果園監(jiān)控與果實品質(zhì)優(yōu)化滴灌系統(tǒng)設計

史東繁，熊瑞平，楊榮松

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

0 引 言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們收入水平的不斷提高，人們對于水果的品質(zhì)要求也越來越高，水果的外觀、甜度、大小逐漸成為消費者關(guān)注的重點。為了有效提升水果品質(zhì)，降低水果生產(chǎn)成本，需對果實的各類信息進行分析。研究表明，土壤濕度與棗樹生長量及棗果品質(zhì)有關(guān)。不同的光照強度照射下貴州兔眼藍莓可滴定酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量等都有不同的變化。增施CO與補光對番茄根莖粗細、番茄產(chǎn)量、可溶性固形物均產(chǎn)生影響。當日間溫度約30 ℃，夜間溫度約23 ℃時，草莓產(chǎn)量、含糖量均有不同程度的提高。探究果園生長環(huán)境與果實品質(zhì)的關(guān)系已成為當代果園農(nóng)業(yè)研究的主要方向。

傳統(tǒng)灌溉模式費時費力，嚴重浪費水土資源。張靜等基于ZigBee技術(shù)研究了果蔬大棚土壤墑情管理系統(tǒng)；王正、孫兆軍等基于PLC控制技術(shù)與模糊控制理論研發(fā)出了一套智能滴灌系統(tǒng)；韓貴黎等將PLC控制技術(shù)與CPRS、ZigBee無線通信技術(shù)相結(jié)合，建立了智能灌溉控制規(guī)則庫，進行精準灌溉；虞佳佳利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與專家決策系統(tǒng)匯總農(nóng)作物生長信息，實現(xiàn)精細化灌溉作業(yè)?；赯igBee搭建的無線灌溉系統(tǒng)已經(jīng)有了比較成熟的運用，如監(jiān)測土壤墑情、農(nóng)田灌溉水質(zhì)監(jiān)測等。本文將果園系統(tǒng)分成兩部分，一部分采用搭載ZigBee的單片機控制系統(tǒng)管理滴灌量并監(jiān)測果園環(huán)境；一部分用RFID技術(shù)對成熟果實品質(zhì)進行跟蹤檢測。采用Qt作為開發(fā)軟件，實時接收果園環(huán)境數(shù)據(jù)與果實品質(zhì)數(shù)據(jù)，管理滴灌方式并對數(shù)據(jù)進行分析。

1 果園監(jiān)測與果實品質(zhì)優(yōu)化系統(tǒng)的整體設計

系統(tǒng)運行流程如下：

（1）根據(jù)經(jīng)驗設定滴灌參數(shù)；

（2）果樹生長時，對果園進行監(jiān)控，環(huán)境異常時報警；

（3）果實成熟后，隨機挑選果實送入檢測端，檢測果實品質(zhì)；

（4）將果實品質(zhì)與環(huán)境參數(shù)結(jié)合分析，優(yōu)化滴灌參數(shù)與水肥比例。

因園區(qū)面積較大，在采集不同的數(shù)據(jù)時，將果園按照10～20棵樹劃為一個片區(qū)，將果園分割成不同區(qū)域，組網(wǎng)將不同區(qū)域連接。ZigBee組網(wǎng)基于IEEE802.15.4標準的局域網(wǎng)協(xié)議，和其他如藍牙等組網(wǎng)方式相比，能夠容納更多的組網(wǎng)節(jié)點，功耗更低，成本更低，網(wǎng)絡容量大，抗干擾性強，能夠自動選擇最優(yōu)路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，因此 ZigBee模塊成為本系統(tǒng)的首選。ZigBee模塊由協(xié)調(diào)器、路由器、終端構(gòu)成，網(wǎng)絡呈點狀分布，數(shù)據(jù)由終端傳送給最近的路由器，由路由器統(tǒng)一傳入?yún)f(xié)調(diào)器。

果園監(jiān)測與果實品質(zhì)優(yōu)化滴灌系統(tǒng)主要由上位機監(jiān)控中心、ZigBee網(wǎng)絡、果園信息采集模塊、果實品質(zhì)信息采集模塊等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 果園監(jiān)測與果實品質(zhì)優(yōu)化滴灌系統(tǒng)設計框架

每個區(qū)域的果園信息采集模塊負責接收該片區(qū)果園的環(huán)境信息，并通過ZigBee終端節(jié)點將信息傳入ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器將信息由串口打包發(fā)送給上位機。上位機對收到的果園環(huán)境信息進行監(jiān)測，遇到異常信息及時報警，當果實成熟后經(jīng)果實品質(zhì)采集模塊收集果實品質(zhì)數(shù)據(jù)，相關(guān)信息統(tǒng)一存儲在數(shù)據(jù)庫，由上位機軟件讀取數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行分析，生成質(zhì)量優(yōu)化報告。

2 系統(tǒng)功能模塊設計與選型

2.1 果實品質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊

根據(jù)市場調(diào)研可知，消費者對水果品質(zhì)的關(guān)注點普遍為水果甜度、外觀、價格。為了迎合消費市場、降低人工成本，提高系統(tǒng)自動化水平，設計了圖2所示的果實品質(zhì)采集流水線。由人工隨機挑選各區(qū)域的部分果實，貼上對應的電子標簽，貼有電子標簽的果實順著傳送帶依次經(jīng)過RFID讀卡器、糖度檢測儀、工業(yè)相機、電子皮帶秤，將自身糖分、外觀、重量等數(shù)據(jù)送入上位機數(shù)據(jù)庫。

圖2 果實品質(zhì)采集流水線

RFID裝置安裝在傳送帶上方橫梁，作用范圍為0～5 m，可以無接觸根據(jù)果實標簽號區(qū)分果實編號和生長區(qū)域，對后續(xù)數(shù)據(jù)進行分類；糖度檢測儀裝有限位開關(guān)，果實經(jīng)過糖度檢測儀時，限位開關(guān)接收信號，停止傳送帶，進行果實糖度含量檢測，完成后傳送帶再恢復運行；外觀檢測時，由工業(yè)相機提取果實長軸、短軸、表面缺陷、顏色等指標，加權(quán)評定外觀；果實稱量選擇電子皮帶秤，無需移動水果即可在傳送帶上完成稱重。數(shù)據(jù)采集硬件型號與連接方式見表1所列。

表1 元器件型號與連接方式

2.2 果園信息數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1 ZigBee終端網(wǎng)絡節(jié)點

終端節(jié)點的主要作用是采集傳感器收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡送入數(shù)據(jù)庫，并控制滴灌電磁閥。ZigBee終端節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要由STM32單片機、傳感器、觸摸屏、滴灌電磁閥電源模塊和ZigBee模塊組成。終端ZigBee節(jié)點主控芯片選用32位STM32F107控制器（該控制器計算能力強，I/O引腳多，集成有多個串口模塊），通過I/O口連接觸摸屏（工作進程實時顯示，對ZigBee網(wǎng)絡、滴灌電磁閥進行參數(shù)設置），通過TTL轉(zhuǎn)串口的方式與ZigBee-CC2530模塊通信（CC2530引腳較少，處理能力弱）。ZigBee模塊、STM32單片機和觸摸屏作為整體，置于每個區(qū)域邊緣，供種植人員操作。土壤溫濕度傳感器、大氣溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器置于區(qū)域內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過485總線連接單片機，傳輸環(huán)境參數(shù)，接收單片機指令。

圖3 ZigBee終端節(jié)點結(jié)構(gòu)

供電采用多晶5 V太陽能電池板，它能提供的峰值電流可達60 mA，滿足ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的正常工作需要。

2.2.2 傳感器模塊

傳感器通過485總線接入STM32單片機，采用兩線制差分接收方式。485收發(fā)器具有靈敏度高、傳輸距離遠、丟包率低等優(yōu)點。傳感器選擇見表2所列，所選用的傳感器均可精確到小數(shù)點后兩位，有較強的環(huán)境適應能力，適合用于果園監(jiān)測。通過回歸分析研究土壤相對含水量對果實生長量的影響，發(fā)現(xiàn)果園20～40 cm深的土壤濕度變化最為合適，大氣溫濕度、光照、二氧化碳傳感器均放于區(qū)域內(nèi)的干燥位置。果實生長階段設置各片區(qū)內(nèi)的傳感器由STM32中斷控制，每30 min采集一次數(shù)據(jù)。

表2 傳感器與型號

2.2.3 滴灌電磁閥

選用電磁閥對滴灌時間進行控制，進而控制片區(qū)內(nèi)的土壤濕度。

3 優(yōu)化方法

水果糖分、重量、外觀、顧客滿意度是主要的優(yōu)化目標，具體見表3所列。

表3 優(yōu)化指標與方向

將果實品質(zhì)的4個優(yōu)化指標設置為0～100評分制，依據(jù)經(jīng)驗，每種水果的重量和糖分都有一個合理區(qū)間，糖分和重量按照測得數(shù)值在經(jīng)驗區(qū)間的位置進行評分。因優(yōu)化目標較多，且優(yōu)化指標與影響因素呈非線性關(guān)系，故采用線性方式擬合，借助加權(quán)法計算果實品質(zhì)滿意度：

式中：ω，∈(1, 2, 3, 4)為權(quán)值；x，∈(1, 2, 3, 4)為糖分、重量、外觀、顧客滿意度；S為果實滿意度；表示不同果實。

由于土壤濕度與水肥比例為可控因素，故本文僅對土壤濕度與水肥比例進行優(yōu)化。在某固定時間內(nèi)，不同區(qū)域的土壤濕度與水肥比例均為定值，結(jié)合所求的果實飽和度，將對應土壤濕度和水肥比例作為自變量，以果實飽和度作為因變量進行二元Logistic回歸分析，見公式（2）：

式中：y，∈(1, 2, ... ,）為土壤濕度和水肥比例；，，為待求參數(shù)。

采用最小二乘法建立方程，見公式（3），將數(shù)據(jù)代入方程即可求得待求參數(shù)。

式中，b，(=1, 2)為正時，則根據(jù)b值增大該時間段內(nèi)的土壤濕度或調(diào)整水肥比例；如為負，則降低土壤濕度或調(diào)整水肥比例。由軟件調(diào)取數(shù)據(jù)庫中不同時期的生長數(shù)據(jù)，結(jié)合果實品質(zhì)可得到各時間節(jié)點的分析報告，為下一果樹生長期提供合理的意見。

4 軟件設計

4.1 ZigBee節(jié)點軟件設計

ZigBee協(xié)議分為兩部分，IEEE 802.15.4定義了PHY（物理層）和MAC（介質(zhì)訪問層）技術(shù)規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了NWK（網(wǎng)絡層）、APS（應用程序支持子層）、APL（應用層）技術(shù)規(guī)范。ZigBee協(xié)議棧是將各層定義的協(xié)議集合后以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供 API（應用層），用戶可以直接調(diào)用。ZigBee終端節(jié)點軟件流程如圖4所示。協(xié)調(diào)器在一個周期中初始化后首先開始組網(wǎng)，各終端節(jié)點收到傳感器信號后，發(fā)送入網(wǎng)請求，設置網(wǎng)絡參數(shù)。若入網(wǎng)成功，則該節(jié)點加入網(wǎng)絡；若請求失敗，則重新發(fā)起請求，3次請求失敗時，節(jié)點重啟。節(jié)點入網(wǎng)經(jīng)過初始化后，實時收取并執(zhí)行上位機發(fā)送的指令，每隔30 min采集一次傳感器數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳入上位機監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集完成后，節(jié)點進入休眠狀態(tài)，觸摸屏關(guān)閉，節(jié)省電量。

圖4 單片機程序流程

4.2 上位機軟件設計

上位機軟件采用應用程序開發(fā)框架Qt Creator開發(fā)，Qt技術(shù)源于諾基亞公司的界面開發(fā)平臺，由于其具有跨平臺（兼容多種系統(tǒng)，如Linux、Windows、Android等）、可擴展、開發(fā)簡單等特點，被廣泛運用于嵌入式終端、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)。軟件主要功能如圖5所示。軟件可實時顯示果林各區(qū)域的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳含量，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)及時報警；控制滴灌電磁閥調(diào)整土壤濕度；接收果實品質(zhì)流水線傳來的數(shù)據(jù)，并控制傳送帶與RFID裝置；分析數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，得到質(zhì)量優(yōu)化報告。

圖5 上位機軟件設計框圖

系統(tǒng)搭建完成后，連接RFID讀卡器，順利收到標簽號以及果實品質(zhì)數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 接收數(shù)據(jù)界面

5 結(jié) 語

（1）本文設計了一套果園監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測與控制果園的各種環(huán)境指標，出現(xiàn)異常時報警，降低了人力成本，節(jié)約了水土資源。

（2）提出了一套果實品質(zhì)自動化檢測線。

（3）運用多元回歸算法對環(huán)境與果實數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)化果實品質(zhì)，將智能化帶入果園生態(tài)。