仿形马铃薯收获块茎损伤报警装置研制

郭洋+东忠阁+刘俊杰+吴泽全

摘要：为研究马铃薯收获、运输、仓储和包装过程中的外力损伤情况，设计一种仿形马铃薯收获块茎损伤报警装置。报警装置能识别马铃薯收获过程中受到的机械损坏和造成伤害的区域，通过受力检测确定收获过程中需要改进的部分，旨在实现马铃薯高质量收获和生产。

关键词：仿形马铃薯；蓝牙模块；设计；三轴加速度传感器；STM32

中圖分类号：S225.7+1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）09-0036-03

马铃薯是世界上仅次于小麦、水稻、玉米的第四大粮食作物，素有“地下苹果”“第二面包”的美誉。随着马铃薯种植面积、产业规模的不断扩大和产业层次的逐步升级，马铃薯收获机械化程度不断提高。马铃薯收获、包装、运输、贮藏的各个环节均容易形成机械损伤，其中块茎损伤是马铃薯产量损失的主要原因。国外对英国665个农场的调查结果显示，23%～26%的马铃薯块茎有可见的表皮损伤，13%的块茎有内部损伤，9%的块茎有严重损伤。目前，国内尚没有产量损失的相关统计，但在相对落后的收获条件下，马铃薯块茎损伤对产量造成的影响必然很大。为此，研究马铃薯收获中的机械损伤具有重要的现实意义。仿形马铃薯收获块茎损伤报警装置（以下简称“损伤报警装置”）是一种马铃薯收获质量控制工具，可识别马铃薯收获、运输、仓储、包装过程中受到的机械损坏和造成伤害的区域，通过受力检测实现马铃薯的高质量收获。

1 损伤报警装置算法设计

1.1 工作流程

损伤报警装置的外形、质量与普通马铃薯相同，工作电路置于其内部。工作时，将其埋在待收获的马铃薯种植区域内，与马铃薯一同经历采收、挑拣分级、包装、运输、存储等收获环节，通过三轴加速度传感器采集收获各个环节中受到的冲击力，分别以X轴、Y轴、Z轴的形式发送给STM32F101C8T6单片机；单片机计算单次碰撞的受力情况，并将数据存储在数据存储单元内；当上位机与蓝牙模块通讯后，蓝牙模块将数据（单次碰撞的受力情况和碰撞发生时间等信息）发送给上位机，用户通过碰撞发生时间和大小判断各环节的受力情况，找出受力损伤严重的环节，从而提出改进方案。

损伤报警装置集成三轴加速度传感器碰撞力采集系统、芯片运算系统、数据存储系统、蓝牙模块发送接收系统、上位机数据显示及分析系统，基本原理见图1。

1.2 碰撞力采集系统

损伤报警装置内置ADXL345三轴加速度传感器。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高（13位），测量范围达±16 g；数字输出数据为16位二进制补码格式，可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度；分辨率高达3.9 mg/LSB，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化，测量范围有±2 g，±4 g，±8 g和±16 g，既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度；超低功耗，当电源电压VS=2.5 V时（典型值），测量模式下低至23 μA，待机模式下为0.1 μA。ADXL345三轴加速度传感器的引脚配置见图2。

由图1可见，ADXL345三轴加速度传感器有14个引脚，各引脚的功能如表1所示。

当仿形马铃薯受到外部冲击力时，ADXL345三轴加速度传感器会记录X轴、Y轴和Z轴的加速度，并将数值发送至中央处理芯片（STM32F103C8T6）；中央处理芯片根据力学公式设定算法，设定FX为X轴方向的受力值，m为仿形马铃薯的质量（150 g），ax为X轴方向的加速度值，由公式FX=max计算X轴方向的受力值。同理，根据公式FY=may和FZ=maz计算出Y轴和Z轴的受力值FY和FZ，再根据矢量和公式F=（FX2+FY2+FZ2）1/2计算3轴受力的矢量和F值；中央处理芯片将三轴受力的矢量和F值、受力时间、实时温度存储到存储芯片中，以便上位机随时读取。

2 无线蓝牙通讯模块的通讯与应用

仿形马铃薯收获块茎损伤报警装置通过蓝牙通讯模块与上位机通信，中央处理芯片通过串口与蓝牙模块连接后，利用蓝牙将数据发送至上位机。

设计选用HC-05型蓝牙通讯模块，其采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0标准协议，输入电压3.6～6.0 V，板载3.3 V稳压芯片。未配对时电流约30 mA（LED灯闪烁时电流处于变化状态），配对成功后电流约10 mA。

HC-05型蓝牙通讯模块可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器等设备进行无缝连接。嵌入式蓝牙串口通讯模块具有2种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式。在自动连接工作模式下，模块又可分为主（Master）、从（Slave）和回环（Loopback）3种工作角色。当模块处于自动连接工作模式时，自动根据事先设定的方式进行数据传输；当模块处于命令响应工作模式时，能执行所有AT命令。用户可向模块发送各种AT指令，并为模块设定控制参数或发布控制命令。通过控制模块外部引脚（PIO11）输入电平，可实现模块工作状态的动态转换。HC-05蓝牙模块如图3所示。

HC-05蓝牙模块用到的引脚定义如下：1） PIO8连接LED，指示模块工作状态，模块上电后闪烁，不同状态的闪烁间隔不同；2） PIO9连接LED，指示模块连接成功，蓝牙串口匹配连接成功后，LED长亮；3） PIO11模块状态切换脚，高电平是AT命令响应工作状态，低电平或悬空是蓝牙常规工作状态；4） 模块带有复位电路，重新上电即完成复位。

HC-05蓝牙模块与中央处理芯片连接后，设置AT指令，以便HC-05蓝牙模块与上位机通讯。AT指令设置步骤如下：用杜邦线连接好USB转TTL模块（下载器）与HC-05蓝牙模块，进入AT指令模式，将下载器与电脑连接（按住HC-05上的复位键，再接通电源，指示灯缓慢闪灭，表示进入AT指令模式），并且打开串口助手。设置波特率38400，数据位8位，停止位1位，无校验位，无流控制。发送：AT，返回：OK（设置成功）。设置蓝牙串口波特率9600，无校验位，1停止位指令：AT+UART=9600，0，0（换行）返回：OK。设置蓝牙的主从模式，指令：AT+ROLE=0（0为从站模式，1为主站模式）返回：OK（设置成功），如图4所示。endprint

将上位机设成主站，蓝牙模块设置成从站，两者密码必须一致。操作完成后，主从模块建立连接。对两个模块重新上电，通过观察指示灯确定主站和从站是否建立通信。

3 结论

损伤报警装置通过三轴加速度传感器采集马铃薯收获、运输、包装仓储等过程中的受力情况，利用芯片运算系统将加速度换算成受力，并将受力情况与实时温度保存在数据存储系统。当上位机软件需要读取数据时，报警装置通过无线蓝牙模块将数据发送给上位机，上位机通过显示和分析马铃薯从收获到仓储过程的受力情况，实现马铃薯损伤监测。

损伤报警装置是一种强大的质量控制工具，可帮助实现高质量的马铃薯生产，能识别从收割机到包装线的所有类型的马铃薯处理机械的损坏和造成伤害的区域。该技术为马铃薯收获和生产提供质量保证，市场发展空间广阔。

参考文献

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Abstract： To study the mechanical damage in the process of harvest， transportation， storage and packing of potato， a kind of damage alarming device for frofiling potato tuber harvesting was designed. The alarming device can identify mechanical damage and areas damaged in the process of potato harvest. Through the detection of potato stress size， can help achieve high-quality potato harvest and production. The parts needed to improved determined by stress detection in the process of harvest， in order to realize high quality harvest and production of potato.

Key words： profiling potato； bluetooth module； drsign； triaxial acceleration sensor； STM32endprint