溫室智能裝備系列之九十九新型開(kāi)源云端溫室茄子株高實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

馬偉，Daniel K. Fisher2，Efren Ford

【摘要】溫室反季節(jié)果菜栽培有很好的經(jīng)濟(jì)效益，茄子是重要的果菜品種。茄子的株高能反映茄子的產(chǎn)量和長(zhǎng)勢(shì)，監(jiān)測(cè)株高可以獲得第一手的茄子生長(zhǎng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在云端共享能提升數(shù)據(jù)的應(yīng)用質(zhì)量，基于開(kāi)源的平臺(tái)讓更多的用戶(hù)共同完成茄子的生長(zhǎng)監(jiān)控，對(duì)于規(guī)模化生產(chǎn)有很大的幫助。文章提出了一種開(kāi)源云端溫室茄子株高實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)搭建完的系統(tǒng)進(jìn)行初步測(cè)試，結(jié)果顯示該系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)溫室茄子冠層株高。

反季節(jié)蔬菜已成為城市蔬菜循環(huán)供應(yīng)的重要來(lái)源。其中果菜更是占據(jù)重要地位，是農(nóng)民增收的重要栽培種類(lèi)，茄子是溫室普遍種植的果菜，對(duì)茄子生長(zhǎng)信息的監(jiān)測(cè)有很多指標(biāo)，株高是其中應(yīng)用普遍的一個(gè)指標(biāo)。

開(kāi)源技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際上主流的信息技術(shù)，云端存儲(chǔ)是開(kāi)源技術(shù)在線采集數(shù)據(jù)再利用的一個(gè)重要方法，歐美等國(guó)家的開(kāi)源云端技術(shù)取得了很快的普及和發(fā)展[1]。開(kāi)源的硬件平臺(tái)同與之匹配的軟件系統(tǒng)能很好兼容，快捷地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在云端的存儲(chǔ)、處理和應(yīng)用[2]。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)用可借助GSM、LTE網(wǎng)絡(luò)上傳云端存儲(chǔ)，或臨時(shí)存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)置的SD卡中，隨后一次性上傳保存。對(duì)數(shù)據(jù)的處理采用Martlab的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，并通過(guò)曲線或者圖形的方式顯示。除了顯示外，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的反饋應(yīng)用方式主要包括以txt文本、短信提示、E-mail等方式發(fā)送到用戶(hù)智能手機(jī)終端[3-5]。

系統(tǒng)

硬件電路

微控制器采用Feather 32u4

FONA開(kāi)發(fā)板（Adafruit Industries

公司，紐約，NY USA；https：//www.

adafruit.com），開(kāi)發(fā)板內(nèi)置一個(gè)8位的微控制芯片。內(nèi)部有一個(gè)28 kB 的臨時(shí)的存儲(chǔ)用來(lái)保存程序，另外有一個(gè)1 kB永久儲(chǔ)存用來(lái)保存數(shù)據(jù)；有一個(gè)22位的輸入/輸出（I/O）接口，另外有一個(gè)10位的模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)化器；有2個(gè)串口可用使用，一個(gè)能夠和計(jì)算機(jī)直接連接使用的專(zhuān)用USB接口，該接口主要用來(lái)進(jìn)行程序在線的仿真、下載和離線運(yùn)行，另外一個(gè)專(zhuān)用USB接口可以和外部的傳感器連接，采集外部傳感器的數(shù)據(jù)；還有一個(gè)內(nèi)部集成電路的專(zhuān)用端口（I2C）可供使用。圖1是基本的硬件需求。

軟件搭建

軟件的開(kāi)發(fā)采用開(kāi)源的

開(kāi)發(fā)環(huán)境（Arduino Integrated

Development Environment

（ IDE； https：//www.arduino.cc），環(huán)境采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)[2]。由于是開(kāi)源環(huán)境，有很多用戶(hù)已經(jīng)預(yù)先開(kāi)發(fā)了很多庫(kù)函數(shù)可供下載調(diào)用，因此通過(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境程序搜索并加載硬件的函數(shù)庫(kù)即可。目前，Arduino函數(shù)庫(kù)幾乎包括了所有可能的函數(shù)，例如時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、手機(jī)模塊等，這些函數(shù)都可以直接調(diào)用。對(duì)于不熟悉的用戶(hù)而言，這些函數(shù)使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序的編寫(xiě)工作變得非常簡(jiǎn)單和快捷。

云端網(wǎng)絡(luò)搭建

Thingspeak （https：//thingspeak.com）是非常適合建立溫室作物數(shù)據(jù)監(jiān)控的云端接口。搭建的軟件界面如圖2所示。軟件搭建中選取7個(gè)可變的參數(shù)作為采集對(duì)象分別為茄子株高、生長(zhǎng)天數(shù)、噴藥量、施肥量、灌水量、采收產(chǎn)量以及監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)。另外還有一個(gè)視頻通道可以直接顯示外部的監(jiān)控視頻。除此之外，帶有一個(gè)外部的網(wǎng)絡(luò)物理地址接口，可以鏈接外部的數(shù)據(jù)，例如中央氣象臺(tái)的氣象站數(shù)據(jù)，這樣很快建立起一個(gè)云端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，選用MATLAB的編程代碼（http：//www.mathworks.com）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析和結(jié)果顯示。每一個(gè)通道可以形成一個(gè)獨(dú)立完整的數(shù)據(jù)系統(tǒng)并通過(guò)曲線顯示，各個(gè)不同通道之間的數(shù)據(jù)可以交叉引用和多重分析。測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新，當(dāng)系統(tǒng)暫停工作后，軟件界面就沒(méi)有數(shù)據(jù)曲線（圖1）。軟件有設(shè)置的參數(shù)可以輸入手機(jī)號(hào)碼，系統(tǒng)停止工作或其他故障信號(hào)將會(huì)發(fā)送手機(jī)短信給指定手機(jī)。同時(shí)制定手機(jī)通過(guò)回復(fù)代碼字符可取消接收預(yù)警信息。

測(cè)量

茄子冠層的測(cè)量來(lái)自超聲傳

感器（HC-SR04，美國(guó)LowPower lab公司，www.lowpowerlab.com）

采集到的溫室茄子的高度通過(guò)三維的顯示（圖3），溫室中茄子受到溫度和通風(fēng)不均勻，以及土壤肥力差異的影響，茄子冠層長(zhǎng)勢(shì)非常不均勻。相比較而言，中間的茄子生長(zhǎng)的更高，經(jīng)過(guò)田間調(diào)查分析后，是因?yàn)闇厥抑虚g光線遮擋少，相比四周，光線照射更加的充分。

試驗(yàn)中茄子實(shí)時(shí)的高度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自是超聲波傳感器信號(hào)，傳感器掃描冠層的周期是1/10s，每秒的10組數(shù)據(jù)加權(quán)后得出平均值，有效的避免單株株高異常對(duì)結(jié)果的干擾。因此高頻的傳感器信號(hào)計(jì)算后的結(jié)果對(duì)于數(shù)據(jù)分析的精度而言，能夠代表和反應(yīng)茄子冠層整體生長(zhǎng)的高度變化趨勢(shì)。每行茄子的冠層長(zhǎng)勢(shì)數(shù)據(jù)按照行來(lái)顯示為三維圖，可以直觀得出各行茄子冠層的不同。但是這么做無(wú)法得出同一行的變化規(guī)律。把每一行的冠層數(shù)據(jù)單獨(dú)顯示為一條曲線，易于得出同一行各株茄子的差異。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后直接提取茄子最高生長(zhǎng)點(diǎn)的值，加權(quán)平均后得出其變化的曲線（圖4），可以得出和圖3一樣的結(jié)論。

小結(jié)

本研究目的是利用開(kāi)源技術(shù)，通過(guò)第三方具備數(shù)據(jù)超強(qiáng)分析能力的商業(yè)公司的云端存儲(chǔ)和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗的作物冠層監(jiān)測(cè)。搭建此類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速監(jiān)測(cè)技術(shù)難度不大，但本文這種技術(shù)思路是未來(lái)的必由之路。筆者最先的嘗試和應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)開(kāi)源云端監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)發(fā)揮作用意義很重大。

參考文獻(xiàn)

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項(xiàng)目支持：國(guó)家留學(xué)基金委項(xiàng)目，北京市農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和青年基金項(xiàng)目。

[引用信息]馬偉，Daniel K. Fisher，Efren Ford.溫室智能裝備系列之九十九新型開(kāi)源云端溫室茄子株高實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（34）：56-58.