智能果園系統設計

作者/張朝瑋，山東省煙臺第一中學

智能果園系統設計

作者/張朝瑋，山東省煙臺第一中學

隨著科技的發展，農業生產的自動化、現代化程度越來越高，越來越多的農業智能設備與系統被研發和使用，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。本系統針對上述問題進行了相應的研究和設計，如：反光膜自動鋪覆設備、智能澆灌設備、太陽能供電系統等，以最大程度便捷農民，提高生產效率。本設計意在研發一種可以在生產過程中對溫濕度、煙霧濃度、光照強度等環境因子進行監測，對地膜進行自動鋪覆，實現智能澆灌并以太陽能為主要能源的新型智能果園系統。該系統可以收集數據，并將數據通過網絡發送至管理者，管理者通過計算機或是手機客戶端對數據進行分析，如果發現某環節需要調節，可通過遠程控制進行調控。

智能農業；太陽能供電；智能澆灌；反光膜鋪覆

引言

隨著科技的發展，結合現代信息通信技術、自動化技術、計算機技術等現代技術的應用，現代設施農業正在向智能化發展。國外以荷蘭為代表的國家智能農業起步較早，現已形成比較完備的智能農業體系[1]。國內的智能農業在近幾年興起的物聯網的帶動下也有所發展，但是目前更多的智能設備與系統只是應用于大塊的平原田地或是糧食作物的種植與培育[2]。對山地農田以及經濟作物的研究較少，并且已有的設備的動力來源多偏向于人力，難以達到大規模使用以提高生產效率之目的。本文以蘋果種植為切入點，意在研發一種針對蘋果種植的智能果園系統，該系統可以實現反光膜自動鋪覆、智能澆灌等功能。通過對環境的監測實現對農業系統實時的監控和管理。

本系統利用無線傳感器節點作為本智能農業系統的基礎單元，組成無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)。以CC2530作為傳感器節點核心處理器以實現上述預期功能。本系統利用ZigBee技術為無線網絡標準，無線傳感器網絡具有低耗低、使用年限長等優點，太陽能供電的使用，在解決能源輸儲問題的同時也符合環保的要求。

圖1 智能果園總體架構圖

1.總體架構

智能果園系統由：環境監測子系統、智能澆灌子系統、反光膜鋪覆子系統、太陽能供電子系統、ZigBee通信子系統五部分組成。智能果園總體架構如圖1所示。

智能果園系統所實現的功能主要有：環境監測功能、反光膜自動鋪覆功能、自動澆灌功能。目前智能農業系統主要應用于蔬菜大棚等場地，就當前的技術能力和成本要求來說，由于受到沒有適當的范例可以借鑒、傳輸技術、能源來源、網絡平臺、家庭實際消費能力的限制，真正意義上的全智能果園系統暫時還無法成為現實。但是利用無線傳感器技術的強大自適應與自由擴展能力，只要在設計系統時預留一些相應的物理接口，當需要添加設備或是技術更新時，不需要對現有系統進行改造，只需通過服務器升級和傳感器節點的擴充即可實現升級[3]。

2.模塊設計

■2.1 終端系統設計

智能果園終端系統由環境監測子系統、智能澆灌子系統、反光膜鋪覆子系統、太陽能供電子系統、ZigBee通信子系統五個子系統組成。各個系統之間存在聯動的關系，實現動態的自動控制，如根據環境監測子系統產生的結果控制其它子系統的工作。系統在果園內可根據實際情況每隔5–10米鋪覆一個。

2.1.1 環境監測子系統設計

對于智能農業系統最重要的莫過于對環境的監測與相關數據的采集。本系統選用cc2530單片機作為網絡核心，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中的煙霧濃度、光照強度及土壤干濕度等數據進行采集。然后通過通信模塊將數據傳至服務器，同時推送至用戶處，使得用戶可以利用手機APP對環境的具體情況進行監測并作出適當調整，從而實現環境監測的功能。

2.1.2 智能澆灌子系統設計

由于多數果園位于離村莊較遠的山地，沒有電力供應所以無法采用電力水泵進行澆灌。一般的農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是為解決果園澆灌困難的現狀，利用太陽能發電輔以蓄電池蓄電，解決了能源供應問題，先根據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置抽水機。將抽水機的開關與單片機的引腳相連，將抽水機內部的電動機與太陽能供電子系統相連。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據，當土地干度達到閾值最小值時，系統會通過通訊系統發送推送至用戶處，用戶可以通過APP決定是否開啟設備進行自動澆灌。當通過傳感器測得的土壤干濕度達到閾值最大值時，系統會再次發送推送，提醒用戶關閉抽水機。

2.1.3 反光膜鋪覆子系統設計

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而采取的方法。傳統的做法是由人工鋪覆，反光膜一次性使用不重復利用，不僅浪費人力物力，更重要的是反光膜廢棄帶來大量污染。本系統的反光膜自動鋪覆功能就是針對傳統作業中的消耗大、不環保兩大缺點。首先將反光膜鋪覆在可調焦的軟板上，通過光傳感器對環境中的光照強度進行監測并實時反饋，當光照強度達到閾值之后會發送推送至用戶APP由用戶決定是否開啟設備。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脫落而導致土壤酸化降低果品品質，還可以重復利用和回收，更是起到了環保提質的作用。

2.1.4 太陽能供電子系統

如今太陽能發電技術已經基本成熟，各種太陽能發電的技術特點也十分突出，因此具體到具體應用需選擇符合實際的技術標準。本智能系統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，所以本系統的供電系統采用的是以自組太陽能軟板為基礎，輔以蓄電池儲電（以供夜間部分功能使用）的設計思路。

作為智能農業應用領域的供電技術，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點及智能澆灌子系統等子系統的耗電。

2.1.5 ZigBee通信子系統

ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線通信技術[4]。主要用于近距離無線連接，它有自己的協議標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。本系統選用以ZigBee為標準的無線傳感網絡主要是有以下理由：一是傳輸功率低，專門針對低數據量傳輸，二是低功耗工作模式，第三成本低。

無線傳感器網絡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成的無線網絡[5]。以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息并最終把這些信息發送給網絡的所有者。

■2.2 服務器設計

2.2.1 服務器功能

服務器主要有三大功能：數據存儲、報警、環境信息推送。數據存儲主要包括兩部分：用戶的基本信息以及從環境中采集的數據。服務器將傳感器采集的數據定時發送給用戶。當數據達到閾值（例如溫度≥50℃）時，會運行一個控制命令向用戶發送報警信息。

2.2.2 數據庫設計

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

■2.3 客戶端設計

用戶可通過APP的控制界面實現反光膜自動鋪覆、智能澆灌等功能，亦可以通過APP的數據查詢界面查詢當季內果園的溫度、濕度、煙霧濃度、光照強度等具體數據。另有實時檢測界面可以查看抽水機是否在工作、有無系統報警信息，從而實現農民足不出戶便可知果園情況的智能化。

3.總結與展望

本系統利用ZigBee技術為無線網絡標準，能夠實現反光膜自動鋪覆、智能澆灌、檢測環境煙霧濃度等功能，可以幫助農民在無需到達農田的情況下實時檢測果園狀況。且無線傳感器網絡具有能耗低、使用年限長等優點，加之本系統采用太陽能供電，在解決能源輸儲問題的同時也符合環保便捷的要求。智能果園系統擁有智能化、便捷化等突出優點，可以幫助果農在管理果園時更加方便快捷有效。但該系統也存在部分設計復雜、成本較高等不足之處。相信隨著智能農業的發展，本系統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.設施智能農業裝備發展現狀及特點[J].安徽農業科學,2014(16)：5334-5335

＊ [2]李將.智能化農業信息技術的初步探索[J].山東省農業管理干部學院學報，2012（3）：36-37

＊ [3]黃向驥. 基于CC2530的無線智能家居系統的設計[D]. 武漢理工大學， 2010：13-15

＊ [4]張彥芳、李舸. ZigBee技術及應用[J]. 中國科技博覽， 2013（38）：634-635

＊ [5]李裕舸. 基于ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[J]. 數字技術與應用，2014（12）：47-47