套袋香蕉内环境及成熟度监测装置及系统的设计

李雨蔓 朱培涵 丘紫薇 黄祖存

（广西师范大学 广西壮族自治区桂林市 541004）

现如今，人们对香蕉的要求已经转向了高品质和无害化，为了将我国香蕉得以打入国际市场，可改善外观品质，减少农药残留的香蕉套袋是我国果品发展的一个必要配套措施。由于套袋本身的透气性，香蕉套袋后可产生温室效应，使得与不套袋的香蕉在生长状况和成熟快慢产生不同。但是当香蕉套上袋子后，果农无法直接观测香蕉的生长情况和袋中内环境，只能通过模糊预测香蕉成熟情况而采摘。若预测不对，将耗费大量的人力物力，且香蕉品质参差不齐。因此，非常有必要设计一种套袋香蕉内环境及成熟度监测装置，能实时监测套袋香蕉的内环境和成熟度。果农可通过采集回来的数据判断香蕉的生长状态，根据数据分析后的结果调整优选的香蕉生长内环境，提升香蕉品质，提高香蕉成熟速率。

1 总设计方案

套袋香蕉内环境及成熟度监测系统主要由监测装置，无线通信，计算机处理这三大组成部分组成，如图1所示。

图1：监测系统组成框图

在监测系统运行过程中，监测装置上的传感器接收到套袋中的温度、湿度、二氧化碳气体、氧气信号以及香蕉释放出来的乙烯气体信号后，将信号转换成单片机可读取信号并传给单片机，单片机将各传感器信号解析成相应的温湿度值，二氧化碳气体、氧气、乙烯气体浓度值后通过通信模块发送出去。通信模块发送的信号通过无线组网通信后传输到计算机。计算机利用特定的处理方法解析出香蕉套袋中的内环境以及香蕉的成熟度供蕉农观测。

2 监测装置及系统的整体结构和工作原理

2.1 整体结构

此监测装置包括方形塑料壳体，方形塑料壳体内设置有温湿度传感器、乙烯气体传感器、二氧化碳传感器、氧气感器、控制器模块、电池、拨动开关和通信模块，温湿度传感器、乙烯气体传感器、二氧化碳传感器和氧气感器均与控制器模块连接，电池经拨动开关与控制器模块连接，通信模块与控制器模块连接，如图2所示。

图2：装置整体结构图

方形塑料壳体的底部设置有拨动开关孔，拨动开关伸出拨动开关孔外侧。方形塑料壳体上还设置有通信模块天线孔和传感器检测孔，通信模块的天线伸出通信模块天线孔外，并用密封胶密封，温湿度传感器、乙烯气体传感器、二氧化碳传感器和氧气感器的探头设置在传感器检测孔的外侧，并用密封胶密封设置。

该监测装置的系统，包括若干个监测装置，监测装置与监测装置之间无线组网连接，其中一个监测装置与外部的数据接收计算机无线连接。

2.2 工作原理

（1）套袋内环境监测原理。利用各传感器将香蕉套袋中的温度、湿度、二氧化碳气体、氧气信号采集出来，并转换成容易被测量处理的电信号，可通过测量这四种电信号来监测套袋内主要影响水果品质的环境因素。

（2）成熟度监测原理。如香蕉等呼吸越变型水果，它们的呼吸作用与释放芳香烃气体之间有密切关系，可通过检测芳香烃中最主要成分乙烯气体来判断香蕉成熟度。

（3）监测数据接收原理。监测装置中装有通信模块，当有若干个监测装置，监测装置与监测装置之间无线组网连接，其中一个监测装置与外部的数据接收计算机无线连接，可通过接收该监测装置的数据获得整片香蕉田的数据。

3 监测装置的硬件设计

3.1 主要元器件介绍

3.1.1 STM32F103C8T6单片机

STM32F103C8T6单片机是一种ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位低功率、高性能的微控制器。单片机根据传感器接受到的温度、湿度、二氧化碳气体、氧气信号，在编好的指令下控制整个监测装置系统。

3.1.2 DHT11温湿度传感器

DHT11温湿度传感器是可以检测周围环境和湿度的装置。湿度测量范围在20%~95%，温度测量范围0℃~50℃。温湿度传感器检测套袋内的温度和湿度后，可以将信号直接转换成单片机可以处理的数字信号。不仅适宜用在香蕉套袋环境内，且操作简便。

3.1.3 JX-CO-101红外二氧化碳传感器

JX-CO-101红外二氧化碳传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度的关系，鉴别二氧化碳气体并确定其浓度的装置，量程0-5000ppm。适宜用在香蕉套袋环境内。

3.1.4 JXM-O氧气传感器

JXM-O氧气传感器是具有温度补偿功能检测氧气气体并确定其浓度的装置。量程0-30%，适宜用在香蕉套袋环境内。

3.1.5 JEC-CH电化学乙烯气体传感器

JEC-CH电化学乙烯气体传感器是可以测量乙烯气体浓度的装置。量程0-100ppm。适宜用在香蕉套袋环境内。

3.2 监测装置电路设计

3.2.1 总电路设计

监测装置总电路图由控制模块电路、传感器模块电路以及无线通信电路组成。如图3所示。其中控制器模块电路为STM32F103C8T6单片机最小系统。传感器模块控制电路由接乙烯气体传感器的RS485通信电路以及温湿度传感器、二氧化碳气体浓度传感器、氧气传感器控制电路组成。通信模块为LoRa无线通信模块。

图3：监测装置总电路图

3.2.2 核心电路设计

3.2.2.1 线性稳压LDO电路

线性稳压LDO电路主要采用RT9193-33GU5芯片转换电压，具体为将VIN（输入）引脚输入的5V直流电压转换成3.3V直流电压从VOUT（输出）引脚输出。其中EN（使能）引脚接高电平时芯片开始工作，持续输出3.3V给其他传感器等电路供电。

3.2.2.2 RS485通信电路

RS485通信电路主要采用SP3485芯片。工作时将可将乙烯传感器输出的485信号转变成单片机可读取的TTL电平信号，也可将单片机发出的TTL电平信号转换成乙烯传感器可识别的485信号。

3.2.2.3 温湿度传感器控制电路

DHT11温湿度传感器正常供电后可通过DO（数据收发）引脚传输数字信号。

3.2.2.4 二氧化碳浓度传感器控制电路

JX-CO-101红外二氧化碳传感器正常供电后，可通过DA（电压信号）引脚输出模拟电压，或RX（信号接收）引脚与TX（信号发送）引脚输出TTL电平信号，也可通过PWM（PWM输出）引脚输出PWM方波。这三种方式皆可读取传感器数据。本装置使用PWM信号方式。

3.2.2.5 氧气传感器控制电路

JXM-O氧气传感器正常供电后，可通过Vo（电压信号）引脚输出模拟电压，或RX（信号接收）引脚与TX（信号发送）引脚输出TTL电平信号。本装置使用TTL电平信号方式。

4 监测装置的软件设计

4.1 装置总体工作流程

套袋香蕉内环境及成熟度监测装置的总体工作流程图如图4所示。打开监测装置电源后，装置首先完成初始化并开始计时，当到达预设监测时间后控制模块将启动传感器，传感器在正常运作前需要完成预热等预备动作。当控制模块检测到传感器预备动作完成后开始周期性地实时采集传感器数据，并按照对应转换关系将采集到的数据还原成温湿度、二氧化碳气体浓度、氧气浓度以及乙烯气体浓度指标。经过控制模块处理后的数据会被打包发送到通信模块，数据经过信息传输到达计算机。当控制模块发出采集结束指令后，装置将停止监测。

图4：监测装置总体工作流程图

4.2 主要模块程序设计

周期采集温湿度传感器、乙烯气体传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器数据是套袋香蕉内环境及成熟度监测装置程序设计的主要模块。其中二氧化碳传感器设置为主动上报模式。温湿度传感器、氧气传感器和乙烯气体传感器需要接收控制模块接收信号后触发一次数据采集。

触发数据采集函数的工作流程如图5所示。定时器设置数据采集周期为1s，每计时到1s时，进入触发数据采集函数。进入触发数据采集函数后首先判断中断是否发送，若中断没有发生，则等待重新触发，否则根据温湿度传感器、氧气传感器和乙烯气体传感器各自的通信协议发送查询指令。若出现查询错误，则重新发送，否则到达数据接收处理阶段。

图5：触发数据采集函数流程

数据接收处理流程如图6所示。温湿度传感器、氧气传感器和乙烯气体传感器接收到查询指令后将会采集一次数据并发送数据给单片机。单片机接收到数据后进行数据处理，判断数据是否有效，若数据有效，则将数据送到LoRa无线通信模块打包发送，否则重新接收数据。

图6：数据接收处理流程图

由于将二氧化碳传感器设置为主动上报模式，不需要接收控制模块接收信号后才触发数据采集。二氧化碳数据处理流程如图7所示。每间隔1s，二氧化碳传感器将主动上报一次数据。单片机数据处理方式为PWM正向脉宽=PPM浓度值/5+2ms。相同的，单片机在处理完二氧化碳浓度值后会进行有效值判断，判断为有效的值才会与其他数据一同打包发送出去。

图7：二氧化碳数据处理流程图

5 监测装置的使用方法

5.1 监测装置使用步骤

第一步，将拨动开关打开，把装置夹在套袋内部的小夹层，到达设定时间时，控制模块控制各传感器启动，并开始计时。

第二步，各传感器完成预备动作后，在设定好的采集周期内实时采集数据。

第三步，控制模块通过转换各采集传感的信号。

第四步，通信模块将处理后的数据传输到计算机。

5.2 计算机分析处理方法的过程

第一步，计算机通过Michaelis-Mente呼吸速率模型

式中R为呼吸速率；Rm为最大呼吸速率；Ki为抑制系数；Km为Michaelis常数；Co、Cc分别为O和CO的浓度。所述Rm、Ki、Km为已知量，周期内实时监测多组O和CO的浓度并取平均，可计算出周期内水果的呼吸速率。

第二步，计算机根据已知的水果成熟度等级将判断水果成熟情况，当达到设定成熟度时，计算机发出停止计时指令，控制模块停止计时，并将计时时长和成熟等级信号传输给计算机。

第三步，计算机将水果到达设定成熟等级的快慢和呼吸速率变化建立关系式，分析呼吸速率和环境对应的关系，确定优选的水果成长内环境。

6 监测装置及系统的特点

（1）操作简单。蕉农仅需在给香蕉套袋时将开启电源的装置夹在套袋内部的小夹层即可，并不需要其他复杂性操作。

（2）敏感性高。装置采用敏感性高的传感器进行监测，微小的变化都可监测到。

（3）可大面积监测。系统采用无线组网技术，保证大面积的蕉田的监测情况。

（4）节省人力成本。蕉农不需要经常开袋查看香蕉品质，仅在后台观察监测数据即可，在保证香蕉品质的同时节省大量人力成本。

7 结语

本装置操作简单、敏感性高，能实现实时监测套袋香蕉内环境及成熟度，蕉农可通过采集回来的数据判断水果的生长状态，根据数据分析后的结果调整优选的水果生长内环境，提升水果品质，提高水果成熟速率，同时可以很好的监测香蕉是否已经成熟，不需要人工经常查看，可以节省人力。