智能果园系统设计

作者/张朝玮，山东省烟台第一中学

智能果园系统设计

作者/张朝玮，山东省烟台第一中学

随着科技的发展，农业生产的自动化、现代化程度越来越高，越来越多的农业智能设备与系统被研发和使用，但针对于苹果种植中存在的问题却鲜有人讨论。在现实的苹果种植过程中仍存在一些问题，如反光膜铺覆不便、能源传输不便、山地种植浇灌困难等。本系统针对上述问题进行了相应的研究和设计，如：反光膜自动铺覆设备、智能浇灌设备、太阳能供电系统等，以最大程度便捷农民，提高生产效率。本设计意在研发一种可以在生产过程中对温湿度、烟雾浓度、光照强度等环境因子进行监测，对地膜进行自动铺覆，实现智能浇灌并以太阳能为主要能源的新型智能果园系统。该系统可以收集数据，并将数据通过网络发送至管理者，管理者通过计算机或是手机客户端对数据进行分析，如果发现某环节需要调节，可通过远程控制进行调控。

智能农业；太阳能供电；智能浇灌；反光膜铺覆

引言

随着科技的发展，结合现代信息通信技术、自动化技术、计算机技术等现代技术的应用，现代设施农业正在向智能化发展。国外以荷兰为代表的国家智能农业起步较早，现已形成比较完备的智能农业体系[1]。国内的智能农业在近几年兴起的物联网的带动下也有所发展，但是目前更多的智能设备与系统只是应用于大块的平原田地或是粮食作物的种植与培育[2]。对山地农田以及经济作物的研究较少，并且已有的设备的动力来源多偏向于人力，难以达到大规模使用以提高生产效率之目的。本文以苹果种植为切入点，意在研发一种针对苹果种植的智能果园系统，该系统可以实现反光膜自动铺覆、智能浇灌等功能。通过对环境的监测实现对农业系统实时的监控和管理。

本系统利用无线传感器节点作为本智能农业系统的基础单元，组成无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)。以CC2530作为传感器节点核心处理器以实现上述预期功能。本系统利用ZigBee技术为无线网络标准，无线传感器网络具有低耗低、使用年限长等优点，太阳能供电的使用，在解决能源输储问题的同时也符合环保的要求。

图1 智能果园总体架构图

1.总体架构

智能果园系统由：环境监测子系统、智能浇灌子系统、反光膜铺覆子系统、太阳能供电子系统、ZigBee通信子系统五部分组成。智能果园总体架构如图1所示。

智能果园系统所实现的功能主要有：环境监测功能、反光膜自动铺覆功能、自动浇灌功能。目前智能农业系统主要应用于蔬菜大棚等场地，就当前的技术能力和成本要求来说，由于受到没有适当的范例可以借鉴、传输技术、能源来源、网络平台、家庭实际消费能力的限制，真正意义上的全智能果园系统暂时还无法成为现实。但是利用无线传感器技术的强大自适应与自由扩展能力，只要在设计系统时预留一些相应的物理接口，当需要添加设备或是技术更新时，不需要对现有系统进行改造，只需通过服务器升级和传感器节点的扩充即可实现升级[3]。

2.模块设计

■2.1 终端系统设计

智能果园终端系统由环境监测子系统、智能浇灌子系统、反光膜铺覆子系统、太阳能供电子系统、ZigBee通信子系统五个子系统组成。各个系统之间存在联动的关系，实现动态的自动控制，如根据环境监测子系统产生的结果控制其它子系统的工作。系统在果园内可根据实际情况每隔5–10米铺覆一个。

2.1.1 环境监测子系统设计

对于智能农业系统最重要的莫过于对环境的监测与相关数据的采集。本系统选用cc2530单片机作为网络核心，并利用烟雾传感器、光照强度传感器和土壤湿度传感器对系统中的烟雾浓度、光照强度及土壤干湿度等数据进行采集。然后通过通信模块将数据传至服务器，同时推送至用户处，使得用户可以利用手机APP对环境的具体情况进行监测并作出适当调整，从而实现环境监测的功能。

2.1.2 智能浇灌子系统设计

由于多数果园位于离村庄较远的山地，没有电力供应所以无法采用电力水泵进行浇灌。一般的农民会选择用柴油水泵抽水进行浇灌，但由于柴油水泵存在不方便、不环保、不安全等问题，所以这并不是理想的浇灌模式。果园智能浇灌子系统是为解决果园浇灌困难的现状，利用太阳能发电辅以蓄电池蓄电，解决了能源供应问题，先根据果园中水源的分布状况在果园中布好抽水所用的管道并在水源附近设置抽水机。将抽水机的开关与单片机的引脚相连，将抽水机内部的电动机与太阳能供电子系统相连。通过安置在土地中的土壤干湿度传感器实时采集土地干湿数据，当土地干度达到阈值最小值时，系统会通过通讯系统发送推送至用户处，用户可以通过APP决定是否开启设备进行自动浇灌。当通过传感器测得的土壤干湿度达到阈值最大值时，系统会再次发送推送，提醒用户关闭抽水机。

2.1.3 反光膜铺覆子系统设计

反光膜铺覆是在苹果采摘期前一个月，为了增强光照强度进而为苹果着色提质而采取的方法。传统的做法是由人工铺覆，反光膜一次性使用不重复利用，不仅浪费人力物力，更重要的是反光膜废弃带来大量污染。本系统的反光膜自动铺覆功能就是针对传统作业中的消耗大、不环保两大缺点。首先将反光膜铺覆在可调焦的软板上，通过光传感器对环境中的光照强度进行监测并实时反馈，当光照强度达到阈值之后会发送推送至用户APP由用户决定是否开启设备。在采摘苹果的时候可以还将软板拆下以免其妨碍采摘。由于该反光膜铺覆在软板上，所以不会因表面反光物质脱落而导致土壤酸化降低果品品质，还可以重复利用和回收，更是起到了环保提质的作用。

2.1.4 太阳能供电子系统

如今太阳能发电技术已经基本成熟，各种太阳能发电的技术特点也十分突出，因此具体到具体应用需选择符合实际的技术标准。本智能系统所用的太阳能是一种利用单块太阳能板组建而成的太阳能软板。由于一般的太阳能电板没有储电功能，所以本系统的供电系统采用的是以自组太阳能软板为基础，辅以蓄电池储电（以供夜间部分功能使用）的设计思路。

作为智能农业应用领域的供电技术，首要考虑因素就是可行性的问题，针对果园地形多变布线不方便的问题，太阳能供电无疑是较好的解决方式。虽然其电功率较低但是足以满足传感器节点及智能浇灌子系统等子系统的耗电。

2.1.5 ZigBee通信子系统

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线通信技术[4]。主要用于近距离无线连接，它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。本系统选用以ZigBee为标准的无线传感网络主要是有以下理由：一是传输功率低，专门针对低数据量传输，二是低功耗工作模式，第三成本低。

无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络[5]。以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息并最终把这些信息发送给网络的所有者。

■2.2 服务器设计

2.2.1 服务器功能

服务器主要有三大功能：数据存储、报警、环境信息推送。数据存储主要包括两部分：用户的基本信息以及从环境中采集的数据。服务器将传感器采集的数据定时发送给用户。当数据达到阈值（例如温度≥50℃）时，会运行一个控制命令向用户发送报警信息。

2.2.2 数据库设计

本系统数据库主要有两个表：用户基本信息表与环境信息表。用户基本信息表中字段主要有：用户id、用户名、用户身份、联系方式、家庭住址、园地面积。其中Id为主键，唯一标识用户。环境信息表主要有：温度、湿度、光照强度等，并有主键id和外键用户id。本智能系统的数据库采用MySQL数据库管理系统，并采用sql语句实现对数据库中数据的插入、查询、添加（更新）、删除。

■2.3 客户端设计

用户可通过APP的控制界面实现反光膜自动铺覆、智能浇灌等功能，亦可以通过APP的数据查询界面查询当季内果园的温度、湿度、烟雾浓度、光照强度等具体数据。另有实时检测界面可以查看抽水机是否在工作、有无系统报警信息，从而实现农民足不出户便可知果园情况的智能化。

3.总结与展望

本系统利用ZigBee技术为无线网络标准，能够实现反光膜自动铺覆、智能浇灌、检测环境烟雾浓度等功能，可以帮助农民在无需到达农田的情况下实时检测果园状况。且无线传感器网络具有能耗低、使用年限长等优点，加之本系统采用太阳能供电，在解决能源输储问题的同时也符合环保便捷的要求。智能果园系统拥有智能化、便捷化等突出优点，可以帮助果农在管理果园时更加方便快捷有效。但该系统也存在部分设计复杂、成本较高等不足之处。相信随着智能农业的发展，本系统可以在实际运用中日趋完善，达到越来越好的效果。

＊ [1]高玲，刘勇，夏利利.设施智能农业装备发展现状及特点[J].安徽农业科学,2014(16)：5334-5335

＊ [2]李将.智能化农业信息技术的初步探索[J].山东省农业管理干部学院学报，2012（3）：36-37

＊ [3]黄向骥. 基于CC2530的无线智能家居系统的设计[D]. 武汉理工大学， 2010：13-15

＊ [4]张彦芳、李舸. ZigBee技术及应用[J]. 中国科技博览， 2013（38）：634-635

＊ [5]李裕舸. 基于ZigBee无线传感器网络设计与实现[J]. 数字技术与应用，2014（12）：47-47