一种基于Arduino树间隙检测装置的制作方法

本实用新型属于林业监测技术领域，具体涉及一种基于arduino树间隙检测装置。

背景技术：

森林资源调查与数据采集是林业生产中的一个重要环节。树间隙数据是林区树林密度测量的一个重要测定因素。在林业操作规程中，人工林的栽植需要满足相应的树间距要求，树间距分为株距和行距，简称为株行距。其中，株距是指同一行内相邻的两株树木之间的距离(是指定植时的距离，一般用米表示，下同)，行距是指相邻的两行树之间的距离。在人工林的生产实践中，人工林造林密度和株行距对造林效益有着至关重要的影响，适宜的造林密度必须要与合理的株行距离布局结合起来才能充分地利用立地资源，产生最大的经济效益。因此，测量树木株行距是监测人工林林区树木生长状况控制人工林经济生产的重要依据和手段。传统的株行距测量方法人工采用皮尺、测绳的测量工具进行测量，这种方法不仅耗时耗力，而且使得整个测量工作的效率非常的低，并不适合林区资源调查的实际特点。目前来说，在国内外的大部分地区，株行距的测量仍然是采用传统的方法，并没用运用上最新的技术。但是，在自动化测距技术这一大方面来说，新的测量方法和技术不断地涌现出来，这些方法中，有许多测量手段适用于林业株行距的测量。

林业测绘技术自动化及数据采集、处理、传输、显示于一体。随着计算机、网络技术的发展及测量仪器的智能化，林业测绘技术发生了重大变革，在这一大背景下，人工林的树木株行距数据采集及处理技术更面临着急迫的改进需求。结合林业测绘技术的自动化、智能化趋势，为树木株行距测量设计出一套自动化的检测装置是现实所需要的。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种基于arduino树间隙检测装置，本基于arduino树间隙检测装置在实际树间隙测量中具有自动化程度高，测量效率高，省时省力，在密度较大的林区中测量精度更好的特点。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种基于arduino树间隙检测装置，包括arduino微控制器、超声波测距模块、舵机、液晶显示模块和激光定位模块，所述超声波测距模块和激光定位模块同轴安装在舵机上，所述超声波测距模块、舵机和激光定位模块均与arduino微控制器连接，所述arduino微控制器与液晶显示模块连接；

所述arduino微控制器采用arduinounor3控制器，所述超声波测距模块采用hc-sr04超声波测距模块，所述激光定位模块采用ky-008激光头；

所述hc-sr04超声波测距模块的引脚vcc连接电源，hc-sr04超声波测距模块的引脚gnd连接地线，hc-sr04超声波测距模块的引脚trig连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a2，hc-sr04超声波测距模块的引脚echo连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a3，所述ky-008激光头的引脚vcc连接电源，ky-008激光头的引脚gnd连接地线，ky-008激光头的引脚signal连接arduinounor3控制器的数字i/o口8，舵机连接arduinounor3控制器的数字i/o口9，液晶显示模块连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a4和模拟i/o口a5。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述舵机采用14g舵机，舵机的gnd脚连接地线，舵机的vcc脚连接电源，舵机的pwm脚连接arduinounor3控制器的数字i/o口9。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述液晶显示模块采用带i²c转接板的lcd1602液晶显示屏，带i²c转接板的lcd1602液晶显示屏的引脚sda连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a4，带i²c转接板的lcd1602液晶显示屏的引脚scl连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a5。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述带i²c转接板的lcd1602液晶显示屏包括pcf8574t和lcd1602液晶显示屏，pcf8574t的引脚sda连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a4，pcf8574t的引脚scl连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a5，pcf8574t的引脚p7连接lcd1602液晶显示屏的引脚d7，pcf8574t的引脚p6连接lcd1602液晶显示屏的引脚d6，pcf8574t的引脚p5连接lcd1602液晶显示屏的引脚d5，pcf8574t的引脚p4连接lcd1602液晶显示屏的引脚d4，pcf8574t的引脚p3通过三极管连接lcd1602液晶显示屏的引脚k且pcf8574t的引脚p3连接电源，pcf8574t的引脚p2连接lcd1602液晶显示屏的引脚cs，pcf8574t的引脚p1连接lcd1602液晶显示屏的引脚rw，pcf8574t的引脚p0连接lcd1602液晶显示屏的引脚rs，pcf8574t的引脚a0、引脚a1和引脚a2均通过电阻连接电源，pcf8574t的引脚vdd连接电源，pcf8574t的引脚vss连接地线，lcd1602液晶显示屏的引脚vss连接地线，lcd1602液晶显示屏的引脚vdd连接电源，lcd1602液晶显示屏的引脚vo通过滑动变阻器连接电源，lcd1602液晶显示屏的引脚15连接电源。

本实用新型的有益效果为：本实用新型采用了arduinounor3开发板作为核心控制器。区别于国内传统的51单片机系列，arduino因为硬件和软件开源的缘故，在国际上有着越来越流行的趋势。采用了超声波测距模块作为测量树木株行距的工具。相对于过去林业测量中采用皮尺、测绳等工具进行手工测量的方法，具有自动化程度高的优点。采用了舵机作为运动装置，结合arduino的pwm波控制，使得检测装置的测量更加精确和可靠。使得整个检测装置更加的自动化和智能化，同时使林业测量过程更加的科学和统一。测量效率高，省时省力，在密度较大的林区中测量精度更好。

附图说明

图1为本实施例电路结构原理示意图。

图2为本实施例工作流程图。

具体实施方式

下面根据图1和图2对本实用新型的具体实施方式作出进一步说明：

本实施例为了改进人工林的树木株行距的测量方法，以新型的微型控制器为核心，采用先进的传感器，结合自动化控制技术，从而设计出适用于人工林环境的森林资源测量仪器来测量树木的株行距。即具体提供一种基于arduino树间隙检测装置，该树间隙检测装置包括arduino微控制器、超声波测距模块(即超声波传感器)、舵机、液晶显示模块和激光定位模块，所述超声波测距模块、舵机和激光定位模块均与arduino微控制器连接，所述arduino微控制器与液晶显示模块连接，其中arduino微控制器还连接有上位机，上位机负责控制arduino微控制器和接收arduino微控制器发来的信息。所述超声波测距模块和激光定位模块同轴安装，并固定在舵机的平面上，舵机用于带动超声波测距模块和激光定位模块同时转动，在上位机上实时控制舵机的转动角度并监测测量数据，当激光点转动到目标时，舵机停止转动，上位机记录测量数据(应取多次测量值来计算平均值)。采用arduino微控制器作为整个平台控制核心，以超声波测距模块作为树木株行距的测量元件，以lcd1602液晶显示屏作为平台的显示模块，以小型14g舵机作为平台的运动装置，以激光头作为平台的定位模块。本实施例树间隙检测装置是超声波测距模块、舵机和软件算法的有机结合。采用了三角函数的方法，通过测量相邻两棵树到超声波测距模块之间的距离，和超声波测距模块在测量两棵树时所转动的角度(即舵机转动的角度)，使用三角函数公式从而计算出相邻两棵树的株行距数据。使用这种方法，使得整个测量方案符合数学原理，更加的科学，同时非直接测量法，通过多个数据的运算，保证了结果的可靠性。

本实施例的树间隙检测装置使用超声波测距模块作为测量仪器主要是为了测量的精准和可靠，采用超声波测距模块的测量部分是非接触式测量方法，使用超声波测距模块来测量本身与树干之间的距离，分别测量两颗相邻的树木到超声波测距模块之间的距离，同时记录下舵机在两次测量之间旋转的角度差，在arduino微控制器内置的算法中利用三角函数的公式实现对株行距数据的计算。本实施例采用arduino核心开发板作为控制核心，同时搭配了和此款开发板适配的超声波测距模块、舵机、液晶显示屏等部件，是为了是整个检测平台更加的自动化和智能化，同时使林业测量过程更加的科学和统一。

本实施例的测量部分采用了超声波测距模块和舵机相结合的方式，同时辅以激光定位模块进行定位，通过舵机的转动，使得超声波测距模块能够在上位机远程操控下测量相邻两棵树到超声波测距模块本身的距离数据，从而在之后的算法中计算出树木的株行距值，具体工作流程如图2所示。显示部分采用了lcd1602作为显示模块，arduino微控制器会将超声波测距模块测量的数据和最终计算出的数据发送到显示模块上，这样可以让使用者直观地了解到检测装置的运行情况，同时数据直接在显示模块上显现出来，方便使用者及时地发现检测装置可能出现的问题，或是人工林中树木株行距不合理的地点。这样的设计更加符合人工林实际生产管理的情况，所以此项模块使得整个检测装置更加贴合实际的生产过程。

本实施例的arduino微控制器采用arduinounor3控制器。

如图1所示，本实施例的超声波测距模块采用hc-sr04超声波测距模块，hc-sr04超声波测距模块的引脚vcc连接电源，hc-sr04超声波测距模块的引脚gnd连接地线，hc-sr04超声波测距模块的引脚trig连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a2，hc-sr04超声波测距模块的引脚echo连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a3。

如图1所示，本实施例的激光定位模块采用ky-008激光头。本实施例使用ky-008这一款激光头是为了让使用者能够直观地了解到超声波测距模块正在测量的目标，从而使得整个测量过程是可控的，直观的。采用激光头作为定位装置，不仅是因为它简单易用，和arduino微控制器相配套，软件编程简单，同时这款激光头的成本很低，降低了检测装置的开发成本。ky-008激光头的引脚vcc连接电源，ky-008激光头的引脚gnd连接地线，ky-008激光头的引脚signal连接arduinounor3控制器的数字i/o口8。

如图1所示，本实施例的舵机采用14g舵机，14g舵机共有gnd脚、vcc脚和pmw脚，14g舵机的gnd脚连接地线，14g舵机的vcc脚连接电源，14g舵机的pwm脚连接arduinounor3控制器的数字i/o口9。

如图1所示，本实施例的液晶显示模块采用带i²c转接板的lcd1602液晶显示屏，带i²c转接板的lcd1602液晶显示屏的引脚sda连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a4，带i²c转接板的lcd1602液晶显示屏的引脚scl连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a5。具体地，带i²c转接板的lcd1602液晶显示屏包括pcf8574t和lcd1602液晶显示屏，pcf8574t的引脚sda连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a4，pcf8574t的引脚scl连接arduinounor3控制器的模拟i/o口a5，pcf8574t的引脚p7连接lcd1602液晶显示屏的引脚d7，pcf8574t的引脚p6连接lcd1602液晶显示屏的引脚d6，pcf8574t的引脚p5连接lcd1602液晶显示屏的引脚d5，pcf8574t的引脚p4连接lcd1602液晶显示屏的引脚d4，pcf8574t的引脚p3通过三极管连接lcd1602液晶显示屏的引脚k且pcf8574t的引脚p3连接电源，pcf8574t的引脚p2连接lcd1602液晶显示屏的引脚cs，pcf8574t的引脚p1连接lcd1602液晶显示屏的引脚rw，pcf8574t的引脚p0连接lcd1602液晶显示屏的引脚rs，pcf8574t的引脚a0、引脚a1和引脚a2均通过电阻连接电源，pcf8574t的引脚vdd连接电源，pcf8574t的引脚vss连接地线，lcd1602液晶显示屏的引脚vss连接地线，lcd1602液晶显示屏的引脚vdd连接电源，lcd1602液晶显示屏的引脚vo通过滑动变阻器连接电源，lcd1602液晶显示屏的引脚15连接电源。

本实施例提出采用超声波测距模块实现无接触测量，采用三角函数原理，已知两边长与夹角θ求第三边长度方法。夹角θ采用舵机转动控制，求出舵机两次转动角度之间的角度变化，即为所求两根树干之间夹角θ，其测量间隙距离公式为：其中a和b为超声波测距模块测量的两边长。

本实施例arduinounor3控制器给lcd1602显示屏初始化信号，同时给各个连接部件定义信号脚。arduinounor3控制器控制超声波测距模块开始测量距离数据，并显示在液晶屏上，控制激光头保持在开启的状态。在上位机处，串口监视器也在显示测量数据，以便判断工作是否正常，同时等待舵机控制命令。在上位机上输入了舵机旋转角度，arduinounor3控制器接收到控制数据之后驱动舵机旋转至指定位置。当目视到激光头随舵机运动至对准测量目标后，在上位机处发出记录指令，arduinounor3控制器随即记录下超声波测距模块的测量数据。在上位机上继续操纵舵机转动，目视到激光头随舵机运动至对准第二个测量目标上，测量并记录数据，arduinounor3控制器内的算法根据两次测量的距离数据和舵机转动角度利用三角函数计算出树间隙数值并显示在显示屏上即完成了一次测量。如要进行第二次测量时只要在上位机上输入命令即可重置整个测量过程。

本实施例采用了arduinounor3开发板作为核心控制器。区别于国内传统的51单片机系列，arduino因为硬件和软件开源的缘故，在国际上有着越来越流行的趋势。采用了超声波测距模块作为测量树木株行距的工具。相对于过去林业测量中采用皮尺、测绳等工具进行手工测量的方法，本实施例使用的超声波测距模块具有自动化程度高的优点。采用了舵机作为运动装置，结合arduino的pwm波控制，使得检测装置的测量更加精确和可靠。

本实用新型的保护范围包括但不限于以上实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本实用新型的保护范围。