CN110892262A - 果实生长发育监视系统和果实生长发育监视方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种果实生长发育监视系统和监视方法。系统(1)包括：激振器(10)，其对位于植物所长的果实(P1)和茎部(P2)之间的果柄(P3)或枝杈(P4)施加规定的振动；振动传感器(11)，其对果柄(P3)或枝杈(P4)因激振器(10)施加的振动而产生的振动进行检测；以及检测部(12)，其基于振动传感器(11)检测出的振动的频率来检测果实(P1)的重量或重量变化。

Description

果实生长发育监视系统和果实生长发育监视方法
技术领域
本公开涉及对植物体所长的果实的生长发育状况进行监视的果实生长发育监视系统和监视方法。
背景技术
正在尝试使用IOT(Internet of Things(物联网))等信息通信技术来谋求农业高效化。提出有各种用于判断果实的收获期、成熟度的技术。
专利文献1中公开了一种收割机，其用相机对草莓等果实进行拍摄，并根据着色率来判断是否到了收获期。
专利文献2公开了一种装置，其测量西瓜或哈密瓜等果实的直径，并且通过敲击对果实施加振动以引起共振，并从利用振动传感器检测出的振动中提取二次共振频率，从而判断成熟度。
专利文献
专利文献1：日本特开2008－206438号公报
专利文献2：日本特开2006－300724号公报
发明内容
然而，在专利文献1那种使用图像的方法中，由于图像的数据量大，因此，从相机向配置于边缘(Edge)或云端(cloud)的分析部传送数据就成为了瓶颈。
对于专利文献2那样对果实进行敲击的方法，如果在生长发育过程中反复进行，则可能会损伤果实。
果实的生长发育过程包括果实体积增大的体积增大过程，体积增大过程之后具有果实成熟的成熟过程。上述专利文献1、2都是用来判断成熟过程的生长发育状况的技术。另一方面，期待一种在体积增大过程中检测果实的体积增大状况的技术。
本公开是着眼于这一课题而完成的，其目的在于提供一种监视体积增大过程中的果实的生长发育状况的果实生长发育监视系统和监视方法。
本公开的果实生长发育监视系统包括：
激振器，其对位于植物所长的果实和茎部之间的果柄或枝杈施加规定的振动；
振动传感器，其对所述果柄或枝杈因所述激振器施加的振动而产生的振动进行检测；以及
检测部，其基于所述振动传感器检测出的振动的频率来检测所述果实的重量或重量变化。
根据这样的系统，由于并非对果实直接进行敲击，因此能够反复进行检查，从而能够监视果实每天的生长发育状况。此外，由于使用的是振动传感器的信号，而非图像数据，因此数据量小，即使在没有高速线路的环境下也能构建系统。此外，由于振动的频率随着果实的体积增大而变化，因此，能够基于频率来检测重量变化。或者，能够根据振动的频率来检测果实重量。
因此，能够提供一种果实生长发育监视系统和监视方法，能够对伴随果实体积增大而产生的果实的重量变化或者果实的重量进行监视，从而监视体积增大过程中的果实的生长发育状况。
附图说明
图1是表示本实施方式的果实生长发育监视系统的结构的概略图。
图2是关于与图1所示植物不同的植物的说明图。
图3是关于振动的的频率变化的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本公开的实施方式。
如图1所示，本实施方式的果实生长发育监视系统1对伴随果实P1的体积增大而产生的果实P1的重量变化进行监视。对于作为监视对象的果实，例如可举出番茄、黄瓜、茄子、西葫芦(zucchini)、哈密瓜等各种果蔬类；葡萄、桔子、苹果等各种水果类。系统1包括：激振器10、振动传感器11和检测部12。
激振器10和振动传感器11安装于植物。激振器10和振动传感器11既可以各自利用粘接剂或胶带等直接安装于植物，也可以像本实施方式这样间接安装于植物。即，在本实施方式中，为了易于安装，将激振器10和振动传感器11安装于单元构件14。这是因为，只要将单元构件14安装于植物，即可将激振器10和振动传感器11一并设置于植物。单元构件14优选由塑料、橡胶、金属等或者它们的组合材料形成。对于将单元构件14安装于植物的方法，既可以使用粘接剂或胶带，也可以设置夹住植物的夹持机构。还可以构成为：将单元构件14形成为长条状，并将至少2处以上安装于植物，从而将单元构件14用作对植物进行支承的支承物。
如图1和图2所示，在植物所长的果实P1和茎部P2之间存在枝杈P4或果柄P3，激振器10对枝杈P4或果柄P3施加规定的振动。在图1的例子中，是对连接果实P1和茎部P2的枝杈P4施加振动。图1的例子为番茄，多个果实P1聚集在一起形成一个集合体，这种集合体称为果串。如图1的例子所示，在多个果实P1形成果串时，优选激振器10对枝杈P4施加振动，更优选对虚线所示的枝杈P4的根基部分，即对枝杈P4的靠近茎部P2的部位施加振动。通过对连接着果串的枝杈P4施加振动并进行检测，能够对整个果串进行计量，而非仅对一个果实P1进行计量。当然，在多个果实P1形成果串时，也可以从激振器10对各果柄P3施加振动。
在番茄以外的例子中，也存在图2所示的那种形态，在茎部P2上长有枝杈P4，在枝杈P4上经由果柄P3结有果实P1。在该情况下，激振器10施加振动的部分可以是果柄P3，也可以是枝杈P4，但优选是虚线所示的果柄P3的根基部分或枝杈P4的根基部分。果柄P3的根基部分是指果柄P3的靠近枝杈P4的部分，枝杈P4的根基部分是指枝杈P4的靠近茎部P2的部分。
作为激振器10，只要能对枝杈P4或果柄P3施加规定频率的振动即可，可以使用各种设备。例如，可以考虑利用电磁线圈激振器、各种马达进行激振；使用锤子等直接进行敲击的方法等。
振动传感器11对枝杈P4或果柄P3因激振器10施加的振动而产生的振动进行检测。在本实施方式中，使用了将振动转换为电信号的应变仪，但不限定于此。例如，可举出压电元件、静电电容式传感器等。激振器10施加激振的位置和振动传感器11进行检测的位置可以相同，也可以不同。在本实施方式中，因为考虑作业性而用单元构件14将激振器10和振动传感器11一体化地安装在了植物上，因此，激振器10施加激振的位置和振动传感器11进行检测的位置大致相同。
在像图1的例子所示那样，多个果实P1形成果串，想计量整个果串的重量时，更优选：振动传感器11对虚线所示的枝杈P4的根基部分，即枝杈P4的靠近茎部P2的部位的振动进行检测。在像图2的例子所示那样，果实P1未形成果串时，优选振动传感器11对虚线所示的果柄P3的根基部分或枝杈P4的根基部分的振动检测检测。当在枝杈P4的靠近茎部P2的部位或果柄P3的靠近枝杈P4的部位计量振动时，计量是在振动波节的部分进行的，因此，能够计量到较大的应变，从而能够提高信号的S/N比。
检测部12基于振动传感器11所检测出的振动的频率来检测果实P1的重量变化。这是因为，随着果实P1的体积增大，频率会有所变化。具体而言，假想一种振动模型，其包括：茎部或枝杈等基座、基端连接于基座的梁(枝杈或果柄)以及连接于梁的前端的重物即果实。对梁施加的振动根据振动特性而变化，且被检测为整个梁的振动。该振动特性根据包括重物在内的整个梁的重量而变化。即，梁的振动频率根据包括重物在内的整个梁的重量而变化。若重物的重量增加，则振动频率下降。检测部12对振动的随着时间轴而变化的振幅数据进行傅里叶变换，提取频率。也可以进行FFT(fast Fourier transform：快速傅里叶变换)分析而分离为多个频率分量。
图3是表示在体积增大过程中的某一时刻t0、t1、t2施加规定振动时的频率波形的概念图。图3表示频谱，横轴表示频率，纵轴表示频率分量的强度。在图3中，用实线表示在时刻t0对梁施加规定振动时的波形，用单点划线表示在从时刻t0进一步经过某段时间的另一时刻t1施加规定振动时的波形，用虚线表示从时刻t1进一步经过了某段时间的另一时刻t2施加相同的规定振动时的波形。如图3所示，在体积增大过程的某一时刻t0施加规定振动时，得到某一频率F0的振动。在进一步经过了某段时间的另一时刻t1施加相同的规定振动时，得到频率进一步降低了的频率F1的振动。在进一步经过了某段时间的另一时刻t2，得到频率进一步降低了的频率F2的振动。即，能够检测多次振动，并基于各次振动的频率的变化量来检测重量变化。
为了便于说明，图3中简化了波形。作为一个例子，将强度最高的频率表示为F0、F1、F2，为了确定强度最高的频率，也可以进行多次测定，并对多次的计量结果实施统计处理。统计处理可以举出去除异常值、计算平均值等处理。此外，在将施加规定振动并对检测出的振动的频率进行计量的过程设为1次测定时，关于规定振动，既可以每次都相同，也可以在每次测定时改变规定振动的振动特性。
需要说明的是，即使果柄P3和枝杈P4在风等外因的作用下摆动，也能与激振器10施加的规定振动区别开来。对于激振器10施加的规定振动来说，优选的波形是振动传感器11所检测出的振动的频率分量为单峰(参照图3)那样的波形。作为规定振动，可以考虑至少1个脉冲的短波形。
如图1所示，系统1可以进一步设有生长发育状况判断部13。在单位期间的频率变化量变为规定值以下时，生长发育状况判断部13判断为观测对象即果柄P3或枝杈P4上结出的果实P1从体积增大过程进入成熟过程。在单位期间的频率变化量并非规定值以下时，判断为果实尚未进入成熟过程。单位时间的频率变化例如可以通过|F0－F1|/|t0－t1|来算出。需要说明的是，也可以省略生长发育状况判断部13。
在本实施方式中，如图1所示，检测部12和生长发育状况判断部13安装于远程计算机17，远程计算机17设置于云端、远程数据中心等。为了将振动传感器11的信号传送到远程计算机17，设有：无线发送振动传感器11的信号的发送机15；和接收发送机15的信号的接收机16。利用接收机16接收到的振动传感器11的信号经由因特网线路等通信线路NW而传送到远程计算机17。
在本实施方式中，检测部12和生长发育状况判断部13安装于发送机15的电波无法达到的远程计算机17，但不限定于此。例如，也可以在种植棚内或种植棚周边的能够进行无线通信的范围(种植空间)内配置服务器，并将检测部12和生长发育状况判断部13安装于该服务器。
综上，本实施方式的果实生长发育监视系统包括：
激振器10，其对位于植物所长的果实P1和茎部P2之间的果柄P3或枝杈P4施加规定的振动；
振动传感器11，其对果柄P3或枝杈P4因激振器10施加的振动而产生的振动进行检测；以及
检测部12，其基于振动传感器11检测出的振动的频率来检测果实P1的重量变化。
本实施方式的果实生长发育监视方法包括以下步骤：
用激振器10对位于植物所长的果实P1和茎部P2之间的果柄P3或枝杈P4施加规定的振动；
用振动传感器11对果柄P3或枝杈P4因激振器10施加的振动而产生的振动进行检测；以及
基于振动传感器11检测出的振动的频率来检测果实的重量变化。
根据这样的系统和方法，由于并非对果实P1直接进行敲击，因此能够反复进行检查，从而能够监视果实P1每天的生长发育状况。此外，由于使用的是振动传感器的信号而非图像数据，因此数据量小，在没有高速线路的环境下也能构建系统。此外，由于振动的频率随着果实P1的体积增大而变化，因此能够基于频率来检测重量变化。
因此，能够提供一种果实生长发育监视系统和监视方法，其能够监视果实P1伴随体积增大而产生的重量变化，从而监视体积增大过程中的果实的生长发育状况。
在本实施方式的系统和方法中，检测多次振动，基于各次振动的频率的变化量来检测重量变化。
由于果实重量随着果实的体积增大而增加，因此对于多次检测出的振动来说，检测时刻越靠后，振动的频率越低。因此，能够基于各次振动的频率的变化量来检测果实P1的重量变化。
本实施方式的系统包括生长发育状况判断部13，在单位期间的频率变化量变为规定值以下时，该生长发育状况判断部13判断为果实已从体积增大过程进入成熟过程。
本实施方式的方法包括如下步骤：在单位期间的频率变化量变为规定值以下时，判断为果实从体积增大过程进入成熟过程。
在体积增大过程中，果实P1体积持续增大，因此，与成熟过程相比，重量增加速度快。伴随重量增加，频率持续减小，因此，在体积增大过程中，单位期间的频率变化量相对较大。若体积增大过程结束，则重量增加速度放慢，其结果是频率的下降也随之放缓，单位期间的频率变化量相对变小。因此，能够根据单位期间的频率变化量变为规定值以下，而判断为果实从体积增大过程进入成熟过程。
在本实施方式的系统和方法中，激振器10和振动传感器11固定于单元构件14，借助单元构件14而安装于果柄P3或枝杈P4。
这样，由于激振器10和振动传感器11安装于单元构件14，因此只要将单元构件14安装于植物，即可设置激振器10和振动传感器11，易于向植物安装激振器10和振动传感器11。
以上，基于附图说明了本公开的实施方式，但应注意，本公开的具体结构不限定于这些实施方式。本公开的范围不是仅由上述实施方式的说明界定，而是由权利要求书界定，而且包括与权利要求书等同意义和范围内的所有变更。
在上述实施方式中，检测部12是基于振动传感器11所检测出的振动的频率来检测果实P1的重量变化的，但不限定于此。例如，检测部12也可以基于振动传感器11检测出的振动的频率来检测果实P1的重量本身。作为具体的一个例子，预先设定将振动的频率和果实重量关联起来的重量信息，由检测部2参照重量信息，将振动传感器11检测出的振动的频率所对应的重量检测为果实重量。
这样一来，不用直接敲击果实即可检测出果实的重量。
附图标记说明
1：果实生长发育监视系统；10：激振器；11：振动传感器；12：检测部；13：生长发育状况判断部；14：单元构件；P1：果实；P2：茎部；P3：果柄；P4：枝杈。

Claims (5)

1.一种果实生长发育监视系统，其中，
所述果实生长发育监视系统包括：
激振器，其对位于植物所长的果实和茎部之间的果柄或枝杈施加规定的振动；
振动传感器，其对所述果柄或枝杈因所述激振器施加的振动而产生的振动进行检测；以及
检测部，其基于所述振动传感器检测出的振动的频率来检测所述果实的重量或重量变化。
2.根据权利要求1所述的果实生长发育监视系统，其中，
检测多次振动，基于各次振动的频率的变化量来检测重量变化。
3.根据权利要求1或2所述的果实生长发育监视系统，其中，
该系统还包括生长发育状况判断部，在单位期间的频率变化量变为规定值以下时，所述生长发育状况判断部判断为果实从体积增大过程进入成熟过程。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的果实生长发育监视系统，其中，
所述激振器和所述振动传感器固定于单元构件，借助所述单元构件而安装于所述果柄或所述枝杈。
5.一种果实生长发育监视方法，其中
所述果实生长发育监视方法包括以下步骤：
用激振器对位于植物所长的果实和茎部之间的果柄或枝杈施加规定的振动；
用振动传感器对所述果柄或枝杈因所述激振器施加的振动而产生的振动进行检测；以及
基于所述振动传感器检测出的振动的频率来检测所述果实的重量或重量变化。
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