作者/張朝瑋，山東省煙臺第一中學(xué)

智能果園系統(tǒng)設(shè)計

作者/張朝瑋，山東省煙臺第一中學(xué)

隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化、現(xiàn)代化程度越來越高，越來越多的農(nóng)業(yè)智能設(shè)備與系統(tǒng)被研發(fā)和使用，但針對于蘋果種植中存在的問題卻鮮有人討論。在現(xiàn)實的蘋果種植過程中仍存在一些問題，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)針對上述問題進行了相應(yīng)的研究和設(shè)計，如：反光膜自動鋪覆設(shè)備、智能澆灌設(shè)備、太陽能供電系統(tǒng)等，以最大程度便捷農(nóng)民，提高生產(chǎn)效率。本設(shè)計意在研發(fā)一種可以在生產(chǎn)過程中對溫濕度、煙霧濃度、光照強度等環(huán)境因子進行監(jiān)測，對地膜進行自動鋪覆，實現(xiàn)智能澆灌并以太陽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)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至管理者，管理者通過計算機或是手機客戶端對數(shù)據(jù)進行分析，如果發(fā)現(xiàn)某環(huán)節(jié)需要調(diào)節(jié)，可通過遠程控制進行調(diào)控。

智能農(nóng)業(yè)；太陽能供電；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)、自動化技術(shù)、計算機技術(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。國外以荷蘭為代表的國家智能農(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]。國內(nèi)的智能農(nóng)業(yè)在近幾年興起的物聯(lián)網(wǎng)的帶動下也有所發(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]。對山地農(nóng)田以及經(jīng)濟作物的研究較少，并且已有的設(shè)備的動力來源多偏向于人力，難以達到大規(guī)模使用以提高生產(chǎn)效率之目的。本文以蘋果種植為切入點，意在研發(fā)一種針對蘋果種植的智能果園系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)反光膜自動鋪覆、智能澆灌等功能。通過對環(huán)境的監(jiān)測實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實時的監(jiān)控和管理。

本系統(tǒng)利用無線傳感器節(jié)點作為本智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)。以CC2530作為傳感器節(jié)點核心處理器以實現(xiàn)上述預(yù)期功能。本系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)為無線網(wǎng)絡(luò)標準，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低耗低、使用年限長等優(yōu)點，太陽能供電的使用，在解決能源輸儲問題的同時也符合環(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)測子系統(tǒng)、智能澆灌子系統(tǒng)、反光膜鋪覆子系統(tǒng)、太陽能供電子系統(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)所實現(xiàn)的功能主要有：環(huán)境監(jiān)測功能、反光膜自動鋪覆功能、自動澆灌功能。目前智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于蔬菜大棚等場地，就當前的技術(shù)能力和成本要求來說，由于受到?jīng)]有適當?shù)姆独梢越梃b、傳輸技術(shù)、能源來源、網(wǎng)絡(luò)平臺、家庭實際消費能力的限制，真正意義上的全智能果園系統(tǒng)暫時還無法成為現(xiàn)實。但是利用無線傳感器技術(shù)的強大自適應(yīng)與自由擴展能力，只要在設(shè)計系統(tǒng)時預(yù)留一些相應(yīng)的物理接口，當需要添加設(shè)備或是技術(shù)更新時，不需要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造，只需通過服務(wù)器升級和傳感器節(jié)點的擴充即可實現(xiàn)升級[3]。

2.模塊設(shè)計

■2.1 終端系統(tǒng)設(shè)計

智能果園終端系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、智能澆灌子系統(tǒng)、反光膜鋪覆子系統(tǒng)、太陽能供電子系統(tǒng)、ZigBee通信子系統(tǒng)五個子系統(tǒng)組成。各個系統(tǒng)之間存在聯(lián)動的關(guān)系，實現(xiàn)動態(tài)的自動控制，如根據(jù)環(huán)境監(jiān)測子系統(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)實際情況每隔5–10米鋪覆一個。

2.1.1 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計

對于智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)最重要的莫過于對環(huán)境的監(jiān)測與相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)選用cc2530單片機作為網(wǎng)絡(luò)核心，并利用煙霧傳感器、光照強度傳感器和土壤濕度傳感器對系統(tǒng)中的煙霧濃度、光照強度及土壤干濕度等數(shù)據(jù)進行采集。然后通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器，同時推送至用戶處，使得用戶可以利用手機APP對環(huán)境的具體情況進行監(jiān)測并作出適當調(diào)整，從而實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的功能。

2.1.2 智能澆灌子系統(tǒng)設(shè)計

由于多數(shù)果園位于離村莊較遠的山地，沒有電力供應(yīng)所以無法采用電力水泵進行澆灌。一般的農(nóng)民會選擇用柴油水泵抽水進行澆灌，但由于柴油水泵存在不方便、不環(huán)保、不安全等問題，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，利用太陽能發(fā)電輔以蓄電池蓄電，解決了能源供應(yīng)問題，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。將抽水機的開關(guān)與單片機的引腳相連，將抽水機內(nèi)部的電動機與太陽能供電子系統(tǒng)相連。通過安置在土地中的土壤干濕度傳感器實時采集土地干濕數(shù)據(jù)，當土地干度達到閾值最小值時，系統(tǒng)會通過通訊系統(tǒng)發(fā)送推送至用戶處，用戶可以通過APP決定是否開啟設(shè)備進行自動澆灌。當通過傳感器測得的土壤干濕度達到閾值最大值時，系統(tǒng)會再次發(fā)送推送，提醒用戶關(guān)閉抽水機。

2.1.3 反光膜鋪覆子系統(tǒng)設(shè)計

反光膜鋪覆是在蘋果采摘期前一個月，為了增強光照強度進而為蘋果著色提質(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，不僅浪費人力物力，更重要的是反光膜廢棄帶來大量污染。本系統(tǒng)的反光膜自動鋪覆功能就是針對傳統(tǒng)作業(yè)中的消耗大、不環(huán)保兩大缺點。首先將反光膜鋪覆在可調(diào)焦的軟板上，通過光傳感器對環(huán)境中的光照強度進行監(jiān)測并實時反饋，當光照強度達到閾值之后會發(fā)送推送至用戶APP由用戶決定是否開啟設(shè)備。在采摘蘋果的時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 太陽能供電子系統(tǒng)

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

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題，針對果園地形多變布線不方便的問題，太陽能供電無疑是較好的解決方式。雖然其電功率較低但是足以滿足傳感器節(jié)點及智能澆灌子系統(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、低速率的無線通信技術(shù)[4]。主要用于近距離無線連接，它有自己的協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。本系統(tǒng)選用以ZigBee為標準的無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要是有以下理由：一是傳輸功率低，專門針對低數(shù)據(jù)量傳輸，二是低功耗工作模式，第三成本低。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(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

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、報警、環(huán)境信息推送。數(shù)據(jù)存儲主要包括兩部分：用戶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)定時發(fā)送給用戶。當數(shù)據(jù)達到閾值（例如溫度≥50℃）時，會運行一個控制命令向用戶發(fā)送報警信息。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要有兩個表：用戶基本信息表與環(huán)境信息表。用戶基本信息表中字段主要有：用戶id、用戶名、用戶身份、聯(lián)系方式、家庭住址、園地面積。其中Id為主鍵，唯一標識用戶。環(huán)境信息表主要有：溫度、濕度、光照強度等，并有主鍵id和外鍵用戶id。本智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并采用sql語句實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的插入、查詢、添加（更新）、刪除。

■2.3 客戶端設(shè)計

用戶可通過APP的控制界面實現(xiàn)反光膜自動鋪覆、智能澆灌等功能，亦可以通過APP的數(shù)據(jù)查詢界面查詢當季內(nèi)果園的溫度、濕度、煙霧濃度、光照強度等具體數(shù)據(jù)。另有實時檢測界面可以查看抽水機是否在工作、有無系統(tǒng)報警信息，從而實現(xiàn)農(nóng)民足不出戶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)為無線網(wǎng)絡(luò)標準，能夠?qū)崿F(xiàn)反光膜自動鋪覆、智能澆灌、檢測環(huán)境煙霧濃度等功能，可以幫助農(nóng)民在無需到達農(nóng)田的情況下實時檢測果園狀況。且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有能耗低、使用年限長等優(yōu)點，加之本系統(tǒng)采用太陽能供電，在解決能源輸儲問題的同時也符合環(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，可以幫助果農(nóng)在管理果園時更加方便快捷有效。但該系統(tǒng)也存在部分設(shè)計復(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)可以在實際運用中日趨完善，達到越來越好的效果。

＊ [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[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，2012（3）：36-37

＊ [3]黃向驥. 基于CC2530的無線智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[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]. 中國科技博覽， 2013（38）：634-635

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