李雨蔓 朱培涵 丘紫薇 黃祖存

（廣西師范大學(xué) 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004）

現(xiàn)如今，人們對(duì)香蕉的要求已經(jīng)轉(zhuǎn)向了高品質(zhì)和無(wú)害化，為了將我國(guó)香蕉得以打入國(guó)際市場(chǎng)，可改善外觀品質(zhì)，減少農(nóng)藥殘留的香蕉套袋是我國(guó)果品發(fā)展的一個(gè)必要配套措施。由于套袋本身的透氣性，香蕉套袋后可產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使得與不套袋的香蕉在生長(zhǎng)狀況和成熟快慢產(chǎn)生不同。但是當(dāng)香蕉套上袋子后，果農(nóng)無(wú)法直接觀測(cè)香蕉的生長(zhǎng)情況和袋中內(nèi)環(huán)境，只能通過(guò)模糊預(yù)測(cè)香蕉成熟情況而采摘。若預(yù)測(cè)不對(duì)，將耗費(fèi)大量的人力物力，且香蕉品質(zhì)參差不齊。因此，非常有必要設(shè)計(jì)一種套袋香蕉內(nèi)環(huán)境及成熟度監(jiān)測(cè)裝置，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)套袋香蕉的內(nèi)環(huán)境和成熟度。果農(nóng)可通過(guò)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)判斷香蕉的生長(zhǎng)狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果調(diào)整優(yōu)選的香蕉生長(zhǎng)內(nèi)環(huán)境，提升香蕉品質(zhì)，提高香蕉成熟速率。

1 總設(shè)計(jì)方案

套袋香蕉內(nèi)環(huán)境及成熟度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)裝置，無(wú)線(xiàn)通信，計(jì)算機(jī)處理這三大組成部分組成，如圖1所示。

圖1：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)裝置上的傳感器接收到套袋中的溫度、濕度、二氧化碳?xì)怏w、氧氣信號(hào)以及香蕉釋放出來(lái)的乙烯氣體信號(hào)后，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可讀取信號(hào)并傳給單片機(jī)，單片機(jī)將各傳感器信號(hào)解析成相應(yīng)的溫濕度值，二氧化碳?xì)怏w、氧氣、乙烯氣體濃度值后通過(guò)通信模塊發(fā)送出去。通信模塊發(fā)送的信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)利用特定的處理方法解析出香蕉套袋中的內(nèi)環(huán)境以及香蕉的成熟度供蕉農(nóng)觀測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)裝置及系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

此監(jiān)測(cè)裝置包括方形塑料殼體，方形塑料殼體內(nèi)設(shè)置有溫濕度傳感器、乙烯氣體傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣感器、控制器模塊、電池、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)和通信模塊，溫濕度傳感器、乙烯氣體傳感器、二氧化碳傳感器和氧氣感器均與控制器模塊連接，電池經(jīng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)與控制器模塊連接，通信模塊與控制器模塊連接，如圖2所示。

圖2：裝置整體結(jié)構(gòu)圖

方形塑料殼體的底部設(shè)置有撥動(dòng)開(kāi)關(guān)孔，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)伸出撥動(dòng)開(kāi)關(guān)孔外側(cè)。方形塑料殼體上還設(shè)置有通信模塊天線(xiàn)孔和傳感器檢測(cè)孔，通信模塊的天線(xiàn)伸出通信模塊天線(xiàn)孔外，并用密封膠密封，溫濕度傳感器、乙烯氣體傳感器、二氧化碳傳感器和氧氣感器的探頭設(shè)置在傳感器檢測(cè)孔的外側(cè)，并用密封膠密封設(shè)置。

該監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)，包括若干個(gè)監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)裝置與監(jiān)測(cè)裝置之間無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)連接，其中一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置與外部的數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)無(wú)線(xiàn)連接。

2.2 工作原理

（1）套袋內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)原理。利用各傳感器將香蕉套袋中的溫度、濕度、二氧化碳?xì)怏w、氧氣信號(hào)采集出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)，可通過(guò)測(cè)量這四種電信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)套袋內(nèi)主要影響水果品質(zhì)的環(huán)境因素。

（2）成熟度監(jiān)測(cè)原理。如香蕉等呼吸越變型水果，它們的呼吸作用與釋放芳香烴氣體之間有密切關(guān)系，可通過(guò)檢測(cè)芳香烴中最主要成分乙烯氣體來(lái)判斷香蕉成熟度。

（3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收原理。監(jiān)測(cè)裝置中裝有通信模塊，當(dāng)有若干個(gè)監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)裝置與監(jiān)測(cè)裝置之間無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)連接，其中一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置與外部的數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)無(wú)線(xiàn)連接，可通過(guò)接收該監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)獲得整片香蕉田的數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)

3.1 主要元器件介紹

3.1.1 STM32F103C8T6單片機(jī)

STM32F103C8T6單片機(jī)是一種ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位低功率、高性能的微控制器。單片機(jī)根據(jù)傳感器接受到的溫度、濕度、二氧化碳?xì)怏w、氧氣信號(hào)，在編好的指令下控制整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)。

3.1.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是可以檢測(cè)周?chē)h(huán)境和濕度的裝置。濕度測(cè)量范圍在20%~95%，溫度測(cè)量范圍0℃~50℃。溫濕度傳感器檢測(cè)套袋內(nèi)的溫度和濕度后，可以將信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。不僅適宜用在香蕉套袋環(huán)境內(nèi)，且操作簡(jiǎn)便。

3.1.3 JX-CO-101紅外二氧化碳傳感器

JX-CO-101紅外二氧化碳傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度的關(guān)系，鑒別二氧化碳?xì)怏w并確定其濃度的裝置，量程0-5000ppm。適宜用在香蕉套袋環(huán)境內(nèi)。

3.1.4 JXM-O氧氣傳感器

JXM-O氧氣傳感器是具有溫度補(bǔ)償功能檢測(cè)氧氣氣體并確定其濃度的裝置。量程0-30%，適宜用在香蕉套袋環(huán)境內(nèi)。

3.1.5 JEC-CH電化學(xué)乙烯氣體傳感器

JEC-CH電化學(xué)乙烯氣體傳感器是可以測(cè)量乙烯氣體濃度的裝置。量程0-100ppm。適宜用在香蕉套袋環(huán)境內(nèi)。

3.2 監(jiān)測(cè)裝置電路設(shè)計(jì)

3.2.1 總電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)裝置總電路圖由控制模塊電路、傳感器模塊電路以及無(wú)線(xiàn)通信電路組成。如圖3所示。其中控制器模塊電路為STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)。傳感器模塊控制電路由接乙烯氣體傳感器的RS485通信電路以及溫濕度傳感器、二氧化碳?xì)怏w濃度傳感器、氧氣傳感器控制電路組成。通信模塊為L(zhǎng)oRa無(wú)線(xiàn)通信模塊。

圖3：監(jiān)測(cè)裝置總電路圖

3.2.2 核心電路設(shè)計(jì)

3.2.2.1 線(xiàn)性穩(wěn)壓LDO電路

線(xiàn)性穩(wěn)壓LDO電路主要采用RT9193-33GU5芯片轉(zhuǎn)換電壓，具體為將VIN（輸入）引腳輸入的5V直流電壓轉(zhuǎn)換成3.3V直流電壓從VOUT（輸出）引腳輸出。其中EN（使能）引腳接高電平時(shí)芯片開(kāi)始工作，持續(xù)輸出3.3V給其他傳感器等電路供電。

3.2.2.2 RS485通信電路

RS485通信電路主要采用SP3485芯片。工作時(shí)將可將乙烯傳感器輸出的485信號(hào)轉(zhuǎn)變成單片機(jī)可讀取的TTL電平信號(hào)，也可將單片機(jī)發(fā)出的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成乙烯傳感器可識(shí)別的485信號(hào)。

3.2.2.3 溫濕度傳感器控制電路

DHT11溫濕度傳感器正常供電后可通過(guò)DO（數(shù)據(jù)收發(fā)）引腳傳輸數(shù)字信號(hào)。

3.2.2.4 二氧化碳濃度傳感器控制電路

JX-CO-101紅外二氧化碳傳感器正常供電后，可通過(guò)DA（電壓信號(hào)）引腳輸出模擬電壓，或RX（信號(hào)接收）引腳與TX（信號(hào)發(fā)送）引腳輸出TTL電平信號(hào)，也可通過(guò)PWM（PWM輸出）引腳輸出PWM方波。這三種方式皆可讀取傳感器數(shù)據(jù)。本裝置使用PWM信號(hào)方式。

3.2.2.5 氧氣傳感器控制電路

JXM-O氧氣傳感器正常供電后，可通過(guò)Vo（電壓信號(hào)）引腳輸出模擬電壓，或RX（信號(hào)接收）引腳與TX（信號(hào)發(fā)送）引腳輸出TTL電平信號(hào)。本裝置使用TTL電平信號(hào)方式。

4 監(jiān)測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)

4.1 裝置總體工作流程

套袋香蕉內(nèi)環(huán)境及成熟度監(jiān)測(cè)裝置的總體工作流程圖如圖4所示。打開(kāi)監(jiān)測(cè)裝置電源后，裝置首先完成初始化并開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)時(shí)間后控制模塊將啟動(dòng)傳感器，傳感器在正常運(yùn)作前需要完成預(yù)熱等預(yù)備動(dòng)作。當(dāng)控制模塊檢測(cè)到傳感器預(yù)備動(dòng)作完成后開(kāi)始周期性地實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，并按照對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系將采集到的數(shù)據(jù)還原成溫濕度、二氧化碳?xì)怏w濃度、氧氣濃度以及乙烯氣體濃度指標(biāo)。經(jīng)過(guò)控制模塊處理后的數(shù)據(jù)會(huì)被打包發(fā)送到通信模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信息傳輸?shù)竭_(dá)計(jì)算機(jī)。當(dāng)控制模塊發(fā)出采集結(jié)束指令后，裝置將停止監(jiān)測(cè)。

圖4：監(jiān)測(cè)裝置總體工作流程圖

4.2 主要模塊程序設(shè)計(jì)

周期采集溫濕度傳感器、乙烯氣體傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器數(shù)據(jù)是套袋香蕉內(nèi)環(huán)境及成熟度監(jiān)測(cè)裝置程序設(shè)計(jì)的主要模塊。其中二氧化碳傳感器設(shè)置為主動(dòng)上報(bào)模式。溫濕度傳感器、氧氣傳感器和乙烯氣體傳感器需要接收控制模塊接收信號(hào)后觸發(fā)一次數(shù)據(jù)采集。

觸發(fā)數(shù)據(jù)采集函數(shù)的工作流程如圖5所示。定時(shí)器設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期為1s，每計(jì)時(shí)到1s時(shí)，進(jìn)入觸發(fā)數(shù)據(jù)采集函數(shù)。進(jìn)入觸發(fā)數(shù)據(jù)采集函數(shù)后首先判斷中斷是否發(fā)送，若中斷沒(méi)有發(fā)生，則等待重新觸發(fā)，否則根據(jù)溫濕度傳感器、氧氣傳感器和乙烯氣體傳感器各自的通信協(xié)議發(fā)送查詢(xún)指令。若出現(xiàn)查詢(xún)錯(cuò)誤，則重新發(fā)送，否則到達(dá)數(shù)據(jù)接收處理階段。

圖5：觸發(fā)數(shù)據(jù)采集函數(shù)流程

數(shù)據(jù)接收處理流程如圖6所示。溫濕度傳感器、氧氣傳感器和乙烯氣體傳感器接收到查詢(xún)指令后將會(huì)采集一次數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)。單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷數(shù)據(jù)是否有效，若數(shù)據(jù)有效，則將數(shù)據(jù)送到LoRa無(wú)線(xiàn)通信模塊打包發(fā)送，否則重新接收數(shù)據(jù)。

圖6：數(shù)據(jù)接收處理流程圖

由于將二氧化碳傳感器設(shè)置為主動(dòng)上報(bào)模式，不需要接收控制模塊接收信號(hào)后才觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。二氧化碳數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。每間隔1s，二氧化碳傳感器將主動(dòng)上報(bào)一次數(shù)據(jù)。單片機(jī)數(shù)據(jù)處理方式為PWM正向脈寬=PPM濃度值/5+2ms。相同的，單片機(jī)在處理完二氧化碳濃度值后會(huì)進(jìn)行有效值判斷，判斷為有效的值才會(huì)與其他數(shù)據(jù)一同打包發(fā)送出去。

圖7：二氧化碳數(shù)據(jù)處理流程圖

5 監(jiān)測(cè)裝置的使用方法

5.1 監(jiān)測(cè)裝置使用步驟

第一步，將撥動(dòng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，把裝置夾在套袋內(nèi)部的小夾層，到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，控制模塊控制各傳感器啟動(dòng)，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。

第二步，各傳感器完成預(yù)備動(dòng)作后，在設(shè)定好的采集周期內(nèi)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

第三步，控制模塊通過(guò)轉(zhuǎn)換各采集傳感的信號(hào)。

第四步，通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

5.2 計(jì)算機(jī)分析處理方法的過(guò)程

第一步，計(jì)算機(jī)通過(guò)Michaelis-Mente呼吸速率模型

式中R為呼吸速率；Rm為最大呼吸速率；Ki為抑制系數(shù)；Km為Michaelis常數(shù)；Co、Cc分別為O和CO的濃度。所述Rm、Ki、Km為已知量，周期內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多組O和CO的濃度并取平均，可計(jì)算出周期內(nèi)水果的呼吸速率。

第二步，計(jì)算機(jī)根據(jù)已知的水果成熟度等級(jí)將判斷水果成熟情況，當(dāng)達(dá)到設(shè)定成熟度時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出停止計(jì)時(shí)指令，控制模塊停止計(jì)時(shí)，并將計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)和成熟等級(jí)信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)。

第三步，計(jì)算機(jī)將水果到達(dá)設(shè)定成熟等級(jí)的快慢和呼吸速率變化建立關(guān)系式，分析呼吸速率和環(huán)境對(duì)應(yīng)的關(guān)系，確定優(yōu)選的水果成長(zhǎng)內(nèi)環(huán)境。

6 監(jiān)測(cè)裝置及系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）操作簡(jiǎn)單。蕉農(nóng)僅需在給香蕉套袋時(shí)將開(kāi)啟電源的裝置夾在套袋內(nèi)部的小夾層即可，并不需要其他復(fù)雜性操作。

（2）敏感性高。裝置采用敏感性高的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，微小的變化都可監(jiān)測(cè)到。

（3）可大面積監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)，保證大面積的蕉田的監(jiān)測(cè)情況。

（4）節(jié)省人力成本。蕉農(nóng)不需要經(jīng)常開(kāi)袋查看香蕉品質(zhì)，僅在后臺(tái)觀察監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可，在保證香蕉品質(zhì)的同時(shí)節(jié)省大量人力成本。

7 結(jié)語(yǔ)

本裝置操作簡(jiǎn)單、敏感性高，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)套袋香蕉內(nèi)環(huán)境及成熟度，蕉農(nóng)可通過(guò)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)判斷水果的生長(zhǎng)狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果調(diào)整優(yōu)選的水果生長(zhǎng)內(nèi)環(huán)境，提升水果品質(zhì)，提高水果成熟速率，同時(shí)可以很好的監(jiān)測(cè)香蕉是否已經(jīng)成熟，不需要人工經(jīng)常查看，可以節(jié)省人力。