智能草莓種植系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

黃道，陳敏敏

（1.汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕尾 516600；2.汕尾市海洋產(chǎn)業(yè)研究院，廣東 汕尾 516600）

0 引 言

隨著汕尾積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)，目前在汕尾周邊的各類種植基地正在快速增加，種植作物的種類多樣，已成規(guī)模；在監(jiān)測(cè)植物的環(huán)境參數(shù)方面，采用的都是普通獨(dú)立的測(cè)試儀器，如水銀溫度計(jì)等，其測(cè)量需要人工進(jìn)行觀察和記錄，最后再由技術(shù)人員進(jìn)行分析，結(jié)合植物的生長情況，給予接下來的種植策略[1]。噴灑和灌溉也是由人工控制時(shí)間和水量，需要較多的人工去管理和實(shí)施。結(jié)合上面的情況，針對(duì)其中的草莓種植，融合物聯(lián)網(wǎng)、圖像識(shí)別、傳感器、軟件設(shè)計(jì)、芯片編程等技術(shù)和草莓生長需求的環(huán)境因素，設(shè)計(jì)一套集生長環(huán)境監(jiān)測(cè)、生長狀況分析、智能給予種植策略和控制方案于一體的種植系統(tǒng)模型。

1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。 系統(tǒng)主控芯片為STM32103C8T6，其負(fù)責(zé)對(duì)各傳感器信息的采集，包括溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤pH 值傳感器等，主要對(duì)草莓的生長環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主控芯片對(duì)電磁閥、水泵、RGB 燈等外部執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，此部分主要是通過施肥、澆水、補(bǔ)充光照、通風(fēng)等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因素的調(diào)整和改變[2]。通過GPRS 模塊將系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集分析、遠(yuǎn)程操控和處理。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)軟件和服務(wù)器方面，包括手機(jī)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁服務(wù)器，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)、分享和傳輸以及人機(jī)的交互。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括主控芯片電路、傳感器電路、控制外設(shè)電路、圖像處理模塊電路、GPRS 模塊電路、電源電路等部分。

2.1 主控芯片電路

系統(tǒng)主控芯片采用STM32C8T6，主控芯片電路主要由其最小系統(tǒng)電路構(gòu)成，具體電路及與外部連接如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)主控芯片STM32 最小系統(tǒng)電路及連接

主控芯片電路的作用主要是完成整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制，包括驅(qū)動(dòng)各類傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)、電磁閥等外設(shè)實(shí)現(xiàn)控制灌溉、遮陽、施肥、照射等功能；與圖像處理模塊OpenMVplus 進(jìn)行通信，獲取其處理圖像的識(shí)別結(jié)果；與GPRS 模塊進(jìn)行通信，并通過其接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，總體分析、處理信息，采用對(duì)應(yīng)的種植策略。

2.2 GPRS 模塊電路

GPRS 模塊電路及其連接如圖3 所示。GPRS 模塊電路主要實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)通過移動(dòng)4G 網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的功能，采用串口通信與主控芯片進(jìn)行交互[3]。

圖3 GPRS 模塊電路

2.3 OpenMVplus 圖像處理模塊電路

OpenMVplus 圖像處理模塊電路如圖4 所示。

圖4 OpenMVplus 圖像處理模塊電路

OpenMVplus 圖像處理模塊電路主要功能是對(duì)草莓生長圖像進(jìn)行分析和處理，通過機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別草莓的各個(gè)生長期及生長狀況異常與否，并將結(jié)果通過串口通信發(fā)送給主控芯片進(jìn)行處理。

2.4 傳感器電路

傳感器電路包括空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、pH 傳感器、光照傳感器等。

DHT11 溫濕度傳感器電路如圖5 所示，其功能主要是對(duì)種植環(huán)境空氣的溫濕度值進(jìn)行檢測(cè)。

圖5 DHT11 溫濕度傳感器電路

土壤pH 值傳感器電路如圖6 所示，其使用探頭對(duì)土壤的酸堿度進(jìn)行測(cè)試，傳感器可將pH 值轉(zhuǎn)化為電壓值，主控芯片通過A/D 口進(jìn)行讀取，同時(shí)使用實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的轉(zhuǎn)化公式，將其轉(zhuǎn)化為pH 值。

圖6 土壤pH 值傳感器電路

土壤濕度傳感器主要使用探頭對(duì)土壤的濕度進(jìn)行檢測(cè)，其輸出的濕度量為電壓模擬值，主控芯片使用A/D 口對(duì)其進(jìn)行讀取，再轉(zhuǎn)化為濕度值。土壤濕度傳感器電路如圖7所示。

光照傳感器電路如圖8 所示，采用GY30 光照傳感器模塊，主控芯片使用I2C 通信與其進(jìn)行通信，獲取光照值[4]。主要用于測(cè)試種植環(huán)境的光照度和對(duì)系統(tǒng)光照度的調(diào)整。

圖8 光照傳感器電路

2.5 外部設(shè)備電路

外部設(shè)備電路包括步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路模塊、電磁閥、水流霍爾傳感器、太陽膜卷動(dòng)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路、RGB 全彩LED 燈板、固態(tài)肥料施肥電機(jī)電路等。

RGB 燈板電路采用WS_2812 燈板，燈板自帶驅(qū)動(dòng)，主控芯片只需要用一個(gè)I/O 口便可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)控制方便，如圖9 所示。燈板主要起到補(bǔ)照藍(lán)紫燈光的作用，使用PID 算法進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)日間照射的光照度不夠時(shí)，增加藍(lán)紫燈光的照射，保存穩(wěn)定的光照。

圖9 WS_2812 RGB 燈板電路

太陽膜卷動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電路分兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制頂部的遮陽膜的卷開和卷合，控制陽光的入射；另外一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制側(cè)面的太陽膜的卷合，此部分主要通過卷閉來控制大棚的通風(fēng)，調(diào)節(jié)空氣的流動(dòng)，從而間接控制大棚內(nèi)的溫濕度。采用步進(jìn)電機(jī)可精準(zhǔn)控制其卷合的程度，搭配重力塊，可實(shí)現(xiàn)拉和放兩個(gè)方向移動(dòng)。太陽膜卷動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)電路如圖10 所示。

圖10 太陽膜卷動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)電路

滴灌控制電路如圖11 所示。主控芯片使用管腳PB0 對(duì)霍爾元件的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，判斷、計(jì)算當(dāng)前的出水流量，并通過PA6 管腳控制水流電磁閥的關(guān)閉，控制出水，兩者結(jié)合，精確控制出水流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水、水肥定量滴灌的控制[5]。

圖11 滴灌控制電路

固態(tài)肥料施肥電機(jī)電路如圖12 所示。采用底部漏孔配合履帶旋轉(zhuǎn)擋板的步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，擋板推動(dòng)肥料經(jīng)過底孔，完成一次量的下料，通過控制旋轉(zhuǎn)次數(shù)控制肥料的下料量。

圖12 固態(tài)肥料施肥電機(jī)電路

2.6 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)電源電路主要提供系統(tǒng)芯片、驅(qū)動(dòng)板、電磁閥等各模塊的需求的電壓值。對(duì)220 V 交流電進(jìn)行變壓整流，再經(jīng)穩(wěn)壓芯片處理，從而提供不同的電壓需求。電源電路如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)電源電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分的設(shè)計(jì)：主控芯片的程序設(shè)計(jì)、OpenMV 圖像識(shí)別模塊的程序設(shè)計(jì)、手機(jī)應(yīng)用APP軟件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 主控芯片的程序設(shè)計(jì)

主控芯片STM32F103C8T6 的程序設(shè)計(jì)流程如圖14所示。

圖14 主控芯片程序流程

主控芯片主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的通信、協(xié)調(diào)、驅(qū)動(dòng)、控制等工作。

（1）系統(tǒng)初始化：各個(gè)串口波特率設(shè)置、I/O 口模式設(shè)置、與服務(wù)器時(shí)鐘芯片進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)等工作。

（2）讀傳感器：驅(qū)動(dòng)DHT11 空氣溫濕度模塊讀取空氣的溫濕度，采用ADC 管腳獲取土壤濕度模塊的濕度A/D 值，并經(jīng)過比例轉(zhuǎn)化，從而獲取土壤的濕度值；使用第二路ADC管腳獲取pH 傳感器模塊輸出的pH 轉(zhuǎn)化A/D 值，經(jīng)換算，獲得土壤的pH 值；同樣，使用第三路ADC 管腳獲取光照傳感器的光照值。

（3）讀取圖像處理結(jié)果：使用設(shè)定的協(xié)議，經(jīng)串口與OpenMVplus 進(jìn)行通信，讀取其圖像分析的結(jié)果。

（4）數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)：將獲取到的傳感器和圖像信息經(jīng)GPRS模塊，通過4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并存儲(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)條中，同時(shí)獲取控制指令標(biāo)簽的值。

（5）數(shù)據(jù)分析和控制：對(duì)獲取到的信息進(jìn)行分析，當(dāng)空氣中溫度過高或過低時(shí)，驅(qū)動(dòng)側(cè)面太陽膜電機(jī)卷開或卷合太陽膜，通過密閉或流動(dòng)來調(diào)節(jié)相同棚內(nèi)的溫度。當(dāng)土壤或空氣的濕度過低、干燥時(shí)，則通過控制電磁閥打開進(jìn)行點(diǎn)滴灌溉；同時(shí)讀取水流霍爾傳感器的脈沖數(shù)，并將脈沖數(shù)換算為水容量，通過控制電磁閥控制滴灌給水量。當(dāng)濕度太大時(shí)，則控制卷膜打開，進(jìn)行通風(fēng)降濕。對(duì)土壤pH 值進(jìn)行分析，如果處于草莓適合的環(huán)境5.5 ～6.5 時(shí)，則不作處理；如果超過了，則控制施肥電機(jī)工作，施加硫磺粉、生石灰的肥料來調(diào)整土壤的pH 值。pH 值的調(diào)整正常在種植前（配合APP操控）完成調(diào)整。分析獲取的光照值，當(dāng)白天光照值較低時(shí)，采用PID 算法[6]進(jìn)行調(diào)控，公式為：

為了在芯片程序中實(shí)現(xiàn)，做離散處理，公式如下：

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和調(diào)參，Kp值設(shè)置為0.5，Ki值設(shè)置為0.2，Kd值設(shè)置為0.1，調(diào)節(jié)頻率為500 μs/次，燈光系統(tǒng)照射穩(wěn)定，使得RGB 全彩燈在白天照射度不足時(shí)，保持恒定的藍(lán)紫燈光，促進(jìn)草莓生長。OpenMV 圖像處理模塊采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，使其能夠?qū)Σ葺母鱾€(gè)生長階段進(jìn)行識(shí)別區(qū)分。主控芯片則根據(jù)識(shí)別的結(jié)果按照苗期、現(xiàn)蕾期、果實(shí)膨大期、采收期結(jié)合種植時(shí)間（結(jié)合APP 設(shè)置種植日期點(diǎn)以及時(shí)鐘芯片獲取種植時(shí)間）進(jìn)行特定種類和容量的施肥[7]。當(dāng)識(shí)別到生長異常時(shí)，則通過網(wǎng)絡(luò)和APP 提醒技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行分析和處理。

3.2 OpenMVplus 圖像處理模塊程序設(shè)計(jì)

OpenMVplus 圖像處理模塊主要用于對(duì)草莓生長圖像的分析。借助邊緣設(shè)備機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)平臺(tái)Edge Impulse 服務(wù)器進(jìn)行訓(xùn)練，準(zhǔn)備草莓4 個(gè)生長周期的各數(shù)百張正常生長圖片和特殊的異常圖片，創(chuàng)建采用遷移學(xué)習(xí)模型，設(shè)置模型訓(xùn)練的參數(shù)，進(jìn)行訓(xùn)練機(jī)器分類[8]。最終生成機(jī)器識(shí)別模型，將該模型生成Python代碼，再調(diào)配到OpenMV上作為程序基礎(chǔ)，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。具體程序流程如下：

（1）初始化：進(jìn)行波特率設(shè)置、圖像識(shí)別準(zhǔn)備工作等。

（2）定時(shí)識(shí)別：每隔一個(gè)小時(shí)，拍攝一張草莓生長圖片，將該圖片加載入訓(xùn)練的模型中進(jìn)行識(shí)別，獲取該圖片與各模型的相似度，取相似度最高的作為識(shí)別結(jié)果。

（3）串口通信：將該數(shù)據(jù)以設(shè)定的通信協(xié)議發(fā)送到主控芯片上進(jìn)行處理。

3.3 Android 系統(tǒng)手機(jī)APP 設(shè)計(jì)

Android 手機(jī)APP 采用AppInventor 進(jìn)行設(shè)計(jì)，其功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)種植系統(tǒng)的遠(yuǎn)程查看和控制，其設(shè)計(jì)分為組件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)兩塊。

組件設(shè)計(jì)主要為APP 界面設(shè)計(jì)，主要包括兩個(gè)部分：

（1）顯示部分：主要作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示，包括溫濕度、光照度、種植時(shí)間、生長時(shí)間、生長期、生長情況、pH 值、近3 個(gè)區(qū)域天氣等顯示標(biāo)簽設(shè)計(jì)。

（2）操控部分：主要用于遠(yuǎn)程操控的按鍵和雙態(tài)開關(guān)組件，包括滴灌、施肥、開啟/卷合頂部和側(cè)邊太陽膜、藍(lán)紫燈照射控制等對(duì)應(yīng)系統(tǒng)外部硬件設(shè)備的控制組件。

程序設(shè)計(jì)思路：

（1）應(yīng)用啟動(dòng)后，通過HTTP 協(xié)議發(fā)送get 請(qǐng)求到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，獲取數(shù)據(jù)庫種植系統(tǒng)上傳的各個(gè)環(huán)境參數(shù)，當(dāng)服務(wù)器返回參數(shù)信息時(shí)，進(jìn)行json 解碼和提取，再將相對(duì)應(yīng)的信息寫入到各個(gè)顯示組件，按照信息設(shè)置雙態(tài)開關(guān)的狀態(tài)。通過HTTP 協(xié)議接入和風(fēng)天氣網(wǎng)站服務(wù)器，發(fā)送包含城市位置和鑒權(quán)信息的get 請(qǐng)求到和風(fēng)天氣網(wǎng)站接口，當(dāng)獲取到天氣信息時(shí)，進(jìn)行json 格式解碼，并按天數(shù)進(jìn)行提取和顯示，系統(tǒng)目前使用和風(fēng)天氣免費(fèi)的接口，能提供未來3 天內(nèi)的天氣信息[9]。

（2）當(dāng)用戶控制組件進(jìn)行操作時(shí)，則將控制信息轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的修改網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的修改指令語句，使用HTTP 協(xié)議封裝，并采用post 請(qǐng)求的方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收后再將其寫入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，從而修改數(shù)據(jù)庫中相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)簽。

3.4 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫主要作為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，連接硬件系統(tǒng)和手機(jī)應(yīng)用，還有正在開發(fā)中的PC 應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)它們之間的通信功能。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫采用購買網(wǎng)絡(luò)空間進(jìn)行搭建，數(shù)據(jù)庫采用SQL 數(shù)據(jù)庫，比較輕便靈活。由于該空間支持的數(shù)據(jù)庫不能直接進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，所以采用PHP 語言設(shè)計(jì)了一個(gè)中轉(zhuǎn)的網(wǎng)頁程序服務(wù)器asp 程序。通過HTTP 協(xié)議為遠(yuǎn)程的軟、硬件系統(tǒng)提供接入中轉(zhuǎn)服務(wù)，使得種植系統(tǒng)的軟、硬件能夠間接接入數(shù)據(jù)庫[10]。SQL 數(shù)據(jù)庫中為種植系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)表，表中每一個(gè)環(huán)境參數(shù)和控制狀態(tài)量分別建立一個(gè)數(shù)據(jù)列，而網(wǎng)頁服務(wù)器程序主要做中轉(zhuǎn)作用，執(zhí)行硬件系統(tǒng)與應(yīng)用的寫入、讀取數(shù)據(jù)庫的指令，再將獲取的信息返回到請(qǐng)求源。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)結(jié)合草莓的種植，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)、芯片編程技術(shù)、人工智能應(yīng)用等技術(shù)，設(shè)計(jì)一套具有以下優(yōu)勢(shì)的種植系統(tǒng)模型：

（1）智能化：自動(dòng)檢測(cè)種植環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)，并自動(dòng)或人工進(jìn)行調(diào)節(jié)，智能識(shí)別草莓的各個(gè)生長周期及異常情況，結(jié)合種植時(shí)間和生長情況采用相對(duì)應(yīng)的種植策略。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控：草莓種植環(huán)境的各個(gè)環(huán)境參數(shù)、生長情況和種植系統(tǒng)滴灌、施肥、補(bǔ)光等都進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入，完成遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

綜上所述，該種植系統(tǒng)模型結(jié)合草莓種植的需求，具有推廣價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。