浅谈具有成熟度无损检测功能的8424型西瓜大棚控制系统

摘要：文章叙述了利用互联网络采集连续4天的温湿度信息对8424型西瓜大棚进行有利于西瓜生长的有预见性的自动控制，同时提供对西瓜的手动无损成熟度测量服务，利于SOCKET进行从网络采集数据的编程，以ARM9开发平台支持对全国所有省会、直辖市的选择，对8424型西瓜大棚的温湿度进行自动控制。控制终端为环流风机、机械通风风机、热水采暖系统和微灌系统，分别对温湿度进行控制。无损成熟度测量采用声波传感和压电传感，经过虚拟仪器进行FFT处理，得到最终的成熟度判断结果，实现产品设计功能。

关键词：互联网络；大棚自动控制；8424型西瓜；成熟度无损测量

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0032-04

1 概述

1.1 基本概念

早佳8424西瓜，简称8424，从20世纪80年代推广至今在上海及江浙等地极受欢迎，是当代市场和农业产业中的主要瓜种。8424在全国范围内屡屡获奖，在全国南方西瓜早熟品种评比中获一等奖、上海市优质西瓜展中获一等奖、中国农业博览会上获得金奖，因此研究针对该种西瓜的种植策略迫在眉睫。温室技术对于当代西瓜种植是必不可少的，也是具有决定性意义的。目前，大多数农村地区虽然采用了温室种植，但还处于较为粗糙的初级保温阶段，并未实现自动控制，且即使是采用可实时控制系统也不能提前预测，使得西瓜生产者不能根据情况提前做出准备。人们从互联网上采集当天与未来几天的温湿度情况来进行处理。在西瓜种植过程中，温湿度是两大基本要素。在西瓜不同的生长时期有不同的温湿度要求。适宜气象条件情况：8424品种在25℃～28℃之间生长快。并且要求土壤有充足水分供给，相对湿度要求在80%附近，因此可按照该要求控制大棚相应的温湿度。而在不利气象条件下：温度

1.2 研究目的与内容

由于当代大多大棚未实现自动化控制，更加没有预测性自动化控制，给作物生产者带来了很大的负担。他们面对突如其来的天气变化会表现得措手不及。而西瓜的种植非常依赖大棚系统，并对温湿度有较高的要求，因此研发一套能够获得多日温湿度信息并根据多日信息进行智能自动控制的西瓜大棚系统迫在眉睫。另外西瓜成熟度的判断对于西瓜种植也非常重要，过熟和不熟将会对于经济效益产生重大的打击，因此无损测量西瓜成熟度也是当代农民一项迫切的需求。

本项目主要面对8424型西瓜进行基于互联网络的带有成熟度检测功能的大棚自动控制系统。系统通过上位机控制平台采集当日与未来几日的温湿度情况通过串口与下位机相连，根据所在地区在下位机触屏中国地图显示界面上选择所在的省会、直辖市，并通过对于西瓜生长与温湿度的算法给出系统建议。用户可以选择按照控制建议实现自动控制大棚内部的温湿度情况，也可以通过下位机触屏各类控制按钮实现实时控制大棚内部的温湿度情况。因此，种植者可以根据温湿度情况做出提前准备并根据自己的情况实现控制。系统将非接触式西瓜成熟度测量装置通过控制端口和继电器进行启动，由用户检测西瓜的成熟情况，根据无损成熟度测量仪器上的提示LED灯判断成熟与否，以避免过熟和不熟的情况，影响效益。

2 设计原理与实现

2.1 需求分析

本项目大体分为两大模块，分别完成两方面需求。信号采集与控制模块实现基于互联网的温湿度信息下载，通过串口传入下位机，下位机采用ARM9S3C2440平台，以实现温湿度采集工作。控制工作完全由ARM9实现，通过3.5寸液晶触屏实现人机界面，用户通过中国省会、直辖市选择自己所在地区，有上位机接收下位机信号，并返回温湿度信息。通过算法计算得出温湿度控制建议，用户可根据后几天的温湿度信息做出准备，并由用户通过触屏进行选择，以便实现自动控制或即时控制。控制端通过继电器接其他控制系统。由降温和加热系统实现温度调节，由增湿系统实现适度调节。到此，需求信号采集与控制模块可以实现。本系统需要实现西瓜的无损测量，并通过亮灯的形式对用户进行成熟提醒。该需求基于声波传感器对西瓜的震动频率通过虚拟仪器分析得到固有频率，与电子称进行统一计算，根据已实验验证的算法可以获得成熟度指标。

2.2 设计思路

2.2.1 采集温湿度信息与自动控制模块。本项目采用控制平台的模式对大棚进行控制，产品硬件分为上下位机，上位机即控制台的PC机；下位机为S3C2440，实现地区选择和控制选项。控制端4个端口分别接降温系统、加热系统、增湿系统、无损成熟度测量模块，对大棚实现具体的控制。算法根据农业方面的资料，经过模糊处理，选择温度控制在25℃到28℃之间，湿度控制在75%到85%。由于大部分地区湿度不高于85%，因此没有设计降湿系统。

数据采集模块设计思路：根据下位机通过串口上传的信息，判断城市名称并通过SOCKET进行编写程序，从互联网上提供的免费数据库（）进行该城市当天与未来3天的温湿度信息下载，并按照与下位机的协议通过串口传回下位机。

下位机设计思路：首先打开电源进入开机界面，通过滑动解锁进入地图界面，中国地图分为5张小图，通过滑动屏幕进行图片切换，通过点击进行城市选择。城市选择后向上位机传输城市代码，进入LOADING界面等待信息回传，信息由#作为终止符，按照当日温度、当日湿度、次日温度、次日湿度，以此类推，8个终止符传输8个温湿度信息即4天的温湿度信息。后3天的温湿度信息用于生产者做准备起到提示作用，当日温湿度信息用于具体实现自动控制。显示温湿度信息界面后，可以点击系统建议按键进入下一界面，用户可以看到根据温湿度信息系统通过模糊算法得到的控制建议结论，并可以通过点击增湿、加热、降温三个按键对控制建议进行调整，在点击自动控制按键后，控制开始执行，执行过程中亦可进行即时控制。控制端接三个温湿度控制系统，其中降温系统由环流风机、机械通风风机组成。环流风机放置于温室骨架上，这样放置可以保证对其进行处理操作更加方便，并且放置风机直接对西瓜进行吹风，伤害瓜苗。机械通风选用负压排风方式的轴流式风机，安置于温湿下风口风墙上。加热系统采用热水采暖系统调节温度。增湿系统采用微灌系统实现。另一个控制端口接无损西瓜成熟度测量模块，当测量结果经过模糊算法证实成熟亮灯，待瓜农采摘。

2.2.2 无损成熟度测量模块。无损成熟度测量模块通过压电传感器和麦克分别对西瓜进行质量检测和基频检测，通过瓜农在下位机开启无损测量控制，进入大棚对西瓜进行拍击，拍击产生的震动信号通过麦克采集通过采样器返回上位机，通过虚拟仪器的模式对串口传回的质量信号和震动信号进行计算比较和判断得到最终结果，并通过亮灯的方式提示用户西瓜已经成熟可以采摘。

2.3 模块详述

2.3.1 信号采集与控制模块。

液晶屏模块：液晶屏从本质上来讲是一个外部存储器，将每个液晶屏的像素点根据程序通过RGB赋以颜色。另外由于项目中需要文字显示，还要首先根据像素点进行建立和扩展文字库。另外对液晶屏驱动进行一些适当的调整。

触摸屏模块：触屏模块采用相对成本低廉的3.5寸触屏，由于产品用于农业控制，触屏要求并不高。由于设计滑动解锁、拖动图片、切换图片等功能，需要对触屏每个像素点的坐标进行线性化处理。由于要对省会、直辖市进行点击，需要相对精确，因此线性化处理格外重要。

数据采集模块：数据采集模块设计思路：根据下位机通过串口上传的信息，判断城市名称并通过SOCKET进行编写程序，从互联网上提供的免费数据库（）进行该城市当天与未来3天的温湿度信息下载，并按照与下位机的协议通过串口传回下位机。

控制模块：通过地图选择对上位机进行信息申请，根据返回信息通过模糊算法对用户提供系统建议，并根据用户通过人机界面对下位机发送的命令通过电磁继电器对环流风机、机械通风风机、热水采暖系统、微灌系统、无损成熟度测量仪器进行控制。用户也可以同时进行即时控制。

温室循环通风选用简洁型环流风机，置于温室骨架上，这样不但对于用户对其的操作更加方便，并可以避免其直接吹风于瓜苗上，对瓜苗造成不利影响。机械通风选用负压排风方式的轴流式风机，置于下风向山墙上。

热水采暖系统调节温度，其可以保证较高的稳定性和均匀性，但是该系统一次性投资相对多、循环动力大，针对大型的温室群来说，该系统热损失小的优势便有所体现，运行相对经济。加热系统由锅炉、热水输送管道、循环水泵和阀门组组成。

微灌系统由水源、首部枢纽、输配水管网和灌水器以及流量、压力控制部件和量测仪表组成。滴灌滴头采用内镶式滴灌管，喷灌喷头设计为旋转式，该喷头用水量较少、耗能低、雾化好，可以较为高效

的对温室湿度进行改善。灌溉用电磁阀控制。

图1 系统硬件框图

图2 主程序流图

图3 citytemp（）函数程序流图

2.3.2 无损测量模块。

算法介绍：通过查阅资料初步得到了西瓜成熟度与固有频率、西瓜质量的关系，之后通过多次试验，用MYDAQ作为采样器在PC上进行模拟，对于8424西瓜的实验数据进行分析，验证了资料中的算法。对水果成熟度的声音频率法测量有如下公式Q=f2m2/3（注：Q：成熟度指数，f：西瓜固有频率，m：西瓜质量）。

图4 成熟度指数与成熟度的关系

硬件结构：控制端口接通无损测量仪电源端，通过电桥分压模块对麦克和压电传感器进行供电和开关控制。当控制端由用户在下位机打开时，电源对麦克以及压电传感器进行供电，由用户决定对西瓜进行测量，测量信号传回上位机，作为虚拟仪器。根据已经验证成立的Q=f2m2/3算法，进行成熟度计算，并通过LED灯进行模糊判断，提供给用户该西瓜的成熟程度。

图5 无损8424西瓜成熟度测量仪硬件框图

3 问题及发展方向

本设计应该说相对于国内的自动控制农业大棚系统有了较大的突破和更新，主要体现在于温湿度信息的前瞻性，给了瓜农以准备突况的时间。系统可以自动控制也可以手动即时控制，可用性强。另外一个较大的亮点在于西瓜的成熟度测量系统，应该说是国内外农业控制系统中都颇为少见的。但是由于设计时间并不是很充裕，也缺乏在8424型瓜地大棚中的大量实践，应该说项目仍然停留在实验室阶段，仍然需要一些更加缜密的改进。这里面最大的问题在于，西瓜成熟度测量仪在系统中是相对独立的，并且需要由用户对它进行手动操作对西瓜进行逐个测量，这对于一个自动控制系统来讲应该说是不合适的。笔者希望在接下来的系统更新中能够实现对每个西瓜设置一个固定的种植位置并安置成熟度测量仪，实现全自动化的成熟度测量系统。

在本设计中，无论上位机、下位机通讯，还是4个控制端对电磁继电器的控制等，都用了有线通讯。笔者认为可以加入3G模块通过TCP/IP，取消上位机在系统中的作用，实现独立系统，并改有线控制通信为无限控制通讯。在技术上，这些已经是行得通的了，因此希望本系统可以尽快更新。

4 结语

本文针对8424型西瓜进行了大棚控制系统的合理设计，该系统具备有相应的无损度检测功能。本文主要阐述了设计原理以及硬件设计、模块分析，并提出了系统中所存在的相应问题以及日后的发展方向。整个系统是由信息采集以及系统控制两大模块所组成的，为了使大棚能够处于一个最佳的生长环境，用户可以通过随时进行自动控制的合理调整，针对8424型西瓜生长所需的特定湿度以及温度等环境条件进行有效调节控制，充分满足其生长的需要。本系统的可靠性较高，使用起来较为便捷，属于较为简单的按键操作控制系统，设计成本低，通过引入先进的无损检测技术来实现对8424型西瓜的无损检测有一定的应用价值。

作者简介：耿同（1990-），男，北京人，浙江大学学生，研究方向：测控技术与仪器科学。