溫室智能裝備系列之九十九新型開源云端溫室茄子株高實時測量系統的開發

馬偉，Daniel K. Fisher2，Efren Ford

【摘要】溫室反季節果菜栽培有很好的經濟效益，茄子是重要的果菜品種。茄子的株高能反映茄子的產量和長勢，監測株高可以獲得第一手的茄子生長數據。數據在云端共享能提升數據的應用質量，基于開源的平臺讓更多的用戶共同完成茄子的生長監控，對于規模化生產有很大的幫助。文章提出了一種開源云端溫室茄子株高實時測量系統，對搭建完的系統進行初步測試，結果顯示該系統能準確監測溫室茄子冠層株高。

反季節蔬菜已成為城市蔬菜循環供應的重要來源。其中果菜更是占據重要地位，是農民增收的重要栽培種類，茄子是溫室普遍種植的果菜，對茄子生長信息的監測有很多指標，株高是其中應用普遍的一個指標。

開源技術是當今國際上主流的信息技術，云端存儲是開源技術在線采集數據再利用的一個重要方法，歐美等國家的開源云端技術取得了很快的普及和發展[1]。開源的硬件平臺同與之匹配的軟件系統能很好兼容，快捷地實現數據在云端的存儲、處理和應用[2]。數據的存儲用可借助GSM、LTE網絡上傳云端存儲，或臨時存儲在系統內置的SD卡中，隨后一次性上傳保存。對數據的處理采用Martlab的網絡驅動函數，并通過曲線或者圖形的方式顯示。除了顯示外，對數據結果的反饋應用方式主要包括以txt文本、短信提示、E-mail等方式發送到用戶智能手機終端[3-5]。

系統

硬件電路

微控制器采用Feather 32u4

FONA開發板（Adafruit Industries

公司，紐約，NY USA；https：//www.

adafruit.com），開發板內置一個8位的微控制芯片。內部有一個28 kB 的臨時的存儲用來保存程序，另外有一個1 kB永久儲存用來保存數據；有一個22位的輸入/輸出（I/O）接口，另外有一個10位的模擬/數字（A/D）轉化器；有2個串口可用使用，一個能夠和計算機直接連接使用的專用USB接口，該接口主要用來進行程序在線的仿真、下載和離線運行，另外一個專用USB接口可以和外部的傳感器連接，采集外部傳感器的數據；還有一個內部集成電路的專用端口（I2C）可供使用。圖1是基本的硬件需求。

軟件搭建

軟件的開發采用開源的

開發環境（Arduino Integrated

Development Environment

（ IDE； https：//www.arduino.cc），環境采用C++語言編寫[2]。由于是開源環境，有很多用戶已經預先開發了很多庫函數可供下載調用，因此通過開發環境程序搜索并加載硬件的函數庫即可。目前，Arduino函數庫幾乎包括了所有可能的函數，例如時鐘、數據存儲、手機模塊等，這些函數都可以直接調用。對于不熟悉的用戶而言，這些函數使得監測系統程序的編寫工作變得非常簡單和快捷。

云端網絡搭建

Thingspeak （https：//thingspeak.com）是非常適合建立溫室作物數據監控的云端接口。搭建的軟件界面如圖2所示。軟件搭建中選取7個可變的參數作為采集對象分別為茄子株高、生長天數、噴藥量、施肥量、灌水量、采收產量以及監測工作狀態。另外還有一個視頻通道可以直接顯示外部的監控視頻。除此之外，帶有一個外部的網絡物理地址接口，可以鏈接外部的數據，例如中央氣象臺的氣象站數據，這樣很快建立起一個云端網絡數據庫，選用MATLAB的編程代碼（http：//www.mathworks.com）對數據進行在線分析和結果顯示。每一個通道可以形成一個獨立完整的數據系統并通過曲線顯示，各個不同通道之間的數據可以交叉引用和多重分析。測量系統數據實時刷新，當系統暫停工作后，軟件界面就沒有數據曲線（圖1）。軟件有設置的參數可以輸入手機號碼，系統停止工作或其他故障信號將會發送手機短信給指定手機。同時制定手機通過回復代碼字符可取消接收預警信息。

測量

茄子冠層的測量來自超聲傳

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

采集到的溫室茄子的高度通過三維的顯示（圖3），溫室中茄子受到溫度和通風不均勻，以及土壤肥力差異的影響，茄子冠層長勢非常不均勻。相比較而言，中間的茄子生長的更高，經過田間調查分析后，是因為溫室中間光線遮擋少，相比四周，光線照射更加的充分。

試驗中茄子實時的高度監測數據來自是超聲波傳感器信號，傳感器掃描冠層的周期是1/10s，每秒的10組數據加權后得出平均值，有效的避免單株株高異常對結果的干擾。因此高頻的傳感器信號計算后的結果對于數據分析的精度而言，能夠代表和反應茄子冠層整體生長的高度變化趨勢。每行茄子的冠層長勢數據按照行來顯示為三維圖，可以直觀得出各行茄子冠層的不同。但是這么做無法得出同一行的變化規律。把每一行的冠層數據單獨顯示為一條曲線，易于得出同一行各株茄子的差異。對數據進行平均后直接提取茄子最高生長點的值，加權平均后得出其變化的曲線（圖4），可以得出和圖3一樣的結論。

小結

本研究目的是利用開源技術，通過第三方具備數據超強分析能力的商業公司的云端存儲和計算，實現低成本、低功耗的作物冠層監測。搭建此類測量系統實現快速監測技術難度不大，但本文這種技術思路是未來的必由之路。筆者最先的嘗試和應用對于推動開源云端監測技術在我國發揮作用意義很重大。

參考文獻

[1] Pearce JM.The Case for Open Source Appropriate Technology[J].Environment， Development and Sustainability，2012，14（3）：425-431.

[2] Fisher DK，Gould PJ. Open-Source Hardware is a Low-Cost Alternative for Scientific Instrumentation and Research[J]. Modern Instrumentation，2012，1（2）：8-20.

[3] Lozoya C， Aguilar A Mendoza， C. Service Oriented Design Approach for a Precision Agriculture Datalogger[J]. IEEE Latin America Transactions， 2016，14（4）：1683-1688.

[4] Masseroni D， Facchi A， Vannutelli dePoli E， etal.Irrig‐OH： An Open‐Hardware Device for Soil Water Potential Monitoring and Irrigation Management[J]. Irrigation and Drainage，2016（5）：750-761.

[5] Payero JO， Mirzakhani-Nafchi A， Khalilian A，etal.R.Development of a Low-Cost Internet-of-Things （IoT） System for Monitoring Soil Water Potential Using Watermark 200SS Sensors[J]. Advances in Internet of Things，2017（7）：71-86.

項目支持：國家留學基金委項目，北京市農林科學院創新團隊和青年基金項目。

[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源云端溫室茄子株高實時測量系統的開發[J].農業工程技術，2017，37（34）：56-58.