基于物聯(lián)網(wǎng)中小型葉菜采收新模式

吳 偉，貢 亮，方 銳，林晨暉，邵悅辰，沈曉曄

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院， 上海 200240)

0 引 言

隨著自動化技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加速向農(nóng)業(yè)裝備自動化和農(nóng)業(yè)信息數(shù)字化方向轉(zhuǎn)變[1]。其中，設(shè)施農(nóng)業(yè)作為一種可控、高效、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，已經(jīng)慢慢成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分[2-3]。而在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，植物工廠的技術(shù)水平最能體現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展層次。

目前植物工廠在蔬菜種植和培養(yǎng)方面的研究已經(jīng)日趨完善，但采收方面的研究卻并不多。已有的采收相關(guān)研究，如日本應(yīng)用于植物工廠番茄和草莓的機(jī)器人采收技術(shù)[4]，我國一些學(xué)者研究、設(shè)計(jì)的溫室霧培蔬菜的收獲機(jī)構(gòu)[5]等，都解決了部分具體問題，植物工廠采收領(lǐng)域依然存在許多亟待解決的問題，如葉菜采收領(lǐng)域機(jī)械自動化仍達(dá)不到生產(chǎn)應(yīng)用的水平，信息化程度不夠高，植物種植、培養(yǎng)、采收等過程產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)無法有效存儲和利用。另外，“互聯(lián)網(wǎng)+”等概念刺激著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的發(fā)展[6]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多的應(yīng)用于植物工廠的研究，如植物工廠的監(jiān)控系統(tǒng)[7-8]、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能物流系統(tǒng)的搭建[9]等。本文則主要針對目前國內(nèi)外在中小型葉菜采收方面自動化程度不高、信息化水平落后等問題[10]，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了采收效率較高的自動化機(jī)電平臺，以及穩(wěn)定可靠、低耦合易擴(kuò)展的遠(yuǎn)程信息服務(wù)系統(tǒng)，最終形成了一種中小型葉菜采收的新模式。

1 采收新模式整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，該采收新模式主要由快速采收平臺、信息服務(wù)系統(tǒng)兩部分組成，兩者通過調(diào)度中心進(jìn)行連接和信息交互。

采收平臺主要對從培養(yǎng)中心運(yùn)送過來的葉菜采摘和切根，然后送往包裝運(yùn)輸工序，需要解決采摘過程中的損傷、效率問題以及切根的速度、整潔問題。相關(guān)的工位信息以及攝像頭產(chǎn)生的監(jiān)控視頻、圖片則通過調(diào)度中心，統(tǒng)一傳輸?shù)叫畔⒅行倪M(jìn)行存儲并提供相應(yīng)的訪問服務(wù)。信息服務(wù)系統(tǒng)采取“微服務(wù)”的形式，即工位信息服務(wù)和視頻圖像信息服務(wù)為完全不相關(guān)的服務(wù)，擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫存儲和進(jìn)程，起到降耦和分布式的作用，提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

圖1 采收新模式整體結(jié)構(gòu)

2 快速采收平臺

2.1 整體框架設(shè)計(jì)

如圖2所示，整體采用“龍門架”的形式，主要由4040和4080的鋁型材搭建而成。培養(yǎng)穴盤直接平放在支撐架上，可使用自動導(dǎo)引運(yùn)輸車(Automated Guided Vehicle, AGV)進(jìn)行運(yùn)輸；采摘裝置在橫梁上可進(jìn)行x、y、z3個方向的平動；切根裝置在培養(yǎng)穴盤的旁邊，保證采摘后能夠迅速進(jìn)行切根，同時又不會把根部留在穴盤中。

圖2 采收平臺整體框架設(shè)計(jì)圖

如圖3所示，整個采摘切根的流程可概括為：通過運(yùn)輸裝置將培養(yǎng)穴盤放在采收平臺的支撐架上，采摘裝置復(fù)位，通過往返采摘、切根、送往傳輸裝置，直至穴盤內(nèi)所有葉菜采摘切根完畢，換至下一只培養(yǎng)穴盤，重復(fù)以上步驟。

圖3 采收平臺工作流程

2.2 采摘及切根設(shè)計(jì)

如圖4所示，葉菜類蔬菜通常是指以葉片和葉柄為食用部分的蔬菜，如小白菜等。這類蔬菜一般具有葉片蓬松，根部相對較小的特點(diǎn)。而植物工廠中對植物進(jìn)行機(jī)械操作，傳統(tǒng)方案是機(jī)械手單株操作[11]。若采取單株采收的模式，將會出現(xiàn)采收效率低下、菜葉易損傷、成本較高等問題。圖5、6分別為該采收系統(tǒng)中的采摘結(jié)構(gòu)和切根結(jié)構(gòu)。

圖4 小白菜實(shí)物圖

1. 4040主軸； 2. 右擋板； 3. 直線滑軌； 4. 左擋板；5. 直線滑塊； 6. 鈑金a； 7. 鈑金b； 8. 鈑金c； 9.硅膠

圖5 采摘裝置設(shè)計(jì)圖

1. 4080鋁型材； 2. 8080角件； 3. 鋁板； 4. 刀墊； 5. 切刀滑塊； 6. 減速電動機(jī)； 7. 凸輪； 8. 4080鋁型材； 9. 鋼板上； 10. 鋼板下； 11. 4040鋁型材； 12. 切刀滑軌； 13. 滑塊； 14. 拉簧； 15. 電動機(jī)固定裝置

圖6 切根裝置設(shè)計(jì)圖

針對水培的中小型葉菜特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種夾板式的采摘方案。夾板采用鏤空設(shè)計(jì)，保證夾緊部分集中在根部，而不是葉部；夾板表面貼有硅膠層，減小夾緊時對葉片造成的機(jī)械損傷；動力方式為步進(jìn)電動機(jī)帶動絲杠運(yùn)動，從而把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為夾緊和松開的平動，考慮到水培方式，夾緊力不需要特別大，本文選取的是1.5 N·m步進(jìn)電動機(jī)；夾板的行程為10 cm，基本滿足中小型葉菜的夾取要求。這種結(jié)構(gòu)一次可以采摘一整排葉菜，效率較高，硅膠以及鏤空設(shè)計(jì)減少了葉片損傷。

切根部分則是采取“一刀切”的方案，刀片選取類似于切紙機(jī)的不銹鋼刀片，經(jīng)實(shí)際測試，韌性和鋒利程度均易滿足要求。考慮到剪切時需要的力較大，選取的是40 N·m的減速電動機(jī)。切根時，減速電動機(jī)帶動凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪帶動不銹鋼刀片進(jìn)行平動，完成切根動作，在拉簧的作用下，刀片配合凸輪回復(fù)至原始狀態(tài)。

3 信息服務(wù)系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

信息服務(wù)系統(tǒng)中，主要信息可以分為工位信息和視頻監(jiān)控兩類。其中工位信息包含了采摘夾板的位置信息、工作狀態(tài)信息以及用戶的運(yùn)動控制指令等；視頻監(jiān)控則包括歷史圖像和實(shí)時圖像兩類。為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中控制以及更加方便的操作，如表1所示，將以上信息數(shù)據(jù)整合成了數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的表的形式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和增刪改查。

表1 采收信息系統(tǒng)中所有信息匯總

3.2 信息服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[12]，如樹莓派已經(jīng)有應(yīng)用于網(wǎng)關(guān)[13]、安防[14]、監(jiān)控[15]等系統(tǒng)的案例，所以信息系統(tǒng)與采收平臺以樹莓派作為調(diào)度中心進(jìn)行信息交互，即視頻圖像、工位信息和控制信號的上傳下達(dá)。

另外，隨著大數(shù)據(jù)和云技術(shù)[16]的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)從早先的一站式服務(wù)架構(gòu)發(fā)展到如今的分布式架構(gòu)[17]以及進(jìn)一步延伸出來的面向服務(wù)的架構(gòu)[18]。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將同樣面對大數(shù)據(jù)、信息技術(shù)的革新[19-22]，而現(xiàn)在大多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)卻仍停留在一站式服務(wù)的階段[23]。本文采取面向服務(wù)的架構(gòu)，將信息服務(wù)拆分為工位服務(wù)和視頻服務(wù)，并部署在不同的服務(wù)器上。

基于前面兩點(diǎn)，最終信息服務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖7所示。

圖7 信息服務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)

樹莓派作為調(diào)度中心，只負(fù)責(zé)信息的上傳下達(dá)，而不負(fù)責(zé)存儲或者提供服務(wù)。信息服務(wù)被拆分為相互獨(dú)立的工位服務(wù)和視頻服務(wù)，各自擁有MySQL數(shù)據(jù)庫存儲、進(jìn)程服務(wù)等。這樣做的好處有以下幾點(diǎn):

(1) 樹莓派的存儲壓力和帶寬壓力大大減小。

(2) 工位服務(wù)和視頻服務(wù)相互獨(dú)立，耦合度低，故障互不影響且容易維護(hù)。

(3) 可以通過對服務(wù)進(jìn)行水平擴(kuò)展解決多終端帶來的高并發(fā)問題。

(4) 服務(wù)進(jìn)行集群化更容易，單一服務(wù)的集群化只需要考慮該服務(wù)所需要的計(jì)算機(jī)資源，以更低的成本解決單點(diǎn)故障問題(若提供服務(wù)的機(jī)器只有一臺，則該機(jī)器故障后，整個系統(tǒng)無法正常運(yùn)行)。

樹莓派基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行信息傳輸，通過較為底層的socket實(shí)現(xiàn)，信息傳輸效率高。工位服務(wù)器和視頻服務(wù)器均基于http協(xié)議提供服務(wù)，其優(yōu)點(diǎn)在于java、python、C/C++、C#等常見的客戶端(如Android客戶端[24-25])編程語言均提供了支持良好的http協(xié)議開發(fā)庫，便于快速開發(fā)應(yīng)用。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及分析

該采收系統(tǒng)的硬件部分的實(shí)現(xiàn)效果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中選擇了小白菜、小蔥兩種形態(tài)不同的中小型葉菜類蔬菜進(jìn)行測試。成功率定義為單排成功采收的株數(shù)與單排總株數(shù)的比值，采摘與切根獨(dú)立計(jì)算。

圖8 采收平臺實(shí)物圖

經(jīng)過測試，該裝置的采收(包括采摘和切根)周期為2min/排，對每種類別的中小型葉菜，采摘成功率均在85%以上，切根成功率均在90%以上。

軟件方面服務(wù)采取分布式部署的方式，實(shí)現(xiàn)了如圖9所示的實(shí)時監(jiān)控與如圖10所示的數(shù)字孿生(真實(shí)機(jī)械運(yùn)動與計(jì)算機(jī)模擬機(jī)械運(yùn)動實(shí)時同步)。Android客戶端可以實(shí)時監(jiān)測當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過桌面客戶端的拖拽動作可以讓采收裝置同步運(yùn)動。信息流的傳輸與獲取比較穩(wěn)定，且單臺服務(wù)器故障后，系統(tǒng)仍然正常運(yùn)行。如視頻服務(wù)器宕機(jī)后，Android客戶端監(jiān)控畫面則不再更新，但狀態(tài)信息可以依然不斷更新，桌面客戶端的數(shù)字孿生功能也不會受其影響。

圖9 實(shí)時視頻及工作狀態(tài)監(jiān)控

圖10 數(shù)字孿生應(yīng)用

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的中小型葉菜采收新模式，倡導(dǎo)高效、低損傷的自動化生產(chǎn)和面向服務(wù)、低耦合易擴(kuò)展的遠(yuǎn)程信息服務(wù)系統(tǒng)，順應(yīng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中自動化和信息化的要求，并適應(yīng)了大數(shù)據(jù)環(huán)境下，預(yù)防單點(diǎn)故障，應(yīng)對高并發(fā)等潛在要求。未來這種模式將會以更多衍生品的形式，出現(xiàn)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式中。