果园监控与果实品质优化滴灌系统设计

2022-06-21史东繁熊瑞平杨荣松

物联网技术 2022年6期

史东繁，熊瑞平，杨荣松

（四川大学机械工程学院，四川成都 610065）

0 引言

随着科学技术的不断发展，人们收入水平的不断提高，人们对于水果的品质要求也越来越高，水果的外观、甜度、大小逐渐成为消费者关注的重点。为了有效提升水果品质，降低水果生产成本，需对果实的各类信息进行分析。研究表明，土壤湿度与枣树生长量及枣果品质有关。不同的光照强度照射下贵州兔眼蓝莓可滴定酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量等都有不同的变化。增施CO与补光对番茄根茎粗细、番茄产量、可溶性固形物均产生影响。当日间温度约30 ℃，夜间温度约23 ℃时，草莓产量、含糖量均有不同程度的提高。探究果园生长环境与果实品质的关系已成为当代果园农业研究的主要方向。

传统灌溉模式费时费力，严重浪费水土资源。张静等基于ZigBee技术研究了果蔬大棚土壤墒情管理系统；王正、孙兆军等基于PLC控制技术与模糊控制理论研发出了一套智能滴灌系统；韩贵黎等将PLC控制技术与CPRS、ZigBee无线通信技术相结合，建立了智能灌溉控制规则库，进行精准灌溉；虞佳佳利用物联网技术与专家决策系统汇总农作物生长信息，实现精细化灌溉作业。基于ZigBee搭建的无线灌溉系统已经有了比较成熟的运用，如监测土壤墒情、农田灌溉水质监测等。本文将果园系统分成两部分，一部分采用搭载ZigBee的单片机控制系统管理滴灌量并监测果园环境；一部分用RFID技术对成熟果实品质进行跟踪检测。采用Qt作为开发软件，实时接收果园环境数据与果实品质数据，管理滴灌方式并对数据进行分析。

1 果园监测与果实品质优化系统的整体设计

系统运行流程如下：

（1）根据经验设定滴灌参数；

（2）果树生长时，对果园进行监控，环境异常时报警；

（3）果实成熟后，随机挑选果实送入检测端，检测果实品质；

（4）将果实品质与环境参数结合分析，优化滴灌参数与水肥比例。

因园区面积较大，在采集不同的数据时，将果园按照10～20棵树划为一个片区，将果园分割成不同区域，组网将不同区域连接。ZigBee组网基于IEEE802.15.4标准的局域网协议，和其他如蓝牙等组网方式相比，能够容纳更多的组网节点，功耗更低，成本更低，网络容量大，抗干扰性强，能够自动选择最优路径进行数据传输，因此 ZigBee模块成为本系统的首选。ZigBee模块由协调器、路由器、终端构成，网络呈点状分布，数据由终端传送给最近的路由器，由路由器统一传入协调器。

果园监测与果实品质优化滴灌系统主要由上位机监控中心、ZigBee网络、果园信息采集模块、果实品质信息采集模块等构成，如图1所示。

图1 果园监测与果实品质优化滴灌系统设计框架

每个区域的果园信息采集模块负责接收该片区果园的环境信息，并通过ZigBee终端节点将信息传入ZigBee协调器，ZigBee协调器将信息由串口打包发送给上位机。上位机对收到的果园环境信息进行监测，遇到异常信息及时报警，当果实成熟后经果实品质采集模块收集果实品质数据，相关信息统一存储在数据库，由上位机软件读取数据库，对数据进行分析，生成质量优化报告。

2 系统功能模块设计与选型

2.1 果实品质数据采集模块

根据市场调研可知，消费者对水果品质的关注点普遍为水果甜度、外观、价格。为了迎合消费市场、降低人工成本，提高系统自动化水平，设计了图2所示的果实品质采集流水线。由人工随机挑选各区域的部分果实，贴上对应的电子标签，贴有电子标签的果实顺着传送带依次经过RFID读卡器、糖度检测仪、工业相机、电子皮带秤，将自身糖分、外观、重量等数据送入上位机数据库。

图2 果实品质采集流水线

RFID装置安装在传送带上方横梁，作用范围为0～5 m，可以无接触根据果实标签号区分果实编号和生长区域，对后续数据进行分类；糖度检测仪装有限位开关，果实经过糖度检测仪时，限位开关接收信号，停止传送带，进行果实糖度含量检测，完成后传送带再恢复运行；外观检测时，由工业相机提取果实长轴、短轴、表面缺陷、颜色等指标，加权评定外观；果实称量选择电子皮带秤，无需移动水果即可在传送带上完成称重。数据采集硬件型号与连接方式见表1所列。

表1 元器件型号与连接方式

2.2 果园信息数据采集模块

2.2.1 ZigBee终端网络节点

终端节点的主要作用是采集传感器收到的数据，经ZigBee网络送入数据库，并控制滴灌电磁阀。ZigBee终端节点结构如图3所示。其主要由STM32单片机、传感器、触摸屏、滴灌电磁阀电源模块和ZigBee模块组成。终端ZigBee节点主控芯片选用32位STM32F107控制器（该控制器计算能力强，I/O引脚多，集成有多个串口模块），通过I/O口连接触摸屏（工作进程实时显示，对ZigBee网络、滴灌电磁阀进行参数设置），通过TTL转串口的方式与ZigBee-CC2530模块通信（CC2530引脚较少，处理能力弱）。ZigBee模块、STM32单片机和触摸屏作为整体，置于每个区域边缘，供种植人员操作。土壤温湿度传感器、大气温度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器置于区域内部监测数据，通过485总线连接单片机，传输环境参数，接收单片机指令。

图3 ZigBee终端节点结构

供电采用多晶5 V太阳能电池板，它能提供的峰值电流可达60 mA，满足ZigBee网络节点的正常工作需要。

2.2.2 传感器模块

传感器通过485总线接入STM32单片机，采用两线制差分接收方式。485收发器具有灵敏度高、传输距离远、丢包率低等优点。传感器选择见表2所列，所选用的传感器均可精确到小数点后两位，有较强的环境适应能力，适合用于果园监测。通过回归分析研究土壤相对含水量对果实生长量的影响，发现果园20～40 cm深的土壤湿度变化最为合适，大气温湿度、光照、二氧化碳传感器均放于区域内的干燥位置。果实生长阶段设置各片区内的传感器由STM32中断控制，每30 min采集一次数据。

表2 传感器与型号

2.2.3 滴灌电磁阀

选用电磁阀对滴灌时间进行控制，进而控制片区内的土壤湿度。

3 优化方法

水果糖分、重量、外观、顾客满意度是主要的优化目标，具体见表3所列。

表3 优化指标与方向

将果实品质的4个优化指标设置为0～100评分制，依据经验，每种水果的重量和糖分都有一个合理区间，糖分和重量按照测得数值在经验区间的位置进行评分。因优化目标较多，且优化指标与影响因素呈非线性关系，故采用线性方式拟合，借助加权法计算果实品质满意度：

式中：ω，∈(1, 2, 3, 4)为权值；x，∈(1, 2, 3, 4)为糖分、重量、外观、顾客满意度；S为果实满意度；表示不同果实。

由于土壤湿度与水肥比例为可控因素，故本文仅对土壤湿度与水肥比例进行优化。在某固定时间内，不同区域的土壤湿度与水肥比例均为定值，结合所求的果实饱和度，将对应土壤湿度和水肥比例作为自变量，以果实饱和度作为因变量进行二元Logistic回归分析，见公式（2）：

式中：y，∈(1, 2, ... ,）为土壤湿度和水肥比例；，，为待求参数。

采用最小二乘法建立方程，见公式（3），将数据代入方程即可求得待求参数。

式中，b，(=1, 2)为正时，则根据b值增大该时间段内的土壤湿度或调整水肥比例；如为负，则降低土壤湿度或调整水肥比例。由软件调取数据库中不同时期的生长数据，结合果实品质可得到各时间节点的分析报告，为下一果树生长期提供合理的意见。

4 软件设计

4.1 ZigBee节点软件设计

ZigBee协议分为两部分，IEEE 802.15.4定义了PHY（物理层）和MAC（介质访问层）技术规范；ZigBee联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用程序支持子层）、APL（应用层）技术规范。ZigBee协议栈是将各层定义的协议集合后以函数的形式实现，并给用户提供 API（应用层），用户可以直接调用。ZigBee终端节点软件流程如图4所示。协调器在一个周期中初始化后首先开始组网，各终端节点收到传感器信号后，发送入网请求，设置网络参数。若入网成功，则该节点加入网络；若请求失败，则重新发起请求，3次请求失败时，节点重启。节点入网经过初始化后，实时收取并执行上位机发送的指令，每隔30 min采集一次传感器数据，通过ZigBee网络将数据传入上位机监控中心与数据库。数据采集完成后，节点进入休眠状态，触摸屏关闭，节省电量。

图4 单片机程序流程

4.2 上位机软件设计

上位机软件采用应用程序开发框架Qt Creator开发，Qt技术源于诺基亚公司的界面开发平台，由于其具有跨平台（兼容多种系统，如Linux、Windows、Android等）、可扩展、开发简单等特点，被广泛运用于嵌入式终端、物联网、数据采集等系统。软件主要功能如图5所示。软件可实时显示果林各区域的温度、湿度、光照强度、二氧化碳含量，发现异常数据及时报警；控制滴灌电磁阀调整土壤湿度；接收果实品质流水线传来的数据，并控制传送带与RFID装置；分析数据库中的数据，得到质量优化报告。