果園監控與果實品質優化滴灌系統設計

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

隨著科學技術的不斷發展，人們收入水平的不斷提高，人們對于水果的品質要求也越來越高，水果的外觀、甜度、大小逐漸成為消費者關注的重點。為了有效提升水果品質，降低水果生產成本，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有關。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、番茄產量、可溶性固形物均產生影響。當日間溫度約30 ℃，夜間溫度約23 ℃時，草莓產量、含糖量均有不同程度的提高。探究果園生長環境與果實品質的關系已成為當代果園農業研究的主要方向。

傳統灌溉模式費時費力，嚴重浪費水土資源。張靜等基于ZigBee技術研究了果蔬大棚土壤墑情管理系統；王正、孫兆軍等基于PLC控制技術與模糊控制理論研發出了一套智能滴灌系統；韓貴黎等將PLC控制技術與CPRS、ZigBee無線通信技術相結合，建立了智能灌溉控制規則庫，進行精準灌溉；虞佳佳利用物聯網技術與專家決策系統匯總農作物生長信息，實現精細化灌溉作業。基于ZigBee搭建的無線灌溉系統已經有了比較成熟的運用，如監測土壤墑情、農田灌溉水質監測等。本文將果園系統分成兩部分，一部分采用搭載ZigBee的單片機控制系統管理滴灌量并監測果園環境；一部分用RFID技術對成熟果實品質進行跟蹤檢測。采用Qt作為開發軟件，實時接收果園環境數據與果實品質數據，管理滴灌方式并對數據進行分析。

1 果園監測與果實品質優化系統的整體設計

系統運行流程如下：

（1）根據經驗設定滴灌參數；

（2）果樹生長時，對果園進行監控，環境異常時報警；

（3）果實成熟后，隨機挑選果實送入檢測端，檢測果實品質；

（4）將果實品質與環境參數結合分析，優化滴灌參數與水肥比例。

因園區面積較大，在采集不同的數據時，將果園按照10～20棵樹劃為一個片區，將果園分割成不同區域，組網將不同區域連接。ZigBee組網基于IEEE802.15.4標準的局域網協議，和其他如藍牙等組網方式相比，能夠容納更多的組網節點，功耗更低，成本更低，網絡容量大，抗干擾性強，能夠自動選擇最優路徑進行數據傳輸，因此 ZigBee模塊成為本系統的首選。ZigBee模塊由協調器、路由器、終端構成，網絡呈點狀分布，數據由終端傳送給最近的路由器，由路由器統一傳入協調器。

果園監測與果實品質優化滴灌系統主要由上位機監控中心、ZigBee網絡、果園信息采集模塊、果實品質信息采集模塊等構成，如圖1所示。

圖1 果園監測與果實品質優化滴灌系統設計框架

每個區域的果園信息采集模塊負責接收該片區果園的環境信息，并通過ZigBee終端節點將信息傳入ZigBee協調器，ZigBee協調器將信息由串口打包發送給上位機。上位機對收到的果園環境信息進行監測，遇到異常信息及時報警，當果實成熟后經果實品質采集模塊收集果實品質數據，相關信息統一存儲在數據庫，由上位機軟件讀取數據庫，對數據進行分析，生成質量優化報告。

2 系統功能模塊設計與選型

2.1 果實品質數據采集模塊

根據市場調研可知，消費者對水果品質的關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，提高系統自動化水平，設計了圖2所示的果實品質采集流水線。由人工隨機挑選各區域的部分果實，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過RFID讀卡器、糖度檢測儀、工業相機、電子皮帶秤，將自身糖分、外觀、重量等數據送入上位機數據庫。

圖2 果實品質采集流水線

RFID裝置安裝在傳送帶上方橫梁，作用范圍為0～5 m，可以無接觸根據果實標簽號區分果實編號和生長區域，對后續數據進行分類；糖度檢測儀裝有限位開關，果實經過糖度檢測儀時，限位開關接收信號，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，由工業相機提取果實長軸、短軸、表面缺陷、顏色等指標，加權評定外觀；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。數據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 果園信息數據采集模塊

2.2.1 ZigBee終端網絡節點

終端節點的主要作用是采集傳感器收到的數據，經ZigBee網絡送入數據庫，并控制滴灌電磁閥。ZigBee終端節點結構如圖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網絡、滴灌電磁閥進行參數設置），通過TTL轉串口的方式與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域內部監測數據，通過485總線連接單片機，傳輸環境參數，接收單片機指令。

圖3 ZigBee終端節點結構

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網絡節點的正常工作需要。

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收發器具有靈敏度高、傳輸距離遠、丟包率低等優點。傳感器選擇見表2所列，所選用的傳感器均可精確到小數點后兩位，有較強的環境適應能力，適合用于果園監測。通過回歸分析研究土壤相對含水量對果實生長量的影響，發現果園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域內的干燥位置。果實生長階段設置各片區內的傳感器由STM32中斷控制，每30 min采集一次數據。

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，進而控制片區內的土壤濕度。

3 優化方法

水果糖分、重量、外觀、顧客滿意度是主要的優化目標，具體見表3所列。

表3 優化指標與方向

將果實品質的4個優化指標設置為0～100評分制，依據經驗，每種水果的重量和糖分都有一個合理區間，糖分和重量按照測得數值在經驗區間的位置進行評分。因優化目標較多，且優化指標與影響因素呈非線性關系，故采用線性方式擬合，借助加權法計算果實品質滿意度：

式中：ω，∈(1, 2, 3, 4)為權值；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化。在某固定時間內，不同區域的土壤濕度與水肥比例均為定值，結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。

采用最小二乘法建立方程，見公式（3），將數據代入方程即可求得待求參數。

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

4 軟件設計

4.1 ZigBee節點軟件設計

ZigBee協議分為兩部分，IEEE 802.15.4定義了PHY（物理層）和MAC（介質訪問層）技術規范；ZigBee聯盟定義了NWK（網絡層）、APS（應用程序支持子層）、APL（應用層）技術規范。ZigBee協議棧是將各層定義的協議集合后以函數的形式實現，并給用戶提供 API（應用層），用戶可以直接調用。ZigBee終端節點軟件流程如圖4所示。協調器在一個周期中初始化后首先開始組網，各終端節點收到傳感器信號后，發送入網請求，設置網絡參數。若入網成功，則該節點加入網絡；若請求失敗，則重新發起請求，3次請求失敗時，節點重啟。節點入網經過初始化后，實時收取并執行上位機發送的指令，每隔30 min采集一次傳感器數據，通過ZigBee網絡將數據傳入上位機監控中心與數據庫。數據采集完成后，節點進入休眠狀態，觸摸屏關閉，節省電量。

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框架Qt Creator開發，Qt技術源于諾基亞公司的界面開發平臺，由于其具有跨平臺（兼容多種系統，如Linux、Windows、Android等）、可擴展、開發簡單等特點，被廣泛運用于嵌入式終端、物聯網、數據采集等系統。軟件主要功能如圖5所示。軟件可實時顯示果林各區域的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳含量，發現異常數據及時報警；控制滴灌電磁閥調整土壤濕度；接收果實品質流水線傳來的數據，并控制傳送帶與RFID裝置；分析數據庫中的數據，得到質量優化報告。

圖5 上位機軟件設計框圖

系統搭建完成后，連接RFID讀卡器，順利收到標簽號以及果實品質數據，如圖6所示。

圖6 接收數據界面

5 結 語

（1）本文設計了一套果園監測系統，能夠實時監測與控制果園的各種環境指標，出現異常時報警，降低了人力成本，節約了水土資源。

（2）提出了一套果實品質自動化檢測線。

（3）運用多元回歸算法對環境與果實數據進行分析，優化果實品質，將智能化帶入果園生態。