專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于顏色傳感器的水果成熟度檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水果表面顏色的識(shí)別、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，所述方法用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)果場(chǎng)水果成熟度。
背景技術(shù)：
中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品資源非常豐富，水果種類(lèi)繁多，但采摘貯存技術(shù)落后而引起的腐爛變質(zhì)和品質(zhì)下降，每年造成的損失嚴(yán)重?，F(xiàn)在，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的信息化還不高，如水果成熟 期，果農(nóng)需及時(shí)了解水果的成熟情況，方便采摘，避免水果過(guò)熟而腐爛，但由于現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在這方面還不能有效地實(shí)現(xiàn)信息化和智能管理水果成熟度，因此增加了果農(nóng)的管理成本和減少了果農(nóng)的正常收入。所以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化尤為緊迫，其中水果成熟程度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)顯得更加重要。國(guó)內(nèi)外，用于檢測(cè)水果成熟度的儀器很少，而且沒(méi)有統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，目前水果成熟度的判斷方法主要有幾種如色澤、硬度、化學(xué)物質(zhì)含量等。傳統(tǒng)采用的有損檢測(cè)水果成熟度，會(huì)對(duì)水果造成傷害，而且成本比較高，不利于在果農(nóng)推廣。由于傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置智能化不足，需要操作人員實(shí)地對(duì)水果進(jìn)行檢測(cè)，增加果農(nóng)的管理成本，也不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的信息化。特別是規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，每個(gè)果農(nóng)需要管理植物果樹(shù)很多，難于做到24小時(shí)巡查?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)該具有先進(jìn)遠(yuǎn)程中心控制室，可以為果農(nóng)提供一些果樹(shù)、水果生長(zhǎng)信息，方便管理，特別是對(duì)水果成熟度監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服傳統(tǒng)的水果成熟度檢測(cè)裝置成本高、智能化、網(wǎng)絡(luò)低和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化管理水平低等不足。本發(fā)明提供一種水果成熟度檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法不僅可以方便檢測(cè)出水果成熟度，而且能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的分片管理，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化水平，降低果農(nóng)的管理成本，具有成本低和智能化的特點(diǎn)。本方法主要通過(guò)把TCS3200D和CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)組成的嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端放置在每個(gè)片區(qū)的植物水果枝條上，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理、數(shù)字化、修正獲得水果表皮顏色參數(shù)，數(shù)據(jù)通過(guò)低功耗無(wú)線(xiàn)發(fā)送，經(jīng)Zigbee路由器轉(zhuǎn)發(fā)到Zigbee協(xié)調(diào)器，Zigbee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口發(fā)送到控制中主機(jī)，控制主機(jī)通過(guò)綜合分析，監(jiān)測(cè)每個(gè)分區(qū)水果的成熟情況，預(yù)測(cè)水果的成熟快慢，方便果農(nóng)及時(shí)采摘。控制主機(jī)還可以通過(guò)傳送回來(lái)的EQ(Energy Quality)信息分析得出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)的情況，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量監(jiān)測(cè)報(bào)警。本發(fā)明所涉及一種利用水果表皮顏色進(jìn)行推斷、具有無(wú)線(xiàn)傳輸功能的水果成熟程度檢測(cè)方法，其詳細(xì)步驟包括(1)TCS3200D模塊與CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)組成的嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端設(shè)備安裝在水果枝條上，嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端放在水果旁，用于收集水果的顏色參數(shù)和所處環(huán)境的溫度參數(shù)。
(2) TCS3200D模塊的輸出的是頻率值，需通過(guò)CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)設(shè)置計(jì)數(shù)器方式采集頻率值，得到R、G、B顏色參數(shù)，與白平衡所得出的三個(gè)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)顏色的識(shí)別。(3)CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)內(nèi)部集成的溫度傳感器輸出的是模擬信號(hào)，經(jīng)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償處理，得到溫度參數(shù)。結(jié)合顏色參數(shù)，綜合分析，可以預(yù)測(cè)水果成熟快慢的趨勢(shì)。(4)嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端、Zigbee路由器由兩節(jié)I. 5V電池供電，路由器安裝在幾個(gè)嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端幾何中心線(xiàn)上，這樣可以減少路由器的數(shù)量和提高路由器的轉(zhuǎn)發(fā)信息的效率。(5) Zigbee協(xié)調(diào)器安裝在控制主機(jī)，通過(guò)串口與控制主機(jī)連接，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，并向控制主機(jī)提供植物水果成熟度信息和嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端和Zigbee路由器的運(yùn)行情況。 本發(fā)明公開(kāi)的水果成熟度監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法，采用成本低廉、分辨率高的顏色傳感器，基于Zigbee技術(shù)，采用CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)具有功耗小、體積小、處理能力強(qiáng)大、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，該檢測(cè)方法真正實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗，實(shí)用性強(qiáng)，并具有較好穩(wěn)定性和強(qiáng)大的可擴(kuò)展性。特別適合應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，該方法及相關(guān)系統(tǒng)在水果成熟度監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，將大大提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化水平，有效降低果農(nóng)管理成本，應(yīng)用前景廣闊。本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果(I)通過(guò)應(yīng)用顏色傳感器TCS3200D測(cè)量植物水果的R、G、B參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同溫度環(huán)境下對(duì)水果成熟度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；(2)TCS3200D模塊輸出為頻率值，本發(fā)明使用頻率測(cè)量。使用頻率測(cè)量、脈沖計(jì)數(shù)或綜合技術(shù)可獲得最大的分辨率和精度；非常適于緩慢變化或連續(xù)的光信息，并且適于讀取超過(guò)短周期定時(shí)的平均光信息；(3)使用Zigbee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信，ZigBee技術(shù)是一種易布建低成本無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)其低耗電性將使產(chǎn)品的電池維持6個(gè)月到數(shù)年的工作時(shí)間。Zigbee模塊使用CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)作為主控制器，由TCS3200D模塊和CC2430組成的嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端小巧輕便，無(wú)需連線(xiàn)，只需兩節(jié)電池，檢測(cè)裝置可以方便掛置在水果旁邊；(4)使用顏色傳感器對(duì)水果表皮顏色信息采集，溫度傳感器對(duì)所處環(huán)境溫度采集，方便控制主機(jī)進(jìn)行智能化分析處理，主要是因?yàn)樗幍臏囟却蟓h(huán)境(地方氣候)不同，水果的成熟快慢不同，方便及時(shí)提醒用戶(hù)采集，防止水果因太熟跌落、腐化，可以做到水果成熟快慢趨勢(shì)預(yù)測(cè)。(5)基于市場(chǎng)供應(yīng)的和氣候的變化，采摘成熟度標(biāo)準(zhǔn)差異，用戶(hù)可以設(shè)定水果成熟度程度進(jìn)行報(bào)警通知。檢測(cè)器會(huì)不定時(shí)向控制主機(jī)發(fā)送檢測(cè)結(jié)果，無(wú)需操作人員親自到農(nóng)田或山地工作。(6)CC2430是一款結(jié)合高性能2. 4GHz直接序列擴(kuò)頻射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器，內(nèi)部集成有溫度傳感器和8通道的8-14位ADC，可以減少外部接口和電路，可以把檢測(cè)裝置做得更加小巧。(7)該檢測(cè)器設(shè)備體積小，傳輸可靠性高，安全高，節(jié)點(diǎn)功耗低，監(jiān)測(cè)區(qū)域大等優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)需鉆孔布線(xiàn)，使整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更靈活有效。
(S)Zigbee協(xié)調(diào)器、路由器和嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端可以組成樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)和星形網(wǎng)絡(luò)，方便現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)和管理。


圖I測(cè)量裝置模塊安裝示意圖；圖2無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸示意圖；圖3CCM3O 接口 電路；圖4顏色傳感器連接原理圖； 圖5系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖；圖6主控模塊外圍接口電路，6 (a)觸摸屏接口電路，6 (b) RS232接口電路，6 (C)電源電路；圖I顏色傳感器TCS3200D控制流程圖；圖8嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端程序流程圖；圖9Zigbee協(xié)調(diào)器程序流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。參閱圖2 TCS3200D模塊和CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)組成嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端安裝于水果樹(shù)的枝條上，嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端的安裝要求顏色傳感器的濾波器窗口面向水果一側(cè)，與水果中心成一條直線(xiàn)。參閱圖3 :為本發(fā)明所述一種基于顏色傳感器的水果成熟度檢測(cè)方法采用的系統(tǒng)整體布局圖，包括嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端(l)、Zigbee路由器(2)、Zigbee協(xié)調(diào)器(3)、控制主機(jī)(4)，其中嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端(I)安裝于水果樹(shù)的枝條上，Zigbee路由器(2)安裝于三個(gè)嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端(I)組成的幾何中心線(xiàn)上；Zigbee協(xié)調(diào)器(3)安裝在控制主機(jī)(4)，通過(guò)串口模塊(9)與ARM處理器(10)連接；Zigbee協(xié)調(diào)器(3)與嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端(I)通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻實(shí)現(xiàn)雙向通信。參閱圖6 :本發(fā)明涉及的水果成熟度檢測(cè)方法硬件系統(tǒng)，嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端(I)包含顏色傳感器模塊(5)、調(diào)理單元(6)、CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)和電源(8)。 CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)集成有AD轉(zhuǎn)換接口(11)和溫度傳感器(12)。溫度傳感器(12)輸出模擬信號(hào)，顏色傳感器模塊(5)與調(diào)理單元￠)電氣連接；調(diào)理單元(6)用于對(duì)輸入顏色參數(shù)信號(hào)進(jìn)行濾波和調(diào)壓，調(diào)理單元(6)與CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)相互連接，該信號(hào)為頻率脈沖。CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)片上集成無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路和單片機(jī)，用于進(jìn)行傳感信息采集、運(yùn)算；電源(8)是為顏色傳感器模塊(5)、調(diào)理單元(6)和CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)提供直流電源(兩節(jié)I. 5V電池)。Zigbee路由器(2)包含CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)和電源(8)。CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)集成有AD轉(zhuǎn)換接口(11)和溫度傳感器(12)。Zigbee協(xié)調(diào)器(3)包括CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)⑵，串口模塊(13)?？刂浦鳈C(jī)⑷包含Zigbee協(xié)調(diào)器(3)、ARM處理器(14)、第二電源(15)、液晶屏(16)、觸摸屏(17)、RS232接口(18)。Zigbee協(xié)調(diào)器(3)與Zigbee路由器(2)實(shí)現(xiàn)通信的功能，Zigbee協(xié)調(diào)器(3)通過(guò)串口模塊(9)與ARM處理器(14)相互連接。第二電源(15)為Zigbee協(xié)調(diào)器(3)、ARM處理器(14)及人機(jī)交互單元(20)提供直流電源。人機(jī)交互單元(20)包含液晶屏(16)、觸摸屏(17)、RS232接口(18);液晶屏(16)用于輸出顯示ARM處理器(14)的輸出信息，包括水果成熟度、節(jié)點(diǎn)能量、成熟趨勢(shì)等參數(shù)變化。觸摸屏(17)用于設(shè)置參數(shù)、查詢(xún)數(shù)據(jù)；RS232接口(18)用于提供其他設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)控制主機(jī)(4)的接口 ；顏色傳感器模塊(5)采用TCS3200D。本發(fā)明涉及的水果成熟度監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)，采用C語(yǔ)言編制各相應(yīng)處理程序，其工作流程包括1)顏色傳感器(5)輸出的R、G、B顏色脈沖信號(hào)，經(jīng)調(diào)理單元(6)信號(hào)調(diào)理后，經(jīng)CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)處理得出植物水果顏色。CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)自檢信號(hào)對(duì)自身能量EQ進(jìn)行自檢，得出節(jié)點(diǎn)能量值，方便提醒果農(nóng)進(jìn)行電池更換和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的分析。2)CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、補(bǔ)償及得出植物水果的顏色參數(shù)值，環(huán)境溫度值；CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)(7)內(nèi)部無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路按照一定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)射輸出到附近的Zigbee路由器(2)，Zigbee路由器(2)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)把信息傳送到Zigbee協(xié)調(diào)器(3)，Zigbee協(xié)調(diào)器(3)通過(guò)串口模塊(13)發(fā)送信息到控制主機(jī)(4)，同時(shí)通過(guò)該Zigbee協(xié)調(diào)器(3)串口可接收控制主機(jī)⑷發(fā)送過(guò)來(lái)的命令；3) ARM處理器(14)的任務(wù)①接收水果顏色參數(shù)和溫度參數(shù)信息；②各個(gè)節(jié)點(diǎn)能量信息；③通過(guò)Zigbee協(xié)調(diào)器 (3)向顏色傳感器模塊(5)發(fā)送命令；④對(duì)接收到的來(lái)顏色傳感器模塊(5)和溫度傳感器
(12)發(fā)送過(guò)來(lái)的RGB數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合計(jì)算分析得植物成熟度和植物成熟度趨勢(shì)預(yù)測(cè)；⑤通過(guò)控制液晶屏(16)輸出顯示植物水果成熟度信息、成熟快慢趨勢(shì)預(yù)測(cè)信息、節(jié)點(diǎn)能量信息等；⑥處理觸摸屏(17)觸發(fā)的中斷并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及歷史查詢(xún)等操作；⑦建立用于存儲(chǔ)相關(guān)水果成熟度數(shù)據(jù)及歷史溫度數(shù)據(jù)的電子數(shù)據(jù)表格以供其他外部設(shè)備通過(guò)RS232 接口(18)訪(fǎng)問(wèn)。
權(quán)利要求
1.一種基于顏色傳感器的水果成熟度檢測(cè)方法，其特征在于 (1)顏色傳感器模塊(TCS3200D)用于獲取水果表皮顏色，典型輸出頻率范圍為2Hz 500kHz，用戶(hù)可通過(guò)兩個(gè)可編程引腳來(lái)選擇100%、20%或2%的輸出比例因子。當(dāng)用TCS3200D識(shí)別顏色前，需要測(cè)出白平衡所對(duì)應(yīng)的紅色、綠色和藍(lán)色的值，然后就可計(jì)算出需要的3個(gè)調(diào)整參數(shù)。
(2)通過(guò)設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間(例如10ms)，然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算固定時(shí)間內(nèi)TCS3200D的輸出脈沖數(shù)，計(jì)算出一個(gè)比例因子，把測(cè)得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。
(3)水果表皮顏色變化使得顏色傳感器的輸出頻率發(fā)生變化，輸出頻率分頻比由兩個(gè)邏輯輸入SO和SI控制，選擇合適的分頻比，使用無(wú)線(xiàn)單片機(jī)CC2430內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式，測(cè)出頻率值，識(shí)別顏色的變化。
(4)無(wú)線(xiàn)單片機(jī)CC2430自身集成的溫度傳感器采集溫度參數(shù)并通過(guò)集成8-14位的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，由于CC2430片內(nèi)溫度傳感器檢測(cè)到的是芯片溫度，用于測(cè)量外部環(huán)境時(shí)受到許多外界因素的影響，需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償。計(jì)算公式如下K = Vr(Tf*T+V0) 其中K :誤差補(bǔ)償值J1 :25°C時(shí)的電壓值A(chǔ) :0°C時(shí)的輸出電壓值；Tf :溫度系數(shù)，Tf =2.45(適合于-201 +80°0 ;T:當(dāng)前溫度值。
參考電壓采用內(nèi)部I. 25V電壓，n為數(shù)字量輸出位數(shù)，D0為輸出數(shù)字量，T0為輸出溫度值，最后實(shí)際溫度公式為
2.如權(quán)利要求I所述的方法，將上述顏色參數(shù)，溫度參數(shù)進(jìn)行融合、分析能夠?qū)λ某墒於冗M(jìn)行評(píng)判。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，所述嵌入式無(wú)線(xiàn)采集終端安裝在水果樹(shù)枝條上，放在水果的旁邊，避免外界光線(xiàn)的干擾，提高顏色分辨率和誤差。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于水果表皮顏色及環(huán)境溫度，預(yù)測(cè)水果成熟度的檢測(cè)方法。在果樹(shù)上安裝智能顏色傳感模塊，以及基于無(wú)線(xiàn)單片機(jī)CC2430芯片自身集成溫度傳感器，對(duì)水果的成熟度進(jìn)行全面檢測(cè)、評(píng)斷。通過(guò)Zigbee模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量傳感器組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸。顏色傳感器輸出的頻率信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理、數(shù)字化、參數(shù)修正后可得到水果表面顏色的RGB參數(shù)；溫度傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，濾波修正后作為水果成熟趨勢(shì)判斷因素。上述參數(shù)經(jīng)多傳感數(shù)據(jù)經(jīng)融合、分析，能夠?qū)λ墒斐潭茸龀鲈u(píng)價(jià)，同時(shí)能對(duì)水果成熟快慢進(jìn)行預(yù)測(cè)。該方法可以對(duì)水果成熟度進(jìn)行遠(yuǎn)程、無(wú)損檢測(cè)，讓管理人員靈活掌握水果收獲時(shí)間，減少果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)損失。
文檔編號(hào)G08C17/02GK102735621SQ201110093039
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者吳黎明, 廖慶富, 曾磊, 王桂棠, 鄧耀華, 黃耿升 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)