基于物联网中小型叶菜采收新模式

吴 伟，贡 亮，方 锐，林晨晖，邵悦辰，沈晓晔

(上海交通大学 机械与动力工程学院， 上海 200240)

0 引 言

随着自动化技术和信息技术的发展，传统农业正在加速向农业装备自动化和农业信息数字化方向转变[1]。其中，设施农业作为一种可控、高效、优质的农业生产方式，已经慢慢成为现代农业的重要组成部分[2-3]。而在设施农业中，植物工厂的技术水平最能体现现代农业的发展层次。

目前植物工厂在蔬菜种植和培养方面的研究已经日趋完善，但采收方面的研究却并不多。已有的采收相关研究，如日本应用于植物工厂番茄和草莓的机器人采收技术[4]，我国一些学者研究、设计的温室雾培蔬菜的收获机构[5]等，都解决了部分具体问题，植物工厂采收领域依然存在许多亟待解决的问题，如叶菜采收领域机械自动化仍达不到生产应用的水平，信息化程度不够高，植物种植、培养、采收等过程产生的大量数据无法有效存储和利用。另外，“互联网+”等概念刺激着农业信息化技术的发展[6]，物联网技术越来越多的应用于植物工厂的研究，如植物工厂的监控系统[7-8]、现代农业智能物流系统的搭建[9]等。本文则主要针对目前国内外在中小型叶菜采收方面自动化程度不高、信息化水平落后等问题[10]，设计并实现了采收效率较高的自动化机电平台，以及稳定可靠、低耦合易扩展的远程信息服务系统，最终形成了一种中小型叶菜采收的新模式。

1 采收新模式整体设计

如图1所示，该采收新模式主要由快速采收平台、信息服务系统两部分组成，两者通过调度中心进行连接和信息交互。

采收平台主要对从培养中心运送过来的叶菜采摘和切根，然后送往包装运输工序，需要解决采摘过程中的损伤、效率问题以及切根的速度、整洁问题。相关的工位信息以及摄像头产生的监控视频、图片则通过调度中心，统一传输到信息中心进行存储并提供相应的访问服务。信息服务系统采取“微服务”的形式，即工位信息服务和视频图像信息服务为完全不相关的服务，拥有独立的数据库存储和进程，起到降耦和分布式的作用，提高通信系统的稳定性和扩展性。

图1 采收新模式整体结构

2 快速采收平台

2.1 整体框架设计

如图2所示，整体采用“龙门架”的形式，主要由4040和4080的铝型材搭建而成。培养穴盘直接平放在支撑架上，可使用自动导引运输车(Automated Guided Vehicle, AGV)进行运输；采摘装置在横梁上可进行x、y、z3个方向的平动；切根装置在培养穴盘的旁边，保证采摘后能够迅速进行切根，同时又不会把根部留在穴盘中。

图2 采收平台整体框架设计图

如图3所示，整个采摘切根的流程可概括为：通过运输装置将培养穴盘放在采收平台的支撑架上，采摘装置复位，通过往返采摘、切根、送往传输装置，直至穴盘内所有叶菜采摘切根完毕，换至下一只培养穴盘，重复以上步骤。

图3 采收平台工作流程

2.2 采摘及切根设计

如图4所示，叶菜类蔬菜通常是指以叶片和叶柄为食用部分的蔬菜，如小白菜等。这类蔬菜一般具有叶片蓬松，根部相对较小的特点。而植物工厂中对植物进行机械操作，传统方案是机械手单株操作[11]。若采取单株采收的模式，将会出现采收效率低下、菜叶易损伤、成本较高等问题。图5、6分别为该采收系统中的采摘结构和切根结构。

图4 小白菜实物图

1. 4040主轴； 2. 右挡板； 3. 直线滑轨； 4. 左挡板；5. 直线滑块； 6. 钣金a； 7. 钣金b； 8. 钣金c； 9.硅胶

图5 采摘装置设计图

1. 4080铝型材； 2. 8080角件； 3. 铝板； 4. 刀垫； 5. 切刀滑块； 6. 减速电动机； 7. 凸轮； 8. 4080铝型材； 9. 钢板上； 10. 钢板下； 11. 4040铝型材； 12. 切刀滑轨； 13. 滑块； 14. 拉簧； 15. 电动机固定装置

图6 切根装置设计图

针对水培的中小型叶菜特点，设计了一种夹板式的采摘方案。夹板采用镂空设计，保证夹紧部分集中在根部，而不是叶部；夹板表面贴有硅胶层，减小夹紧时对叶片造成的机械损伤；动力方式为步进电动机带动丝杠运动，从而把转动转化为夹紧和松开的平动，考虑到水培方式，夹紧力不需要特别大，本文选取的是1.5 N·m步进电动机；夹板的行程为10 cm，基本满足中小型叶菜的夹取要求。这种结构一次可以采摘一整排叶菜，效率较高，硅胶以及镂空设计减少了叶片损伤。

切根部分则是采取“一刀切”的方案，刀片选取类似于切纸机的不锈钢刀片，经实际测试，韧性和锋利程度均易满足要求。考虑到剪切时需要的力较大，选取的是40 N·m的减速电动机。切根时，减速电动机带动凸轮转动，凸轮带动不锈钢刀片进行平动，完成切根动作，在拉簧的作用下，刀片配合凸轮回复至原始状态。

3 信息服务系统

3.1 数据库设计

信息服务系统中，主要信息可以分为工位信息和视频监控两类。其中工位信息包含了采摘夹板的位置信息、工作状态信息以及用户的运动控制指令等；视频监控则包括历史图像和实时图像两类。为了对数据进行集中控制以及更加方便的操作，如表1所示，将以上信息数据整合成了数据库中对应的表的形式，进行数据的存储和增删改查。

表1 采收信息系统中所有信息汇总

3.2 信息服务系统架构设计

由于嵌入式系统在物联网系统中应用广泛[12]，如树莓派已经有应用于网关[13]、安防[14]、监控[15]等系统的案例，所以信息系统与采收平台以树莓派作为调度中心进行信息交互，即视频图像、工位信息和控制信号的上传下达。

另外，随着大数据和云技术[16]的快速发展，互联网技术已经从早先的一站式服务架构发展到如今的分布式架构[17]以及进一步延伸出来的面向服务的架构[18]。物联网系统将同样面对大数据、信息技术的革新[19-22]，而现在大多物联网系统却仍停留在一站式服务的阶段[23]。本文采取面向服务的架构，将信息服务拆分为工位服务和视频服务，并部署在不同的服务器上。

基于前面两点，最终信息服务系统的架构如图7所示。

图7 信息服务系统的架构

树莓派作为调度中心，只负责信息的上传下达，而不负责存储或者提供服务。信息服务被拆分为相互独立的工位服务和视频服务，各自拥有MySQL数据库存储、进程服务等。这样做的好处有以下几点:

(1) 树莓派的存储压力和带宽压力大大减小。

(2) 工位服务和视频服务相互独立，耦合度低，故障互不影响且容易维护。

(3) 可以通过对服务进行水平扩展解决多终端带来的高并发问题。

(4) 服务进行集群化更容易，单一服务的集群化只需要考虑该服务所需要的计算机资源，以更低的成本解决单点故障问题(若提供服务的机器只有一台，则该机器故障后，整个系统无法正常运行)。

树莓派基于TCP/IP协议进行信息传输，通过较为底层的socket实现，信息传输效率高。工位服务器和视频服务器均基于http协议提供服务，其优点在于java、python、C/C++、C#等常见的客户端(如Android客户端[24-25])编程语言均提供了支持良好的http协议开发库，便于快速开发应用。

4 系统实现及分析

该采收系统的硬件部分的实现效果如图8所示。实验中选择了小白菜、小葱两种形态不同的中小型叶菜类蔬菜进行测试。成功率定义为单排成功采收的株数与单排总株数的比值，采摘与切根独立计算。

图8 采收平台实物图

经过测试，该装置的采收(包括采摘和切根)周期为2min/排，对每种类别的中小型叶菜，采摘成功率均在85%以上，切根成功率均在90%以上。

软件方面服务采取分布式部署的方式，实现了如图9所示的实时监控与如图10所示的数字孪生(真实机械运动与计算机模拟机械运动实时同步)。Android客户端可以实时监测当前的工作状态，通过桌面客户端的拖拽动作可以让采收装置同步运动。信息流的传输与获取比较稳定，且单台服务器故障后，系统仍然正常运行。如视频服务器宕机后，Android客户端监控画面则不再更新，但状态信息可以依然不断更新，桌面客户端的数字孪生功能也不会受其影响。

图9 实时视频及工作状态监控

图10 数字孪生应用

5 结 语

本文设计并实现的中小型叶菜采收新模式，倡导高效、低损伤的自动化生产和面向服务、低耦合易扩展的远程信息服务系统，顺应了现代农业中自动化和信息化的要求，并适应了大数据环境下，预防单点故障，应对高并发等潜在要求。未来这种模式将会以更多衍生品的形式，出现在现代农业的生产方式中。