第四章 主機架構設計與應用
4.3 ARDUINO 單晶片微控制器 (馬達控制器)
Arduino 是一個開放原始碼的單晶片微控制器；使用開放原始碼的軟硬體平台，
建構於簡單 I/O Port 的介面板，並且具有使用類似 Java、C 語言的 Processing/Wiring 開 發環境；Arduino 可簡單地與感測器及各式各樣的電子元件相互連結搭配使用，例如紅 外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服馬達…等。Arduino 是本系統硬體部分的主 要控制核心，負責接收感知器訊號與控制馬達作動方式，將所需求的控制程式寫入後即 可依照需求的作動進行執行工作。Arduino Mega 2560 R3 是由意大利 Arduino 設計的旗 艦式微型電路板，由 ATmega16U2 芯片作為核心，擁有 54 點的數位輸入/輸出，16 點 的模擬輸入，4 點 UART 接點，16MHz 晶體振盪器，USB Type B 界面，一個電源插座，
ICSP header 和重設按鈕；Arduino Mega 2560 有 3 種供電方式:外部直流電源插座供電、
電池連接 GND 和 VIN 接腳、USB 接點直接供電。Arduino Mega 2560，與前兩代比較。
在 AREF 上增加了 SDA 和 SCL 管腳，支援 I2C 接口；增加了 IOREF 和一個預留管腳，
能為擴充板兼容 5V 和 3.3V 核心板。
圖 4- 8 馬達控制器
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圖 4- 9 馬達控制器尺寸圖 [圖片出處: FBTUG FB]
表 4- 3 Arduino Mega 2560 R3 規格表
數位輸出/輸入腳位:腳位可輸出高電位 5V 與低電位 0V 的數位訊號，也可接受數 位訊號，數位腳位編號為 D0 到 D13（D 代表 Digital）；接腳 D3、D5、D6、D9、D10、
D11 的數字編號旁有個波浪符號（~），這表示這些腳位可以用數位訊號來模擬出類比訊 號；接腳 D0 與 D1 這兩個數位腳位，分別被標示了 RX（Receiver）、TX（Transmitter），
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類比電壓必須透過數位腳位 D3、D5、D6、D9、D10、D11。控制板上 ATmega328 內建 類比數位轉換器（Analog-to-digital converter，簡稱 ADC），預設會將 0V 到 5V 轉換為 0 至 1023 的數值。對於輸出電壓為其他範圍的電路模組，可以透過 AREF 與 analog
D0 RX（Receiver） 序列埠傳送 D1 TX（Transmitter） 序列埠傳送 D2 數位輸出/輸入
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圖 4- 10 馬達控制器接點功能圖
圖 4- 11 馬達控制器 (Arduino Mega 2560 擴充模組) 4.4 步進馬達
步進馬達（Stepper motor; Step motor）是直流無電刷的脈衝馬達。步進馬達就是一 步一步前進的馬達，主要靠馬達內有齒輪狀突起（小齒）相鍥合的定子和轉子，當旋轉 時電流的流動不斷的切換流向定子線圈中並以一定角度(距離)逐步轉動的馬達；步進馬
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達不需要運轉量檢知器（Sensor）或編碼器；步進馬達只需要通過脈波信號的操作即可 精準的定位，並讓操作物能在指定的目標位置準確地停止。
步進馬達只靠切換電流觸發器所需的脈波信號數量及每一步所跑的固定距離(角 度)乘積就能精確的到達所需的位置，且穩定性佳。
圖 4- 12 步進馬達的控制 [圖片出處: 维基百科]
圖 4- 13 步進馬達的轉系統組成的 3 要素 [圖片出處: 维基百科]
步進馬達是以基本步級角的角度為單位來進行定位。以 5 相步進馬達為例，其基 本步級角為 0.72，因此可以將馬達轉 1 圈分為 500 等分（=360 度 / 0.72），以此方式來 細分每次行進量做為定位基準。
圖 4- 14 步進馬達的步級角度 [圖片出處: 東方馬達]
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步進馬達的步進角，即步進馬達之解析度(1 脈波的轉動量）依照步進馬達的規格 而定，例如：如下圖，定子數目有 12 個，包含 A、B、C 共有 3 組線圈繞組，轉子有 8 個凸極。
則步進馬達步進角＝360° / ( 線圈組數×轉子凸極數 ) ＝ 15°。亦即每接受一個脈 波訊號，步進馬達轉動 15°，若輸入 24 個脈波訊號則可旋轉一圈。因此只要控制輸入 脈波的數目，即可決定馬達轉動的角度。
圖 4- 15 步進馬達的步進角 [圖片出處: 東方馬達]
註: 步級角->於 1 個脈波的回轉量。
加減速斜率(Tr)
步進馬達在控制時，一般馬達在轉時從啟動到恆速需要有一段固定的時間(加速度 時間)，相對的馬達在停止時也須一段固定時間(減速度時間)讓馬達停止；因速度對應到 時間上不是一步可及，因在啟動時必須要經過一段加速期後達到恆速區而停止時馬達處 於高速運轉無法立即的停止因慣性作用。
圖 4- 16 步進馬達的 Vs、Tr、Vo 此三者的關係 [圖片出處: 東方馬達]
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X,Y 3200pulse / 40mm = 80 pulse/mm• Z 軸螺桿 1 圈 8mm
3200pulse / 8mm = 400 pulse/mm
圖 4- 17 步進馬達 42B4004T [圖片出處: FBTUG ] 1,013 mbar（毫巴，氣象學常用單位）＝ 1.03327kg/cm2＝ 7.6×105micron
∴ 1 torr＝ 1 mmHg＝（101,325N/m2）/760＝ 133.32 N/m2
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表 4- 5 真空範圍
真空範圍 壓力範圍(Pa)
低真空 105>P>3.3×103 中真空 3.3×103>P>10-1 高真空 10-1>P>10-4 非常高真空 10-4>P>10-7 超高真空 10-7>P>10-10 非常超高真空 10-10>P
圖 4- 18 真空幫浦 [圖片出處: FBTUG FB]
4.6 抽水馬達
抽水馬達也就一般常聽到的泵浦，泵浦是利用葉片在高速旋轉時產生離心力將外 部吸入的水經葉輪沿著切線方向向外拋出然後沿著泵殼將水排出管路外部。
圖 4- 19 抽水馬達
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表 4- 6 DC12V 365 微型抽水馬達 規格表
4.7 USB 攝影鏡頭
鏡頭是由一塊或是多塊的凹、凸光學透鏡玻璃所組成的透鏡組。主要目的是利用 光學成像原理將外部的影像攝取入設備內；相當於人類的眼睛所看到事物再透過眼球將 看見的事物投射的大腦內部。
PC450 USB 攝影機是一個支援 Windows CE 及 Linux 雙平台的 USB 攝影 機產品。PC450 攝影機在英特爾的 X86 系列、安謀控股 ARM、美普思科技 MIPS 等的 處理器的指令集架構平台上有非常良好的攝影拍照效果。在 200MHz 的 ARM9 平台 在解析度 320 x 240 下每秒可顯示 25 影格數(320 x 240 @ 25fps)的視頻是流暢及穩定，
目前 PC450 USB 攝影機應用在視頻監控、遠端攝影和圖像分析等領域中技術已成熟。
圖 4- 20 USB 攝影鏡頭 [圖片出處: FBTUG FB]
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表 4- 7 DPC450 USB 攝影鏡頭 規格表
4.8 UTM 工具
UTM 工具 (Universal Tool Mount)是 Mini FarmBot 在 z 軸上自動切換以執行不同 的工具操作；UTM 工具上方母座與下方工具架外觀型式是相同的利用強力磁鐵來讓上 下工具座做快速切換與連結。目前使用的工作如下圖片
圖 4- 21 UTM 工具外型
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UTM 外觀尺寸三視圖
圖 4- 22 UTM 外觀尺寸三視圖
UTM 母座線路接點型
圖 4- 23 UTM 母座線路接點圖
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表 4- 8 UTM 接點 & 功能表
圖 4- 24 UTM 母座控制器 4.9 土壤濕度感測器
土壤濕度感測器為內置穩壓芯片，電壓工作環境 3.3~5.5DCV 寬，可在 3.3V 的 Arduino 主控板上使用也可以正常工作。DF Robot-Gravity 接口可以直接與 GavityIO 擴 展板相連接。樹莓派之類的微型 PC，只需要外接一個 ADC（模擬信號轉數字信號）轉 換模塊就可以工作；外接螢幕或彩色液晶螢幕，一塊 Arduino 主板，就可以監控土壤含 水情形。土壤濕度感測器所對應的輸出，一般在空氣中 VWC 為 0%而在蒸餾水中約為
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55%，因此越高的數值代表土壤含水量越高。土壤濕度感測器使用方便不需要太多維護 工作，可配合記錄器進行記錄土壤含水量變動。
圖 4- 25 土壤濕度感測器外型
表 4- 9 土壤濕度感測器檢測形式規格
圖 4- 26 土壤濕度感測器接線圖
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圖 4- 27 土壤濕度感測器內部線路圖
4.10 元件架構圖/接點圖
圖 4- 28 元件架構圖/接點圖
4.11 機構骨架組裝 骨架組裝流程順序
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龍門
圖 4- 29 龍門組裝圖
表 4- 10 龍門組裝材料表
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XY 軸
圖 4- 30 XY 軸組裝圖
表 4- 11 XY 軸組裝材料表
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Z 軸
圖 4- 31 Z 軸組裝圖
表 4- 12 Z 軸組裝材料表
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線路組裝
圖 4- 32 機構線材
表 4- 13 機構線材材料表
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成品圖
圖 4- 33 機構組裝完成圖 模擬機規格：
機台尺寸: 500mm (X)* 500mm (Y)* 800mm(Z) 耕種面積: 250mm * 250mm
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第五章 軟體設計說明
5.1 單板電腦作業系統安裝
Raspbian 是為樹莓派所指定作業軟體，Raspbian 由一個小團隊進行開發的免費操 作系統，其軟體源自於 Debian 的作業系統；Raspbian 作業一統對 Raspberry Pi 單板電 腦操作有進行了優化，便於在 Raspberry Pi 上安裝使用。一般初學者在進行安裝 Raspbian 軟體時可透過使用 NOOBS 來安裝，NOOBS 利用圖像指南進行安裝操作方式，一步一 步的教導協助初學者進行安裝。
圖 5- 1 Raspbian 作業軟體最新版本 5.2 SD Memory Card 格式化
選用一個樹梅派使用的 SD card，首先透過 SD Memory Card formatter 格式化軟體 將 SD card 做格式化動作；將 SD 記憶卡的資料進行內卸除動作。
圖 5- 2 SD Memory Card formatter 格式化軟體
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圖 5- 3 SD Memory Card 資料進行卸除畫面 5.3 硬體機構設定
再透過 PC 電腦到 MiniFarmbot 網站下載軟/硬體操作應用軟體，並將 MiniFarmbot 操作軟體檔案存入 SD card 內。
圖 5- 4 MiniFarmbot 網站下載軟/硬體操作應用畫面
完成上述動作後將 SD card 插入於樹梅派單板電腦內，並將滑鼠、鍵盤、網路與螢 幕接到單板電腦上後開啟電源。
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圖 5- 5 樹梅派單板電腦開機後畫面 在指令欄頁面輸入安裝驅動指定
圖 5- 6 指令欄頁面輸入安裝驅動指定
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表 5- 1 驅動指令表
用於安裝 OpenCV 及其環境的指令表
sudo apt-get -y update sudo apt-get -y upgrade sudo apt-get -y dist-upgrade sudo apt-get -y autoremove
sudo apt-get install -y build-essential cmake
sudo apt-get install -y python-dev python-tk python-numpy python3-dev python3-tk python3-numpy sudo apt-get install -y python-imaging-tksudo python-tk idle python-pmw python-imaging sudo apt-get install -y libgtk2.0-dev
sudo apt-get install -y qt5-default libvtk6-dev
sudo apt-get install -y zlib1g-dev libjpeg-dev libwebp-dev libpng-dev libtiff5-dev libjasper-dev libopenexr-dev libgdal-dev sudo apt-get install -y libtbb-dev libeigen3-dev
sudo apt-get install -y ant default-jdk sudo apt-get install -y doxygen
git clone https://github.com/opencv/opencv.git cd opencv
git checkout 2.4 mkdir build cd build
sudocmake -D CMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE -D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local -D
BUILD_NEW_PYTHON_SUPPORT=ON -D INSTALL_C_EXAMPLES=ON -D INSTALL_PYTHON_EXAMPLES=ON -D WITH_FFMPEG=OFF -D BUILD_EXAMPLES=ON ..
sudo make -j4 sudo make install sudoldconfig
完成驅動指令後，就可進行啟動 Commander；在指令欄內輸入”sudo python gui_main.py”即可進入操作畫面。
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圖 5- 7 Commander 操作畫面 移動控制:
移動量（100,500,1k，10k，100k）：F1~F5
上/下/左/右 ↑/ ↓/ ←/ → ； Z-Up / Z-Downctrl +↑/ ctrl +↓
圖 5- 8 移動控制 操作畫面 馬達步進速度設定:
圖 5- 9 馬達移動速動設定
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相機連接設置:
圖 5- 10 相機連接設定
工作器具(補水、真空馬達)設置:
圖 5- 11 補水、真空馬達設定
農場模擬器運作腳本:
圖 5- 12 農場模擬器運作腳本設定
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F 44 PVWTM 在arduino引腳P上設置值V，等待時間T（以毫秒為單位），在模 式M（數字= 0 /模擬= 1）的arduino引腳P上設置值W
F 51 EPV 使用I2C在工具架上設置一個值（未實現）
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Arduino 指令參數的單位:
表 5- 3 Arduino 指令參數的單位表
Arduino 的指令參數編輯範例:
Ex1 : 分別在 X 和 Y 和 Z 方向上移動 100,200,300 步 G00 X100 Y200 Z300
Ex2 : 將 Y 加速度的參數值更改為 300
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第六章 實驗設計與分析
6.1 整體規格 材料準備：
表 6- 1 小白菜種植材料表
圖 6- 1 小白菜種子、花盆、培養土
6.2 種植步驟
a. 選擇無損傷、顆粒飽滿的種子
b. 在盆底鋪上 2 公分的底石，加入土壤及適量有機肥混勻
c. 種子均勻撒播於土上，再覆薄土（約 0.5 公分），並避免澆水時沖散種子 d. 種植約 3 天即萌芽，一週~ 二 週後生長本葉時，挑選健壯的植株繼續生長。
e. 種植約 10 天後投入肥料或噴灑有機液肥。
f. 約 30∼35 天即可採收。採收時可從較大株的開始，整株拔起即可。
注意事項：
a. 日照 須有充足明亮的光線
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天 8th 9th 10th 11th 12th 13th 14th
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