基于物聯網中小型葉菜采收新模式

吳 偉，貢 亮，方 銳，林晨暉，邵悅辰，沈曉曄

(上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240)

0 引 言

隨著自動化技術和信息技術的發展，傳統農業正在加速向農業裝備自動化和農業信息數字化方向轉變[1]。其中，設施農業作為一種可控、高效、優質的農業生產方式，已經慢慢成為現代農業的重要組成部分[2-3]。而在設施農業中，植物工廠的技術水平最能體現現代農業的發展層次。

目前植物工廠在蔬菜種植和培養方面的研究已經日趨完善，但采收方面的研究卻并不多。已有的采收相關研究，如日本應用于植物工廠番茄和草莓的機器人采收技術[4]，我國一些學者研究、設計的溫室霧培蔬菜的收獲機構[5]等，都解決了部分具體問題，植物工廠采收領域依然存在許多亟待解決的問題，如葉菜采收領域機械自動化仍達不到生產應用的水平，信息化程度不夠高，植物種植、培養、采收等過程產生的大量數據無法有效存儲和利用。另外，“互聯網+”等概念刺激著農業信息化技術的發展[6]，物聯網技術越來越多的應用于植物工廠的研究，如植物工廠的監控系統[7-8]、現代農業智能物流系統的搭建[9]等。本文則主要針對目前國內外在中小型葉菜采收方面自動化程度不高、信息化水平落后等問題[10]，設計并實現了采收效率較高的自動化機電平臺，以及穩定可靠、低耦合易擴展的遠程信息服務系統，最終形成了一種中小型葉菜采收的新模式。

1 采收新模式整體設計

如圖1所示，該采收新模式主要由快速采收平臺、信息服務系統兩部分組成，兩者通過調度中心進行連接和信息交互。

采收平臺主要對從培養中心運送過來的葉菜采摘和切根，然后送往包裝運輸工序，需要解決采摘過程中的損傷、效率問題以及切根的速度、整潔問題。相關的工位信息以及攝像頭產生的監控視頻、圖片則通過調度中心，統一傳輸到信息中心進行存儲并提供相應的訪問服務。信息服務系統采取“微服務”的形式，即工位信息服務和視頻圖像信息服務為完全不相關的服務，擁有獨立的數據庫存儲和進程，起到降耦和分布式的作用，提高通信系統的穩定性和擴展性。

圖1 采收新模式整體結構

2 快速采收平臺

2.1 整體框架設計

如圖2所示，整體采用“龍門架”的形式，主要由4040和4080的鋁型材搭建而成。培養穴盤直接平放在支撐架上，可使用自動導引運輸車(Automated Guided Vehicle, AGV)進行運輸；采摘裝置在橫梁上可進行x、y、z3個方向的平動；切根裝置在培養穴盤的旁邊，保證采摘后能夠迅速進行切根，同時又不會把根部留在穴盤中。

圖2 采收平臺整體框架設計圖

如圖3所示，整個采摘切根的流程可概括為：通過運輸裝置將培養穴盤放在采收平臺的支撐架上，采摘裝置復位，通過往返采摘、切根、送往傳輸裝置，直至穴盤內所有葉菜采摘切根完畢，換至下一只培養穴盤，重復以上步驟。

圖3 采收平臺工作流程

2.2 采摘及切根設計

如圖4所示，葉菜類蔬菜通常是指以葉片和葉柄為食用部分的蔬菜，如小白菜等。這類蔬菜一般具有葉片蓬松，根部相對較小的特點。而植物工廠中對植物進行機械操作，傳統方案是機械手單株操作[11]。若采取單株采收的模式，將會出現采收效率低下、菜葉易損傷、成本較高等問題。圖5、6分別為該采收系統中的采摘結構和切根結構。

圖4 小白菜實物圖

1. 4040主軸； 2. 右擋板； 3. 直線滑軌； 4. 左擋板；5. 直線滑塊； 6. 鈑金a； 7. 鈑金b； 8. 鈑金c； 9.硅膠

圖5 采摘裝置設計圖

1. 4080鋁型材； 2. 8080角件； 3. 鋁板； 4. 刀墊； 5. 切刀滑塊； 6. 減速電動機； 7. 凸輪； 8. 4080鋁型材； 9. 鋼板上； 10. 鋼板下； 11. 4040鋁型材； 12. 切刀滑軌； 13. 滑塊； 14. 拉簧； 15. 電動機固定裝置

圖6 切根裝置設計圖

針對水培的中小型葉菜特點，設計了一種夾板式的采摘方案。夾板采用鏤空設計，保證夾緊部分集中在根部，而不是葉部；夾板表面貼有硅膠層，減小夾緊時對葉片造成的機械損傷；動力方式為步進電動機帶動絲杠運動，從而把轉動轉化為夾緊和松開的平動，考慮到水培方式，夾緊力不需要特別大，本文選取的是1.5 N·m步進電動機；夾板的行程為10 cm，基本滿足中小型葉菜的夾取要求。這種結構一次可以采摘一整排葉菜，效率較高，硅膠以及鏤空設計減少了葉片損傷。

切根部分則是采取“一刀切”的方案，刀片選取類似于切紙機的不銹鋼刀片，經實際測試，韌性和鋒利程度均易滿足要求。考慮到剪切時需要的力較大，選取的是40 N·m的減速電動機。切根時，減速電動機帶動凸輪轉動，凸輪帶動不銹鋼刀片進行平動，完成切根動作，在拉簧的作用下，刀片配合凸輪回復至原始狀態。

3 信息服務系統

3.1 數據庫設計

信息服務系統中，主要信息可以分為工位信息和視頻監控兩類。其中工位信息包含了采摘夾板的位置信息、工作狀態信息以及用戶的運動控制指令等；視頻監控則包括歷史圖像和實時圖像兩類。為了對數據進行集中控制以及更加方便的操作，如表1所示，將以上信息數據整合成了數據庫中對應的表的形式，進行數據的存儲和增刪改查。

表1 采收信息系統中所有信息匯總

3.2 信息服務系統架構設計

由于嵌入式系統在物聯網系統中應用廣泛[12]，如樹莓派已經有應用于網關[13]、安防[14]、監控[15]等系統的案例，所以信息系統與采收平臺以樹莓派作為調度中心進行信息交互，即視頻圖像、工位信息和控制信號的上傳下達。

另外，隨著大數據和云技術[16]的快速發展，互聯網技術已經從早先的一站式服務架構發展到如今的分布式架構[17]以及進一步延伸出來的面向服務的架構[18]。物聯網系統將同樣面對大數據、信息技術的革新[19-22]，而現在大多物聯網系統卻仍停留在一站式服務的階段[23]。本文采取面向服務的架構，將信息服務拆分為工位服務和視頻服務，并部署在不同的服務器上。

基于前面兩點，最終信息服務系統的架構如圖7所示。

圖7 信息服務系統的架構

樹莓派作為調度中心，只負責信息的上傳下達，而不負責存儲或者提供服務。信息服務被拆分為相互獨立的工位服務和視頻服務，各自擁有MySQL數據庫存儲、進程服務等。這樣做的好處有以下幾點:

(1) 樹莓派的存儲壓力和帶寬壓力大大減小。

(2) 工位服務和視頻服務相互獨立，耦合度低，故障互不影響且容易維護。

(3) 可以通過對服務進行水平擴展解決多終端帶來的高并發問題。

(4) 服務進行集群化更容易，單一服務的集群化只需要考慮該服務所需要的計算機資源，以更低的成本解決單點故障問題(若提供服務的機器只有一臺，則該機器故障后，整個系統無法正常運行)。

樹莓派基于TCP/IP協議進行信息傳輸，通過較為底層的socket實現，信息傳輸效率高。工位服務器和視頻服務器均基于http協議提供服務，其優點在于java、python、C/C++、C#等常見的客戶端(如Android客戶端[24-25])編程語言均提供了支持良好的http協議開發庫，便于快速開發應用。

4 系統實現及分析

該采收系統的硬件部分的實現效果如圖8所示。實驗中選擇了小白菜、小蔥兩種形態不同的中小型葉菜類蔬菜進行測試。成功率定義為單排成功采收的株數與單排總株數的比值，采摘與切根獨立計算。

圖8 采收平臺實物圖

經過測試，該裝置的采收(包括采摘和切根)周期為2min/排，對每種類別的中小型葉菜，采摘成功率均在85%以上，切根成功率均在90%以上。

軟件方面服務采取分布式部署的方式，實現了如圖9所示的實時監控與如圖10所示的數字孿生(真實機械運動與計算機模擬機械運動實時同步)。Android客戶端可以實時監測當前的工作狀態，通過桌面客戶端的拖拽動作可以讓采收裝置同步運動。信息流的傳輸與獲取比較穩定，且單臺服務器故障后，系統仍然正常運行。如視頻服務器宕機后，Android客戶端監控畫面則不再更新，但狀態信息可以依然不斷更新，桌面客戶端的數字孿生功能也不會受其影響。

圖9 實時視頻及工作狀態監控

圖10 數字孿生應用

5 結 語

本文設計并實現的中小型葉菜采收新模式，倡導高效、低損傷的自動化生產和面向服務、低耦合易擴展的遠程信息服務系統，順應了現代農業中自動化和信息化的要求，并適應了大數據環境下，預防單點故障，應對高并發等潛在要求。未來這種模式將會以更多衍生品的形式，出現在現代農業的生產方式中。