智能果園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/張朝瑋，山東省煙臺(tái)第一中學(xué)

智能果園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/張朝瑋，山東省煙臺(tái)第一中學(xué)

隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、現(xiàn)代化程度越來(lái)越高，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)智能設(shè)備與系統(tǒng)被研發(fā)和使用，但針對(duì)于蘋(píng)果種植中存在的問(wèn)題卻鮮有人討論。在現(xiàn)實(shí)的蘋(píng)果種植過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題，如反光膜鋪覆不便、能源傳輸不便、山地種植澆灌困難等。本系統(tǒng)針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的研究和設(shè)計(jì)，如：反光膜自動(dòng)鋪覆設(shè)備、智能澆灌設(shè)備、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等，以最大程度便捷農(nóng)民，提高生產(chǎn)效率。本設(shè)計(jì)意在研發(fā)一種可以在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)溫濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)地膜進(jìn)行自動(dòng)鋪覆，實(shí)現(xiàn)智能澆灌并以太陽(yáng)能為主要能源的新型智能果園系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至管理者，管理者通過(guò)計(jì)算機(jī)或是手機(jī)客戶(hù)端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)某環(huán)節(jié)需要調(diào)節(jié)，可通過(guò)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行調(diào)控。

智能農(nóng)業(yè)；太陽(yáng)能供電；智能澆灌；反光膜鋪覆

引言

隨著科技的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代信息通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)正在向智能化發(fā)展。國(guó)外以荷蘭為代表的國(guó)家智能農(nóng)業(yè)起步較早，現(xiàn)已形成比較完備的智能農(nóng)業(yè)體系[1]。國(guó)內(nèi)的智能農(nóng)業(yè)在近幾年興起的物聯(lián)網(wǎng)的帶動(dòng)下也有所發(fā)展，但是目前更多的智能設(shè)備與系統(tǒng)只是應(yīng)用于大塊的平原田地或是糧食作物的種植與培育[2]。對(duì)山地農(nóng)田以及經(jīng)濟(jì)作物的研究較少，并且已有的設(shè)備的動(dòng)力來(lái)源多偏向于人力，難以達(dá)到大規(guī)模使用以提高生產(chǎn)效率之目的。本文以蘋(píng)果種植為切入點(diǎn)，意在研發(fā)一種針對(duì)蘋(píng)果種植的智能果園系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)反光膜自動(dòng)鋪覆、智能澆灌等功能。通過(guò)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理。

本系統(tǒng)利用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)作為本智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)。以CC2530作為傳感器節(jié)點(diǎn)核心處理器以實(shí)現(xiàn)上述預(yù)期功能。本系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低耗低、使用年限長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，太陽(yáng)能供電的使用，在解決能源輸儲(chǔ)問(wèn)題的同時(shí)也符合環(huán)保的要求。

圖1 智能果園總體架構(gòu)圖

1.總體架構(gòu)

智能果園系統(tǒng)由：環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、智能澆灌子系統(tǒng)、反光膜鋪覆子系統(tǒng)、太陽(yáng)能供電子系統(tǒng)、ZigBee通信子系統(tǒng)五部分組成。智能果園總體架構(gòu)如圖1所示。

智能果園系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能主要有：環(huán)境監(jiān)測(cè)功能、反光膜自動(dòng)鋪覆功能、自動(dòng)澆灌功能。目前智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于蔬菜大棚等場(chǎng)地，就當(dāng)前的技術(shù)能力和成本要求來(lái)說(shuō)，由于受到?jīng)]有適當(dāng)?shù)姆独梢越梃b、傳輸技術(shù)、能源來(lái)源、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、家庭實(shí)際消費(fèi)能力的限制，真正意義上的全智能果園系統(tǒng)暫時(shí)還無(wú)法成為現(xiàn)實(shí)。但是利用無(wú)線傳感器技術(shù)的強(qiáng)大自適應(yīng)與自由擴(kuò)展能力，只要在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)預(yù)留一些相應(yīng)的物理接口，當(dāng)需要添加設(shè)備或是技術(shù)更新時(shí)，不需要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造，只需通過(guò)服務(wù)器升級(jí)和傳感器節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)充即可實(shí)現(xiàn)升級(jí)[3]。

2.模塊設(shè)計(jì)

■2.1 終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能果園終端系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、智能澆灌子系統(tǒng)、反光膜鋪覆子系統(tǒng)、太陽(yáng)能供電子系統(tǒng)、ZigBee通信子系統(tǒng)五個(gè)子系統(tǒng)組成。各個(gè)系統(tǒng)之間存在聯(lián)動(dòng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的自動(dòng)控制，如根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果控制其它子系統(tǒng)的工作。系統(tǒng)在果園內(nèi)可根據(jù)實(shí)際情況每隔5–10米鋪覆一個(gè)。

2.1.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)最重要的莫過(guò)于對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)選用cc2530單片機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)核心，并利用煙霧傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和土壤濕度傳感器對(duì)系統(tǒng)中的煙霧濃度、光照強(qiáng)度及土壤干濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。然后通過(guò)通信模塊將數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器，同時(shí)推送至用戶(hù)處，使得用戶(hù)可以利用手機(jī)APP對(duì)環(huán)境的具體情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并作出適當(dāng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的功能。

2.1.2 智能澆灌子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于多數(shù)果園位于離村莊較遠(yuǎn)的山地，沒(méi)有電力供應(yīng)所以無(wú)法采用電力水泵進(jìn)行澆灌。一般的農(nóng)民會(huì)選擇用柴油水泵抽水進(jìn)行澆灌，但由于柴油水泵存在不方便、不環(huán)保、不安全等問(wèn)題，所以這并不是理想的澆灌模式。果園智能澆灌子系統(tǒng)是為解決果園澆灌困難的現(xiàn)狀，利用太陽(yáng)能發(fā)電輔以蓄電池蓄電，解決了能源供應(yīng)問(wèn)題，先根據(jù)果園中水源的分布狀況在果園中布好抽水所用的管道并在水源附近設(shè)置抽水機(jī)。將抽水機(jī)的開(kāi)關(guān)與單片機(jī)的引腳相連，將抽水機(jī)內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)與太陽(yáng)能供電子系統(tǒng)相連。通過(guò)安置在土地中的土壤干濕度傳感器實(shí)時(shí)采集土地干濕數(shù)據(jù)，當(dāng)土地干度達(dá)到閾值最小值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)通訊系統(tǒng)發(fā)送推送至用戶(hù)處，用戶(hù)可以通過(guò)APP決定是否開(kāi)啟設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)澆灌。當(dāng)通過(guò)傳感器測(cè)得的土壤干濕度達(dá)到閾值最大值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)再次發(fā)送推送，提醒用戶(hù)關(guān)閉抽水機(jī)。

2.1.3 反光膜鋪覆子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反光膜鋪覆是在蘋(píng)果采摘期前一個(gè)月，為了增強(qiáng)光照強(qiáng)度進(jìn)而為蘋(píng)果著色提質(zhì)而采取的方法。傳統(tǒng)的做法是由人工鋪覆，反光膜一次性使用不重復(fù)利用，不僅浪費(fèi)人力物力，更重要的是反光膜廢棄帶來(lái)大量污染。本系統(tǒng)的反光膜自動(dòng)鋪覆功能就是針對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)中的消耗大、不環(huán)保兩大缺點(diǎn)。首先將反光膜鋪覆在可調(diào)焦的軟板上，通過(guò)光傳感器對(duì)環(huán)境中的光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)反饋，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到閾值之后會(huì)發(fā)送推送至用戶(hù)APP由用戶(hù)決定是否開(kāi)啟設(shè)備。在采摘蘋(píng)果的時(shí)候可以還將軟板拆下以免其妨礙采摘。由于該反光膜鋪覆在軟板上，所以不會(huì)因表面反光物質(zhì)脫落而導(dǎo)致土壤酸化降低果品品質(zhì)，還可以重復(fù)利用和回收，更是起到了環(huán)保提質(zhì)的作用。

2.1.4 太陽(yáng)能供電子系統(tǒng)

如今太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)基本成熟，各種太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)也十分突出，因此具體到具體應(yīng)用需選擇符合實(shí)際的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本智能系統(tǒng)所用的太陽(yáng)能是一種利用單塊太陽(yáng)能板組建而成的太陽(yáng)能軟板。由于一般的太陽(yáng)能電板沒(méi)有儲(chǔ)電功能，所以本系統(tǒng)的供電系統(tǒng)采用的是以自組太陽(yáng)能軟板為基礎(chǔ)，輔以蓄電池儲(chǔ)電（以供夜間部分功能使用）的設(shè)計(jì)思路。

作為智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的供電技術(shù)，首要考慮因素就是可行性的問(wèn)題，針對(duì)果園地形多變布線不方便的問(wèn)題，太陽(yáng)能供電無(wú)疑是較好的解決方式。雖然其電功率較低但是足以滿(mǎn)足傳感器節(jié)點(diǎn)及智能澆灌子系統(tǒng)等子系統(tǒng)的耗電。

2.1.5 ZigBee通信子系統(tǒng)

ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無(wú)線通信技術(shù)[4]。主要用于近距離無(wú)線連接，它有自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。本系統(tǒng)選用以ZigBee為標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要是有以下理由：一是傳輸功率低，專(zhuān)門(mén)針對(duì)低數(shù)據(jù)量傳輸，二是低功耗工作模式，第三成本低。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[5]。以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。

■2.2 服務(wù)器設(shè)計(jì)

2.2.1 服務(wù)器功能

服務(wù)器主要有三大功能：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警、環(huán)境信息推送。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包括兩部分：用戶(hù)的基本信息以及從環(huán)境中采集的數(shù)據(jù)。服務(wù)器將傳感器采集的數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送給用戶(hù)。當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到閾值（例如溫度≥50℃）時(shí)，會(huì)運(yùn)行一個(gè)控制命令向用戶(hù)發(fā)送報(bào)警信息。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要有兩個(gè)表：用戶(hù)基本信息表與環(huán)境信息表。用戶(hù)基本信息表中字段主要有：用戶(hù)id、用戶(hù)名、用戶(hù)身份、聯(lián)系方式、家庭住址、園地面積。其中Id為主鍵，唯一標(biāo)識(shí)用戶(hù)。環(huán)境信息表主要有：溫度、濕度、光照強(qiáng)度等，并有主鍵id和外鍵用戶(hù)id。本智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并采用sql語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的插入、查詢(xún)、添加（更新）、刪除。

■2.3 客戶(hù)端設(shè)計(jì)

用戶(hù)可通過(guò)APP的控制界面實(shí)現(xiàn)反光膜自動(dòng)鋪覆、智能澆灌等功能，亦可以通過(guò)APP的數(shù)據(jù)查詢(xún)界面查詢(xún)當(dāng)季內(nèi)果園的溫度、濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度等具體數(shù)據(jù)。另有實(shí)時(shí)檢測(cè)界面可以查看抽水機(jī)是否在工作、有無(wú)系統(tǒng)報(bào)警信息，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)民足不出戶(hù)便可知果園情況的智能化。

3.總結(jié)與展望

本系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)反光膜自動(dòng)鋪覆、智能澆灌、檢測(cè)環(huán)境煙霧濃度等功能，可以幫助農(nóng)民在無(wú)需到達(dá)農(nóng)田的情況下實(shí)時(shí)檢測(cè)果園狀況。且無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有能耗低、使用年限長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，加之本系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，在解決能源輸儲(chǔ)問(wèn)題的同時(shí)也符合環(huán)保便捷的要求。智能果園系統(tǒng)擁有智能化、便捷化等突出優(yōu)點(diǎn)，可以幫助果農(nóng)在管理果園時(shí)更加方便快捷有效。但該系統(tǒng)也存在部分設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本較高等不足之處。相信隨著智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，本系統(tǒng)可以在實(shí)際運(yùn)用中日趨完善，達(dá)到越來(lái)越好的效果。

＊ [1]高玲，劉勇，夏利利.設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(16)：5334-5335

＊ [2]李將.智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的初步探索[J].山東省農(nóng)業(yè)管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（3）：36-37

＊ [3]黃向驥. 基于CC2530的無(wú)線智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 武漢理工大學(xué)， 2010：13-15

＊ [4]張彥芳、李舸. ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[J]. 中國(guó)科技博覽， 2013（38）：634-635

＊ [5]李裕舸. 基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（12）：47-47