电子工程

学自动化专业，获得工学学士学位。

系通信与信息系统博士后流动站工作。

Email: modic@163.com

Email: xhyin@bjtu.edu.cn

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