低成本草莓精品化生產監測系統研究

摘" 要：針對目前高品質水果消費需求量逐年增加，水果精品化生產成本較高，小農戶經營主體難以參與，提出一種基于信息化技術、數字化技術與成熟工業硬件相結合的低成本草莓精品化生產監測系統。構建監測系統的總體架構，提出系統的組成模塊，并介紹給出數據采集系統和軟件系統方案，完成一種低成本草莓精品化生產監測系統的設計。系統通過動態監測草莓的生長環境，將環境信息的量化分析結果作為專家決策的主要依據，從而提供解決方案提升草莓品質，實現草莓精品化生產的目標。

關鍵詞：低成本；精品化生產；動態監測；STM32；量化分析

中圖分類號：S668.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）07-0001-03

Abstract： At present， the consumption demand of high-quality fruit is increasing year by year， and the cost of high-quality fruit production is high， so it is difficult for small farmers to participate. A low-cost strawberry production monitoring system based on information technology， digital technology and mature industrial hardware is proposed. The overall architecture of the monitoring system is introduced， and the overall architecture diagram of the system is given. The composition module of the system is put forward， and the scheme of data acquisition system and software system is given. The design of a low-cost strawberry production monitoring system is completed. By dynamically monitoring the growing environment of strawberries， the system takes the quantitative analysis results of environmental information as the main basis for expert decision-making， so as to provide solutions to improve the quality of strawberries and achieve the goal of fine production of strawberries.

Keywords： low cost; quality production; dynamic monitoring; STM32; quantitative analysis

隨著經濟發展水平的不斷提高，高品質水果的消費需求量也逐年增加。草莓素有“水果皇后”的美譽，我國草莓的年生產量和栽培面積均超過了世界總量的1/3，穩居世界第一，但草莓品質、單產卻遠遠低于西方發達國家[1]。近年來數字化技術不斷發展并應用于農業生產，可以實現對農作物生長環境的動態監測，為草莓精品化生產提供了新的途徑[2]。但是，目前的草莓生產監測系統為實現動態監測、網絡通信、專家系統和多媒體交互等多個功能導致制作成本高昂，系統復雜，因此對于小農戶經營主體的草莓園并不適用。

草莓生產監測系統需要監測種植設施內的土壤成分、空氣溫濕度和二氧化碳含量等環境因子[3]，結合西安地區洞式中小拱棚栽培草莓的種植現狀，本文基于信息化技術、數字化技術與成熟工業硬件相結合的方案，設計了一種低成本草莓精品化生產監測系統。

1" 監測系統總體方案設計

1.1" 系統的需求分析

草莓為非呼吸躍變型果實，基因型和生長環境決定了草莓的品質[4]。基于此項理論，監測系統的主要目標是精準實時地監測土壤狀況[5]、空氣溫濕度、二氧化碳含量和光照強度。同時，將上述環境因子參數傳輸到平臺，生成量化分析結果，由專家進行分析評估，從而給出合理的施肥、灌溉等方案并反饋給小農戶經營主體。

1.2" 系統的總體架構

監測系統主要由數據采集系統和軟件系統組成。低成本草莓精品化生產監測系統架構如圖1所示。

本系統將大棚內的環境信息作為主要監測數據，通過傳感器組采集、記錄環境信息。同時，通過多通道實時傳遞環境信息。數據采集板卡將分析、處理多通道中的原始環境信息，并將數據上傳至軟件系統。軟件系統根據實時數據進行動態顯示和量化分析，一方面將動態數據展示給用戶，另一方面將生成的量化分析結果保存到本地。

2" 數據采集系統設計

數據采集系統的主要功能是采集和記錄草莓實際生長環境的信息和輸出數據。其原理框圖如圖2所示。

2.1" 數據采集板卡模塊

數據采集板卡模塊的核心部件為主控制器和從控制器。主控制器采用STM32F429IGT6芯片，它是基于ARM Cortex-M4內核的CPU，含有豐富的接口和外設，除了基本的電源、時鐘之外還有通用和復用功能I/O口、SPI總線和USB總線等。從控制器采用STM32F103JET6芯片，它通過SPI總線和主控制器建立通信。采用這種多核異構的設計方式，可以預留足夠多的通信接口，增加數據采集板卡模塊與傳感器的兼容性，方便后期接入新型傳感器，擴展系統功能。

2.2" 傳感器組模塊

傳感器組模塊主要分為2大部分，分別為監測土壤狀況傳感器組和其他類型傳感器組。監測土壤狀況傳感器組通過RS485與主控制器建立通信，其他類型傳感器組通過RS485與從控制器建立通信。

監測土壤狀況傳感器組包括pH傳感器、氮磷鉀傳感器、電導率傳感器和土壤溫濕度傳感器。pH傳感器采用的是 JXBS-3001-TR，氮磷鉀傳感器采用的是PR-3000-TR-NPK-N01，電導率傳感器采用的是JXCTIOT，土壤溫濕度傳感器采用的是JTWS-AC_SY。

其他類型傳感器組包括光照強度傳感器、空氣溫濕度傳感器和二氧化碳含量傳感器。光照強度傳感器采用ESM-L型，空氣溫濕度傳感器采用DHT11數字模塊，二氧化碳含量傳感器采用RS-CO2-N01。

3" 軟件系統設計

3.1" 數據動態顯示

草莓精品化生產監測軟件采用微軟公司VisualStudio開發平臺的WinForm開發工具，基于控件的開發模式簡便快捷，也利于未來軟件系統的升級改造。軟件系統與數據采集板卡模塊之間通過USB轉串口通信，軟件系統采用SerialPort控件實現串口通信功能。

草莓精品化生產監測軟件將接收的原始環境信息存儲在緩沖區，通過數據處理函數進行處理。數據處理的結果作為多種可視化控件的數據源，實時顯示在生長環境指標界面。生長環境指標界面如圖3所示。

3.2" 數據量化分析與存儲

量化分析采用參照系法和趨勢分析法相結合的方式。參照系的依據為專家經驗值，經歷2～3年周期后可以根據氣候變化、土壤肥力等指標調整參照系。趨勢分析是將多種環境信息的監測數據進行分類，按照折線圖、餅圖等方式進行數據記錄。以空氣溫度數據為例，歷史數據、實時數據和預測數據三者結合生成最小值、最大值和平均值溫度折線圖，然后與空氣溫度參照系進行數據擬合得到量化分析結果。

本系統未采用成本較高的云服務器、數據庫，而是選用生成本地文檔的方式儲存輕量化的量化分析數據。西安的小農戶經營主體可以借助“一團兩隊”送技術到田間地頭服務機制，將草莓種植的歷史數據和量化分析結果提供給專家服務隊。專家服務隊結合大棚草莓種植的實際情況進行分析評估，從而提供合理的施肥、灌溉等提升草莓品質的方案。

參考文獻：

[1] 吳曉云，高照全，李志強，等．國內外草莓生產現狀與發展趨勢[J]．北京農業職業學院學報，2016，30（2）：21-26．

[2] TZOUNIS A， KATSOULAS N， BARTZANAS T， et a1. Internet of Things in agriculture，recent advances and future challenges[J]．Biosystems Engineering，2017（164）：31-48．

[3] SRBINOVSKA M，GAVROVSKI C，DIMCEV V，et a1.Environmental parameters monitoring in precision agriculture using wireless sensor networks[J]．Journal of Cleaner Production，2015（88）：297-307．

[4] MEZZETTI B.Integrating breeding and biotech for improving strawberry nutritional quality [C] // Proceeding of VII international strawberry symposium，2014：89．

[5] 王國杰，趙繼春，王敏，等.基于NB-IoT技術的土壤墑情遠程智能監測系統設計[J].中國農機化學報，2021，42（5）：7-9.