CN102735621A - 一种基于颜色传感器的水果成熟度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于水果表皮颜色及环境温度，预测水果成熟度的检测方法。在果树上安装智能颜色传感模块，以及基于无线单片机CC2430芯片自身集成温度传感器，对水果的成熟度进行全面检测、评断。通过Zigbee模块进行现场测量传感器组网，实现监测数据低功耗无线传输。颜色传感器输出的频率信号经信号调理、数字化、参数修正后可得到水果表面颜色的RGB参数；温度传感器输出的模拟信号经AD转换，滤波修正后作为水果成熟趋势判断因素。上述参数经多传感数据经融合、分析，能够对水果成熟程度做出评价，同时能对水果成熟快慢进行预测。该方法可以对水果成熟度进行远程、无损检测，让管理人员灵活掌握水果收获时间，减少果农的经济损失。

Description

一种基于颜色传感器的水果成熟度检测方法

技术领域

本发明涉及水果表面颜色的识别、无线数据传输技术应用领域，所述方法用于远程监测果场水果成熟度。 

背景技术

中国农产品资源非常丰富，水果种类繁多，但采摘贮存技术落后而引起的腐烂变质和品质下降，每年造成的损失严重。现在，农业生产管理的信息化还不高，如：水果成熟期，果农需及时了解水果的成熟情况，方便采摘，避免水果过熟而腐烂，但由于现在的农业生产在这方面还不能有效地实现信息化和智能管理水果成熟度，因此增加了果农的管理成本和减少了果农的正常收入。所以实现农业生产自动化尤为紧迫，其中水果成熟程度远程监测显得更加重要。 

国内外，用于检测水果成熟度的仪器很少，而且没有统一的检测标准，目前水果成熟度的判断方法主要有几种如：色泽、硬度、化学物质含量等。传统采用的有损检测水果成熟度，会对水果造成伤害，而且成本比较高，不利于在果农推广。由于传统的检测装置智能化不足，需要操作人员实地对水果进行检测，增加果农的管理成本，也不利于农业生产管理的信息化。特别是规模化农业生产需求，每个果农需要管理植物果树很多，难于做到24小时巡查。 

现代农业应该具有先进远程中心控制室，可以为果农提供一些果树、水果生长信息，方便管理，特别是对水果成熟度监测。 

发明内容

本发明的目的是为了克服传统的水果成熟度检测装置成本高、智能化、网络低和现代农业信息化管理水平低等不足。本发明提供一种水果成熟度检测方法，该检测方法不仅可以方便检测出水果成熟度，而且能够实现现代农业的分片管理，提高农业现代化和信息化水平，降低果农的管理成本，具有成本低和智能化的特点。本方法主要通过把TCS3200D和CC2430无线单片机组成的嵌入式无线采集终端放置在每个片区的植物水果枝条上，传感器输出的信号经过调理、数字化、修正获得水果表皮颜色参数，数据通过低功耗无线发送，经Zigbee路由器转发到Zigbee协调器，Zigbee协调器通过串口发送到控制中主机，控制主机通过综合分析，监测每个分区水果的成熟情况，预测水果的成熟快慢，方便果农及时采摘。控制主机还可以通过传送回来的EQ(Energy Quality)信息分析得出各个节点的工作状态的情况，实现节点能量监测报警。 

本发明所涉及一种利用水果表皮颜色进行推断、具有无线传输功能的水果成熟程度检测方法，其详细步骤包括： 

(1)TCS3200D模块与CC2430无线单片机组成的嵌入式无线采集终端设备安装在水果枝条上，嵌入式无线采集终端放在水果旁，用于收集水果的颜色参数和所处环境的温度参数。 

(2)TCS3200D模块的输出的是频率值，需通过CC2430无线单片机设置计数器方式采集频率值，得到R、G、B颜色参数，与白平衡所得出的三个调整参数进行对比分析，实现颜色的识别。 

(3)CC2430无线单片机内部集成的温度传感器输出的是模拟信号，经调理、模数转换成数字信号，再经过误差补偿处理，得到温度参数。结合颜色参数，综合分析，可以预测水果成熟快慢的趋势。 

(4)嵌入式无线采集终端、Zigbee路由器由两节1.5V电池供电，路由器安装在几个嵌入式无线采集终端几何中心线上，这样可以减少路由器的数量和提高路由器的转发信息的效率。 

(5)Zigbee协调器安装在控制主机，通过串口与控制主机连接，负责整个系统网络的组网，并向控制主机提供植物水果成熟度信息和嵌入式无线采集终端和Zigbee路由器的运行情况。 

本发明公开的水果成熟度监测和趋势预测方法，采用成本低廉、分辨率高的颜色传感器，基于Zigbee技术，采用CC2430无线单片机具有功耗小、体积小、处理能力强大、执行效率高等优点，该检测方法真正实现了低成本、低功耗，实用性强，并具有较好稳定性和强大的可扩展性。特别适合应用于无线传感器监测领域，该方法及相关系统在水果成熟度监测的应用，将大大提高现代农业的自动化水平，有效降低果农管理成本，应用前景广阔。 

本发明相对现有技术具有如下的优点和有益效果： 

(1)通过应用颜色传感器TCS3200D测量植物水果的R、G、B参数，实现了不同温度环境下对水果成熟度实时监测； 

(2)TCS3200D模块输出为频率值，本发明使用频率测量。使用频率测量、脉冲计数或综合技术可获得最大的分辨率和精度；非常适于缓慢变化或连续的光信息，并且适于读取超过短周期定时的平均光信息； 

(3)使用Zigbee技术进行无线组网通信，ZigBee技术是一种易布建低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池维持6个月到数年的工作时间。Zigbee模块使用CC2430无线单片机作为主控制器，由TCS3200D模块和CC2430组成的嵌入式无线采集终端小巧轻便，无需连线，只需两节电池，检测装置可以方便挂置在水果旁边； 

(4)使用颜色传感器对水果表皮颜色信息采集，温度传感器对所处环境温度采集，方便控制主机进行智能化分析处理，主要是因为所处的温度大环境(地方气候)不同，水果的成熟快慢不同，方便及时提醒用户采集，防止水果因太熟跌落、腐化，可以做到水果成熟快慢趋势预测。 

(5)基于市场供应的和气候的变化，采摘成熟度标准差异，用户可以设定水果成熟度程度进行报警通知。检测器会不定时向控制主机发送检测结果，无需操作人员亲自到农田或山地工作。 

(6)CC2430是一款结合高性能2.4GHz直接序列扩频射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器，内部集成有温度传感器和8通道的8-14位ADC，可以减少外部接口和电路，可以把检测装置做得更加小巧。 

(7)该检测器设备体积小，传输可靠性高，安全高，节点功耗低，监测区域大等优点，且无需钻孔布线，使整个监测系统更灵活有效。 

(8)Zigbee协调器、路由器和嵌入式无线采集终端可以组成树形网络和星形网络，方便现代农业大规模生产和管理。 

附图说明

图1测量装置模块安装示意图； 

图2无线网络传输示意图； 

图3CC2430接口电路； 

图4颜色传感器连接原理图； 

图5系统硬件结构图； 

图6主控模块外围接口电路，6(a)触摸屏接口电路，6(b)RS232接口电路，6(c)电源电路； 

图7颜色传感器TCS3200D控制流程图； 

图8嵌入式无线采集终端程序流程图； 

图9Zigbee协调器程序流程图。 

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。 

参阅图2：TCS3200D模块和CC2430无线单片机组成嵌入式无线采集终端安装于水果树的枝条上，嵌入式无线采集终端的安装要求：颜色传感器的滤波器窗口面向水果一侧，与水果中心成一条直线。 

参阅图3：为本发明所述一种基于颜色传感器的水果成熟度检测方法采用的系统整体布局图，包括嵌入式无线采集终端(1)、Zigbee路由器(2)、Zigbee协调器(3)、控制主机(4)，其中嵌入式无线采集终端(1)安装于水果树的枝条上，Zigbee路由器(2)安装于三个嵌入式无线采集终端(1)组成的几何中心线上；Zigbee协调器(3)安装在控制主机(4)，通过串口模块(9)与ARM处理器(10)连接；Zigbee协调器(3)与嵌入式无线采集终端(1)通过无线射频实现双向通信。 

参阅图6：本发明涉及的水果成熟度检测方法硬件系统，嵌入式无线采集终端(1)包含颜色传感器模块(5)、调理单元(6)、CC2430无线单片机(7)和电源(8)。 CC2430无线单片机(7)集成有AD转换接口(11)和温度传感器(12)。温度传感器(12)输出模拟信号，颜色传感器模块(5)与调理单元(6)电气连接；调理单元(6)用于对输入颜色参数信号进行滤波和调压，调理单元(6)与CC2430无线单片机(7)相互连接，该信号为频率脉冲。CC2430无线单片机(7)片上集成无线收发电路和单片机，用于进行传感信息采集、运算；电源(8)是为颜色传感器模块(5)、调理单元(6)和CC2430无线单片机(7)提供直流电源(两节1.5V电池)。Zigbee路由器(2)包含CC2430无线单片机(7)和电源(8)。CC2430无线单片机(7)集成有AD转换接口(11)和温度传感器(12)。Zigbee协调器(3)包括CC2430无线单片机(7)，串口模块(13)。控制主机(4)包含Zigbee协调器(3)、ARM处理器(14)、第二电源(15)、液晶屏(16)、触摸屏(17)、RS232接口(18)。Zigbee协调器(3)与Zigbee路由器(2)实现通信的功能，Zigbee协调器(3)通过串口模块(9)与ARM处理器(14)相互连接。第二电源(15)为Zigbee协调器(3)、ARM处理器(14)及人机交互单元(20)提供直流电源。人机交互单元(20)包含液晶屏(16)、触摸屏(17)、RS232接口(18)；液晶屏(16)用于输出显示ARM处理器(14)的输出信息，包括水果成熟度、节点能量、成熟趋势等参数变化。触摸屏(17)用于设置参数、查询数据；RS232接口(18)用于提供其他设备访问控制主机(4)的接口；颜色传感器模块(5)采用TCS3200D。 

本发明涉及的水果成熟度监测的硬件系统，采用C语言编制各相应处理程序，其工作流程包括：1)颜色传感器(5)输出的R、G、B颜色脉冲信号，经调理单元(6)信号调理后，经CC2430无线单片机(7)处理得出植物水果颜色。CC2430无线单片机(7)可以通过驱动自检信号对自身能量EQ进行自检，得出节点能量值，方便提醒果农进行电池更换和节点工作状态的分析。2)CC2430无线单片机(7)对信号进行数字滤波、补偿及得出植物水果的颜色参数值，环境温度值；CC2430无线单片机(7)内部无线收发电路按照一定的通信协议将数据发射输出到附近的Zigbee路由器(2)，Zigbee路由器(2)通过转发把信息传送到Zigbee协调器(3)，Zigbee协调器(3)通过串口模块(13)发送信息到控制主机(4)，同时通过该Zigbee协调器(3)串口可接收控制主机(4)发送过来的命令；3)ARM处理器(14)的任务：①接收水果颜色参数和温度参数信息；②各个节点能量信息；③通过Zigbee协调器(3)向颜色传感器模块(5)发送命令；④对接收到的来颜色传感器模块(5)和温度传感器(12)发送过来的RGB数据、温度数据，经数据融合计算分析得植物成熟度和植物成熟 度趋势预测；⑤通过控制液晶屏(16)输出显示植物水果成熟度信息、成熟快慢趋势预测信息、节点能量信息等；⑥处理触摸屏(17)触发的中断并进行参数设置及历史查询等操作；⑦建立用于存储相关水果成熟度数据及历史温度数据的电子数据表格以供其他外部设备通过RS232接口(18)访问。 

Claims (3)

1.一种基于颜色传感器的水果成熟度检测方法，其特征在于：

(1)颜色传感器模块(TCS3200D)用于获取水果表皮颜色，典型输出频率范围为2Hz～500kHz，用户可通过两个可编程引脚来选择100％、20％或2％的输出比例因子。当用TCS3200D识别颜色前，需要测出白平衡所对应的红色、绿色和蓝色的值，然后就可计算出需要的3个调整参数。

(2)通过设置定时器为一固定时间(例如10ms)，然后选通三种颜色的滤波器，计算固定时间内TCS3200D的输出脉冲数，计算出一个比例因子，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所对应的R、G和B的值。

(3)水果表皮颜色变化使得颜色传感器的输出频率发生变化，输出频率分频比由两个逻辑输入S0和S1控制，选择合适的分频比，使用无线单片机CC2430内部定时器的计数模式，测出频率值，识别颜色的变化。

(4)无线单片机CC2430自身集成的温度传感器采集温度参数并通过集成8-14位的AD模数转换器转换成数字值，由于CC2430片内温度传感器检测到的是芯片温度，用于测量外部环境时受到许多外界因素的影响，需要进行误差补偿。计算公式如下：

K＝V₁-(T_f*T+V₀)

其中K：误差补偿值；V₁：25℃时的电压值；V₀：0℃时的输出电压值；T_f：温度系数，T_f＝2.45(适合于-20℃～+80℃)；T：当前温度值。

参考电压采用内部1.25V电压，n为数字量输出位数，D₀为输出数字量，T₀为输出温度值，最后实际温度公式为：

$T_0=\frac{\frac{1250}{2^{n-1}-1}{D}_0-(743+K)}{2.45}$

水果所处的温度环境，作为预测水果成熟快慢的因素之一。

(5)由TCS3200D和CC2430无线单片机组成嵌入式无线采集终端设备，通过Zigbee模块组成的路由器的转发到Zigbee协调器，Zigbee路由器可以实现对嵌入式无线采集终端设备采集的颜色参数和温度参数进行转发，路由器和嵌入式无线采集终端设备组成树形网络，终端设备可以放置划分的片区，实现信息数据无线、低功耗、远距离的传输。

(6)Zigbee路由器、嵌入式无线采集终端设备功耗低，由2节1.5V干电池供电，CC2430无线单片机可以检测自身能量供应，通过无线发送能量信息进行电池能量信息反馈，果农可以通过控制主机的人机交互单元了解设备的能量情况，并及时替换已经耗尽的电池。

2.如权利要求1所述的方法，将上述颜色参数，温度参数进行融合、分析能够对水果的成熟度进行评判。

3.如权利要求1所述的方法，所述嵌入式无线采集终端安装在水果树枝条上，放在水果的旁边，避免外界光线的干扰，提高颜色分辨率和误差。

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