仿形馬鈴薯收獲塊莖損傷報(bào)警裝置研制

郭洋+東忠閣+劉俊杰+吳澤全

摘要：為研究馬鈴薯收獲、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)和包裝過程中的外力損傷情況，設(shè)計(jì)一種仿形馬鈴薯收獲塊莖損傷報(bào)警裝置。報(bào)警裝置能識別馬鈴薯收獲過程中受到的機(jī)械損壞和造成傷害的區(qū)域，通過受力檢測確定收獲過程中需要改進(jìn)的部分，旨在實(shí)現(xiàn)馬鈴薯高質(zhì)量收獲和生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：仿形馬鈴薯；藍(lán)牙模塊；設(shè)計(jì)；三軸加速度傳感器；STM32

中圖分類號：S225.7+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）09-0036-03

馬鈴薯是世界上僅次于小麥、水稻、玉米的第四大糧食作物，素有“地下蘋果”“第二面包”的美譽(yù)。隨著馬鈴薯種植面積、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和產(chǎn)業(yè)層次的逐步升級，馬鈴薯收獲機(jī)械化程度不斷提高。馬鈴薯收獲、包裝、運(yùn)輸、貯藏的各個(gè)環(huán)節(jié)均容易形成機(jī)械損傷，其中塊莖損傷是馬鈴薯產(chǎn)量損失的主要原因。國外對英國665個(gè)農(nóng)場的調(diào)查結(jié)果顯示，23%～26%的馬鈴薯塊莖有可見的表皮損傷，13%的塊莖有內(nèi)部損傷，9%的塊莖有嚴(yán)重?fù)p傷。目前，國內(nèi)尚沒有產(chǎn)量損失的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，但在相對落后的收獲條件下，馬鈴薯塊莖損傷對產(chǎn)量造成的影響必然很大。為此，研究馬鈴薯收獲中的機(jī)械損傷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。仿形馬鈴薯收獲塊莖損傷報(bào)警裝置（以下簡稱“損傷報(bào)警裝置”）是一種馬鈴薯收獲質(zhì)量控制工具，可識別馬鈴薯收獲、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、包裝過程中受到的機(jī)械損壞和造成傷害的區(qū)域，通過受力檢測實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的高質(zhì)量收獲。

1 損傷報(bào)警裝置算法設(shè)計(jì)

1.1 工作流程

損傷報(bào)警裝置的外形、質(zhì)量與普通馬鈴薯相同，工作電路置于其內(nèi)部。工作時(shí)，將其埋在待收獲的馬鈴薯種植區(qū)域內(nèi)，與馬鈴薯一同經(jīng)歷采收、挑揀分級、包裝、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等收獲環(huán)節(jié)，通過三軸加速度傳感器采集收獲各個(gè)環(huán)節(jié)中受到的沖擊力，分別以X軸、Y軸、Z軸的形式發(fā)送給STM32F101C8T6單片機(jī)；單片機(jī)計(jì)算單次碰撞的受力情況，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元內(nèi)；當(dāng)上位機(jī)與藍(lán)牙模塊通訊后，藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)（單次碰撞的受力情況和碰撞發(fā)生時(shí)間等信息）發(fā)送給上位機(jī)，用戶通過碰撞發(fā)生時(shí)間和大小判斷各環(huán)節(jié)的受力情況，找出受力損傷嚴(yán)重的環(huán)節(jié)，從而提出改進(jìn)方案。

損傷報(bào)警裝置集成三軸加速度傳感器碰撞力采集系統(tǒng)、芯片運(yùn)算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、藍(lán)牙模塊發(fā)送接收系統(tǒng)、上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示及分析系統(tǒng)，基本原理見圖1。

1.2 碰撞力采集系統(tǒng)

損傷報(bào)警裝置內(nèi)置ADXL345三軸加速度傳感器。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高（13位），測量范圍達(dá)±16 g；數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度；分辨率高達(dá)3.9 mg/LSB，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化，測量范圍有±2 g，±4 g，±8 g和±16 g，既能測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度，也能測量靜止加速度；超低功耗，當(dāng)電源電壓VS=2.5 V時(shí)（典型值），測量模式下低至23 μA，待機(jī)模式下為0.1 μA。ADXL345三軸加速度傳感器的引腳配置見圖2。

由圖1可見，ADXL345三軸加速度傳感器有14個(gè)引腳，各引腳的功能如表1所示。

當(dāng)仿形馬鈴薯受到外部沖擊力時(shí)，ADXL345三軸加速度傳感器會(huì)記錄X軸、Y軸和Z軸的加速度，并將數(shù)值發(fā)送至中央處理芯片（STM32F103C8T6）；中央處理芯片根據(jù)力學(xué)公式設(shè)定算法，設(shè)定FX為X軸方向的受力值，m為仿形馬鈴薯的質(zhì)量（150 g），ax為X軸方向的加速度值，由公式FX=max計(jì)算X軸方向的受力值。同理，根據(jù)公式FY=may和FZ=maz計(jì)算出Y軸和Z軸的受力值FY和FZ，再根據(jù)矢量和公式F=（FX2+FY2+FZ2）1/2計(jì)算3軸受力的矢量和F值；中央處理芯片將三軸受力的矢量和F值、受力時(shí)間、實(shí)時(shí)溫度存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片中，以便上位機(jī)隨時(shí)讀取。

2 無線藍(lán)牙通訊模塊的通訊與應(yīng)用

仿形馬鈴薯收獲塊莖損傷報(bào)警裝置通過藍(lán)牙通訊模塊與上位機(jī)通信，中央處理芯片通過串口與藍(lán)牙模塊連接后，利用藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

設(shè)計(jì)選用HC-05型藍(lán)牙通訊模塊，其采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，輸入電壓3.6～6.0 V，板載3.3 V穩(wěn)壓芯片。未配對時(shí)電流約30 mA（LED燈閃爍時(shí)電流處于變化狀態(tài)），配對成功后電流約10 mA。

HC-05型藍(lán)牙通訊模塊可以與藍(lán)牙筆記本電腦、電腦加藍(lán)牙適配器等設(shè)備進(jìn)行無縫連接。嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊具有2種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式。在自動(dòng)連接工作模式下，模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）3種工作角色。當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)，能執(zhí)行所有AT命令。用戶可向模塊發(fā)送各種AT指令，并為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。HC-05藍(lán)牙模塊如圖3所示。

HC-05藍(lán)牙模塊用到的引腳定義如下：1） PIO8連接LED，指示模塊工作狀態(tài)，模塊上電后閃爍，不同狀態(tài)的閃爍間隔不同；2） PIO9連接LED，指示模塊連接成功，藍(lán)牙串口匹配連接成功后，LED長亮；3） PIO11模塊狀態(tài)切換腳，高電平是AT命令響應(yīng)工作狀態(tài)，低電平或懸空是藍(lán)牙常規(guī)工作狀態(tài)；4） 模塊帶有復(fù)位電路，重新上電即完成復(fù)位。

HC-05藍(lán)牙模塊與中央處理芯片連接后，設(shè)置AT指令，以便HC-05藍(lán)牙模塊與上位機(jī)通訊。AT指令設(shè)置步驟如下：用杜邦線連接好USB轉(zhuǎn)TTL模塊（下載器）與HC-05藍(lán)牙模塊，進(jìn)入AT指令模式，將下載器與電腦連接（按住HC-05上的復(fù)位鍵，再接通電源，指示燈緩慢閃滅，表示進(jìn)入AT指令模式），并且打開串口助手。設(shè)置波特率38400，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗(yàn)位，無流控制。發(fā)送：AT，返回：OK（設(shè)置成功）。設(shè)置藍(lán)牙串口波特率9600，無校驗(yàn)位，1停止位指令：AT+UART=9600，0，0（換行）返回：OK。設(shè)置藍(lán)牙的主從模式，指令：AT+ROLE=0（0為從站模式，1為主站模式）返回：OK（設(shè)置成功），如圖4所示。endprint

將上位機(jī)設(shè)成主站，藍(lán)牙模塊設(shè)置成從站，兩者密碼必須一致。操作完成后，主從模塊建立連接。對兩個(gè)模塊重新上電，通過觀察指示燈確定主站和從站是否建立通信。

3 結(jié)論

損傷報(bào)警裝置通過三軸加速度傳感器采集馬鈴薯收獲、運(yùn)輸、包裝倉儲(chǔ)等過程中的受力情況，利用芯片運(yùn)算系統(tǒng)將加速度換算成受力，并將受力情況與實(shí)時(shí)溫度保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。當(dāng)上位機(jī)軟件需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，報(bào)警裝置通過無線藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過顯示和分析馬鈴薯從收獲到倉儲(chǔ)過程的受力情況，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯損傷監(jiān)測。

損傷報(bào)警裝置是一種強(qiáng)大的質(zhì)量控制工具，可幫助實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的馬鈴薯生產(chǎn)，能識別從收割機(jī)到包裝線的所有類型的馬鈴薯處理機(jī)械的損壞和造成傷害的區(qū)域。該技術(shù)為馬鈴薯收獲和生產(chǎn)提供質(zhì)量保證，市場發(fā)展空間廣闊。

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Abstract： To study the mechanical damage in the process of harvest， transportation， storage and packing of potato， a kind of damage alarming device for frofiling potato tuber harvesting was designed. The alarming device can identify mechanical damage and areas damaged in the process of potato harvest. Through the detection of potato stress size， can help achieve high-quality potato harvest and production. The parts needed to improved determined by stress detection in the process of harvest， in order to realize high quality harvest and production of potato.

Key words： profiling potato； bluetooth module； drsign； triaxial acceleration sensor； STM32endprint