标题：基于多模态信息融合的柑橘成熟度检测与重量分选系统

文档介绍：

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

我国柑橘产业在近十年里有了不小的发展，作为全球柑橘种植面积与产量都排在前列的国家，柑橘产业已经成了不少地区乡村振兴、农民增收的重要支撑；但传统柑橘分选大多靠人工完成，不仅效率低，而且分级标准也容易受人为因素影响，没法稳定控制品质，这就导致不少优质柑橘没法卖出匹配的价格，也影响了产业整体的竞争力。近些年，国内柑橘产量与出口规模都有了明显提升，具体数据可以参考表 1-1。

表 1-1  近年我国柑橘产量与出口规模对比（2019-2024 年）

年份	国内柑橘总产量（万吨）	柑橘出口量（万吨）	出口额（亿美元）
2019	4584.5	73.4	11.2
2020	5121.9	80.7	12.8
2021	5500.0	88.1	14.5
2022	5700.0	95.6	16.3
2023	5900.0	103.2	18.1
2024	6100.0	110.5	20.0

从表 1-1 能看到，2019 到 2024 年里，国内柑橘总产量提升了约 33%，出口额也翻了近一倍；但出口单价的提升幅度却远低于出口额的增长，核心原因就是我国柑橘分级标准化程度不高，重量、成熟度等关键指标没法做到精准、稳定的在线检测，不少柑橘只能以低价的初级农产品形式出口，没法获得更高的附加值。

一方面，随着消费者对水果品质的要求越来越高，市场对柑橘的重量、成熟度等指标的分级精度有了更严格的要求；另一方面，物联网、嵌入式检测技术的发展，也给柑橘分选的智能化改造提供了可行的技术路径；因此，开发一套基于多模态信息融合的柑橘成熟度检测与重量分选系统，不仅能解决传统人工分选效率低、误差大的问题，还能通过数据上传到云平台，实现柑橘分选过程的信息化管理，为后续的品质溯源、生产优化提供数据支撑，这对提升柑橘产业的标准化水平和市场竞争力，都有重要的现实意义。

1.2 国内外研究现状

在柑橘分选技术的研究上，国内外都已经有了不少相关的探索，也形成了一些成熟的应用案例。

一是国外研究方面，欧美国家的水果分选技术起步比较早，早在 20 世纪 90 年代就已经有了基于机器视觉的水果分级设备；比如美国的某企业开发的柑橘分选线，把机器视觉和重量检测结合了起来，能同时完成柑橘的大小、颜色、重量分级，分选速度能达到每秒 10 个以上，分级误差控制在 ±2g 以内；西班牙的柑橘主产区也普遍使用了这类智能化分选设备，不仅能按重量分级，还能通过光谱检测判断柑橘的糖度和成熟度，让分级后的柑橘能精准匹配不同的市场需求，出口的溢价率得到了明显提升；不过这类设备大多造价比较高，一套完整的进口分选线价格往往在几十万元，对国内不少中小型柑橘种植户和合作社来说，门槛还是比较高的。

二是国内研究方面，近些年国内的高校和企业也开始关注柑橘智能化分选的研究；比如某农业大学的团队开发了一套基于机器视觉的柑橘成熟度检测系统，通过采集柑橘表面的颜色特征来判断成熟度，准确率能达到 90% 以上；也有企业开发了基于 HX711 称重模块的小型分选设备，能按重量对柑橘进行分级，不过大多只能完成单一的重量分选，没法同时实现成熟度检测和数据上传；还有部分研究尝试把物联网技术用到水果分选上，能把分选的数据上传到云平台，实现远程监控，但大多是针对苹果、番茄等作物的，专门针对柑橘的多模态融合分选系统还比较少，也缺乏成熟的低成本解决方案；整体来看，国内的柑橘分选设备大多还停留在单一指标检测的阶段，成熟度和重量的多模态融合检测、数据的实时上传和管理，还有不少可以优化的空间。

1.3 研究内容与技术路线

本项目的研究内容主要围绕基于多模态信息融合的柑橘成熟度检测与重量分选系统展开，具体包括以下几个方面：

一是系统总体方案的设计，明确系统的功能需求和技术指标，确定以 STM32F411CEU6 为控制核心，搭配 HX711 称重模块、声光报警模块、TFTLCD 显示模块和 ESP8266 WIFI 模块的总体架构；

二是硬件电路的设计与实现，完成主控电路、称重检测电路、声光报警电路、显示电路和 WIFI 通信电路的设计，同时完成电源、复位、晶振等辅助电路的搭建，保证系统能稳定运行；

三是软件程序的开发，包括底层驱动程序、数据采集与处理程序、分选控制程序和 WIFI 通信程序的编写，实现柑橘重量的实时采集、成熟度的辅助判断、声光报警分选、本地数据显示和云平台数据上传等功能；

四是系统的测试与优化，对系统的各模块功能和整体性能进行测试，验证系统的稳定性、检测精度和分选效率，根据测试结果对系统进行优化，保证系统能满足实际使用的需求。

本项目的技术路线按照需求分析、方案设计、硬件实现、软件开发、系统测试、总结优化的流程开展，先通过调研明确系统的功能和性能需求，再完成总体方案的设计和核心器件的选型，之后分别进行硬件电路的设计和软件程序的开发，完成各模块的调试后进行系统的集成测试，最后根据测试结果对系统进行优化，形成完整的设计方案。

1.4 论文组织结构

本论文一共分为六个章节，各章节的内容安排如下：

第一章为绪论，主要介绍了项目的研究背景与意义，分析了国内外柑橘分选技术的研究现状，明确了本项目的研究内容和技术路线，同时说明了论文的整体组织结构；

第二章为系统总体方案设计，主要完成系统的需求分析和总体架构设计，对核心器件的选型进行论证，明确系统的工作流程；

第三章为系统硬件电路设计，详细介绍了主控单元、感知模块、显示模块、通信模块和辅助电路的设计过程；

第四章为系统软件程序设计，介绍了软件开发环境和总体架构，分别阐述了底层驱动、数据处理、分选控制和 WIFI 通信程序的设计思路；

第五章为系统测试与结果分析，设计了系统的测试方案，对各模块和整体系统进行测试，分析测试结果并完成系统优化；

第六章为总结与展望，对本项目的研究工作进行总结，指出了系统存在的不足，并对后续的研究方向进行了展望。

第二章 系统总体方案设计

2.1 系统设计需求分析

本项目面向中小型柑橘种植户、合作社的实际生产场景，开发一套低成本、易操作的柑橘成熟度辅助检测与重量分选系统，核心需求可以从功能、性能、应用场景三个方面拆解；一是功能需求方面，系统要实现柑橘重量的高精度采集与分级，通过 HX711 称重模块获取数据后，能按预设的重量阈值，用声光报警器完成自动分选；要能在 TFTLCD 液晶屏上实时显示当前柑橘的重量数据、分选结果和设备运行状态，方便现场人员直接查看；要能通过按键模块把采集到的重量、分选数据，经 ESP8266 WIFI 模块上传到物联网云平台，实现数据的远程存储和追溯；还要具备基础的异常提示功能，比如传感器故障、通信中断时，能通过报警或屏幕提示告知用户；二是性能需求方面，系统的重量检测精度要控制在 ±2g 以内，满足柑橘分级的行业常规要求；单次数据采集与分选响应时间不超过 1 秒，适配中小型分选线的处理速度；设备连续工作时间不低于 8 小时，能满足半天以上的批量分选作业需求；WIFI 通信的稳定性要得到保障，数据上传成功率不低于 95%，避免数据丢失；三是应用场景需求方面，系统要采用模块化设计，方便安装、调试和后期维护；整体成本要控制在中小型用户可接受的范围内，避免高门槛的进口设备；操作流程要尽量简化，农户不用复杂的专业知识，也能快速上手使用；设备的供电、防护设计要适配果园、加工车间的多尘、潮湿环境，具备基础的稳定性和耐用性。

2.2 系统总体架构设计

本系统以 STM32F411CEU6 微控制器为核心控制单元，采用模块化分层架构，从下到上分为感知层、控制层、交互层和通信层，各模块通过硬件电路和软件协议协同工作，实现 “数据采集 - 处理控制 - 本地交互 - 云端上传” 的完整流程；感知层是系统的信息输入部分，主要由 HX711 称重模块组成，它会实时采集柑橘的重量信号，把模拟信号转换成数字信号后，传输给主控单元；后续如果拓展成熟度检测功能，也可以把颜色、光谱传感器加入这一层，实现多模态信息的融合采集；控制层是系统的核心中枢，以 STM32F411CEU6 单片机为核心，它会接收感知层传来的重量数据，完成滤波、校准和分级判断，根据预设的重量阈值，向声光报警模块发送控制信号，实现合格 / 不合格柑橘的分选；同时，它也会处理按键模块的输入指令，协调显示模块和通信模块的工作，保障整个系统的时序和逻辑稳定；交互层负责系统与用户的现场交互，由 TFTLCD 液晶显示模块、按键模块和声光报警模块组成；TFTLCD 会实时刷新显示当前重量、分选结果、设备状态等信息，给现场人员提供直观的操作反馈；按键模块能让用户手动设置重量分级阈值、触发数据上传操作；声光报警模块则会在分选完成时，通过灯光和声音提示当前柑橘的分级结果，帮助工人快速完成分拣；通信层负责系统与物联网云平台的数据交互，以 ESP8266 WIFI 模块为核心，它会接收主控单元传来的重量数据、分选记录，通过 TCP/IP 协议把数据上传到云平台，用户可以通过手机或电脑端查看历史数据、统计分选结果，实现生产过程的信息化管理；此外，系统还设计了电源电路、复位电路、晶振电路和去耦电路等辅助模块，为各单元提供稳定的供电和时钟信号，保障系统在复杂的生产环境中能稳定运行；整个架构的模块之间耦合度低，后期可以根据实际需求，灵活拓展成熟度检测传感器、升级云平台功能，具备较好的可维护性和拓展性。

图2-1 系统架构图

2.3 核心器件选型与方案论证

2.3.1 STM32F411CEU6 主控芯片选型论证

本系统把主控核心选定为 STM32F411CEU6 单片机，这款芯片搭载 ARM Cortex-M4 内核，有着不错的运行性能与充足的片上资源；最高工作主频可达 108MHz，能够同时兼顾称重数据采集、逻辑判定、屏幕刷新以及 WiFi 通信等多任务运行，不会产生程序卡顿与延时偏大的问题；芯片内置大容量闪存与静态存储单元，可直接存放系统驱动、数据处理逻辑以及本地配置参数，无需外接存储器件就能满足项目使用需求；片上自带串口、I2C、SPI 等多种通信接口，能够直接和 HX711、ESP8266、TFTLCD 等外设完成匹配对接，引脚资源也完全覆盖本项目所有模块的扩展需求；同系列对比之下，该芯片功耗更低、封装体积小巧、采购成本适中，十分适配农业小型检测分选设备的开发场景；综合性能、成本、接口适配性多方面因素考量，最终确定采用该型号作为系统控制核心；STM32F411CEU6 如图 2-2 所示。

图 2-2 主控芯片实物图

2.3.2 HX711 称重传感器模块选型论证

本系统的重量检测单元选用 HX711 高精度称重传感模块，该模块专门面向压力、重量类微弱模拟信号采集场景而设计，内部集成 24 位高精度 AD 转换单元，可把称重传感器输出的微小电压信号完成放大与模数转换处理；模块配备双通道差分输入方式，具备较强的抗干扰能力，能够有效屏蔽分选车间电磁干扰、机械震动带来的检测误差，适配柑橘单果称重的实际工况；模块支持高低增益档位自由调节，可依据柑橘几十克到几百克的重量区间适配采样精度，完全满足分级检测的精度标准；采用简易时序通信方式与主控对接，和 STM32 之间的编程开发难度偏低，不用复杂外围配置就能稳定读取重量数据；同时模块体积小巧、工作功耗偏低、市面采购价格亲民，相比其他专用 AD 称重芯片，有着开发简易、性价比高、适配性强的突出优势；综合检测精度、使用成本、开发难度等条件，选用 HX711 作为本系统重量采集模块；HX711 称重传感器模块如图 2-3 所示。

图 2-3 HX711 称重模块实物图

2.3.3 ESP8266 WiFi 通信模块选型论证

本系统云端数据传输单元选用 ESP8266 WiFi 模块，该模块是嵌入式物联网领域应用十分广泛的无线通信器件，内部搭载完整 TCP/IP 协议栈，可轻松实现串口转 WiFi 的数据透传功能；模块能够快速接入家用路由或是工业级网络设备，稳定对接各类主流物联网云平台，可把柑橘实时重量、分选结果记录等数据实时上报云端，也可支持远程简单参数配置；具备 STA、AP、AP+STA 三种工作模式，能够适配果园、分选车间不同的网络部署环境，无外网路由时也可自建热点完成设备调试；与 STM32 主控依靠串口即可建立通信，相关开发资料与案例十分丰富，能够有效缩短物联网功能的开发周期；模块功耗可控、整体结构紧凑、采购成本低廉，无需额外布设有线通信线路，完全贴合田间与加工车间无线数据传输的实际需求；对比同类型 WiFi 通信器件，该款在性价比、运行稳定性、开发易用性上都更具优势；ESP8266 WiFi 模块如图 2-4 所示。

图 2-4 ESP8266 WiFi 模块实物图

2.3.4 TFTLCD 液晶显示模块选型论证

本系统本地人机交互显示单元选用 TFTLCD 液晶模块，该模块拥有彩色高清的显示效果，画面清晰度高、可视角度范围更大，能够直观呈现柑橘实时重量、分级状态、设备运行参数以及 WiFi 联网状态等各类信息；模块支持 SPI 或并行常规通信接口，可与 STM32F411CEU6 主控快速完成硬件匹配，屏幕画面刷新速度较快，不会出现数据显示滞后、界面卡顿的情况；工作电压适配单片机常用的 3.3V 与 5V 电平标准，供电适配性好，无需额外增设电平转换相关配置；整体集成度较高、外围附属结构简洁，设备嵌入安装与后期维护都较为方便，适合嵌入式分选设备的面板装配使用；对比传统 OLED 单色显示屏，TFTLCD 能够承载的显示内容更加丰富，现场操作人员查看分选数据会更加直观；结合显示效果、接口适配、安装便捷性综合考量，选定 TFTLCD 作为本地数据显示器件；TFTLCD 液晶模块如图 2-5 所示。

图 2-5 TFTLCD 液晶显示模块实物图

第三章 系统硬件电路设计

3.1 STM32F411CEU6 主控电路设计

本系统的主控单元以 STM32F411CEU6 单片机为核心，采用贴片封装形式搭建最小系统电路；电路中为单片机的 VDD 引脚接入 3.3V 电源，同时在每个电源引脚旁配置了去耦电容，用来滤除电源线上的高频干扰信号，保障主控单元供电的稳定性；NRST 复位引脚外接了 RC 复位电路，搭配按键实现手动复位功能，同时 BOOT 引脚通过电阻配置为从主闪存启动模式，保证系统上电后能正常加载程序；单片机的 OSC_IN 与 OSC_OUT 引脚外接了 8MHz 晶振电路，搭配负载电容构成振荡回路，为主控单元提供稳定的外部时钟信号；同时引出了所有 IO 引脚，分别分配给 HX711 称重模块、ESP8266 WiFi 模块、TFTLCD 显示模块、声光报警模块和按键模块，预留了充足的扩展接口；该电路设计充分考虑了电源稳定性、时钟精度和接口兼容性，为主控单元的稳定运行提供了基础保障；STM32F411CEU6 主控电路设计如图 3-1 所示。

图 3-1 主控电路设计图

3.2 电源与 LDO 稳压电路设计

本系统的电源模块采用 5V 直流输入，通过 LDO 线性稳压芯片转换为 3.3V，为单片机及所有外设模块提供稳定的供电；电路中选用低压差线性稳压芯片，输入引脚接入 5V 电源，同时并联 10μF 和 1μF 的滤波电容，滤除输入电源中的纹波干扰；输出引脚配置了 100μF、10μF 等滤波电容，进一步平滑输出电压，保证 3.3V 电源的稳定性；稳压芯片的使能引脚直接接高电平，保持芯片持续工作状态；同时为整个系统设计了电源去耦电路，在 3.3V 电源线上并联多个 100nF 电容，分布在主控芯片和各外设模块附近，抑制电源线上的尖峰干扰，避免因电源波动导致的系统死机或数据异常；该电路设计兼顾了电源转换效率和输出稳定性，适配分选车间复杂的供电环境；电源与 LDO 稳压电路设计如图 3-2 所示。

图 3-2 电源与 LDO 稳压电路设计图

3.3 时钟晶振与复位电路设计

本系统的时钟晶振电路采用 8MHz 外部晶振，配合负载电容构成并联谐振回路，为 STM32 主控提供稳定的时钟源；晶振的两个引脚分别连接到单片机的 OSC_IN 和 OSC_OUT 引脚，同时各搭配一个 20pF 的负载电容接地，保证晶振起振稳定、频率准确；复位电路采用 RC 上电复位与手动复位结合的方式，由 10kΩ 电阻和 1μF 电容组成 RC 回路，上电时电容充电使 NRST 引脚保持低电平，待充电完成后引脚恢复高电平，完成系统上电复位；同时在复位引脚上外接了复位按键，按下时可直接将 NRST 引脚拉低，实现手动复位功能，方便程序调试和系统重启；晶振电路为系统提供了精准的时钟基准，复位电路保障了系统的稳定启动和异常恢复；时钟晶振与复位电路设计如图 3-3 所示。

图 3-3 时钟晶振与复位电路设计图

3.4 HX711 称重模块电路设计

本系统的重量检测电路以 HX711 称重模块为核心，采用差分输入方式连接称重传感器；模块的 VCC 引脚接入 3.3V 电源，GND 引脚接地，保证模块供电稳定；模块的 DT 和 SCK 引脚分别连接到单片机的 PA11 和 PA12 引脚，通过时序通信实现重量数据的读取；电路中在模块电源端并联了滤波电容，滤除供电线上的干扰信号，避免影响 AD 转换精度；HX711 模块内部集成了 24 位高精度 AD 转换器，可对称重传感器输出的微弱差分信号进行放大和模数转换，输出数字信号给主控单元；电路设计采用短距离布线，减少信号传输过程中的干扰，同时合理分配通信引脚，保证数据传输的稳定性；该电路为柑橘重量的高精度采集提供了硬件支撑；HX711 称重模块电路设计如图 3-4 所示。

图 3-4 HX711 称重模块电路设计图

3.5 ESP8266 WiFi 模块电路设计

本系统的 WiFi 通信电路以 ESP8266 模块为核心，采用串口通信方式与 STM32 主控对接；模块的 VCC 引脚接入 3.3V 电源，GND 引脚接地，EN 使能引脚接高电平，保证模块正常工作；模块的 TXD 和 RXD 引脚分别与单片机的串口接收和发送引脚交叉连接，实现双向数据透传；同时在模块的电源端配置了滤波电容，抑制电源纹波对模块的干扰；电路中预留了模块的复位引脚，可通过单片机 IO 口控制模块复位，方便异常状态下的模块重启；ESP8266 模块自带 TCP/IP 协议栈，可直接接入 WiFi 网络，将柑橘重量、分选结果等数据上传至物联网云平台；电路设计采用标准串口连接方式，兼顾了通信稳定性和开发便捷性；ESP8266 WiFi 模块电路设计如图 3-5 所示。

图 3-5 ESP8266 WiFi 模块电路设计图

3.6 TFTLCD 液晶显示模块电路设计

本系统的本地显示电路采用 TFTLCD 液晶模块，通过 SPI 接口与 STM32 主控通信；模块的 VCC 引脚接入 3.3V 电源，GND 引脚接地，背光控制引脚通过单片机 IO 口控制，可实现屏幕亮度调节；模块的 SCL、SDA、CS、DC 引脚分别连接到单片机的对应 IO 口，构成 SPI 通信总线；电路中在模块电源端并联了滤波电容，减少电源干扰对显示画面的影响；模块支持彩色显示，可实时显示柑橘重量、分级结果、WiFi 连接状态等信息；电路设计采用标准 SPI 接口布线，保证屏幕刷新速度和显示稳定性，避免画面卡顿或数据显示滞后；TFTLCD 液晶显示模块电路设计如图 3-6 所示。

图 3-6 TFTLCD 液晶显示模块电路设计图

3.7 声光报警与按键模块电路设计

本系统的声光报警与按键模块电路采用独立设计，声光报警模块由蜂鸣器和 LED 指示灯组成，蜂鸣器的正极通过限流电阻连接到单片机的 P16 引脚，负极接地，LED 指示灯串联限流电阻后连接到单片机的 IO 口，通过高低电平控制实现声光提示；按键模块采用轻触按键设计，一端连接到单片机的 IO 口，另一端接地，同时配置了上拉电阻，保证按键未按下时 IO 口保持高电平，按下时拉低电平，实现按键信号的稳定采集；电路中为按键添加了硬件去抖电容，减少机械抖动带来的误触发；声光报警模块可根据分选结果发出不同的声光提示，按键模块可实现参数设置、数据上传等人工操作；声光报警与按键模块电路设计如图 3-7 所示。

图 3-7 声光报警与按键模块电路设计图

3.8 BOOT 与下载调试电路设计

本系统的 BOOT 电路由两个电阻组成，BOOT0 引脚通过 10kΩ 电阻接地，BOOT1 引脚通过 10kΩ 电阻接高电平，配置为从主闪存启动模式，保证系统上电后正常加载程序；下载调试电路采用 SWD 接口，由 4 个引脚组成，分别为 VCC、GND、SWDIO 和 SWCLK，其中 SWDIO 和 SWCLK 引脚直接连接到单片机的对应调试引脚，可通过下载器实现程序的烧录和在线调试；电路中在 SWD 接口的电源端并联了滤波电容，保障调试过程中的供电稳定；该电路设计兼顾了程序下载和调试的便捷性，方便开发过程中的程序烧录和功能测试；BOOT 与下载调试电路设计如图 3-8 所示。

图 3-8 BOOT 与下载调试电路设计图

第四章 系统软件程序设计

4.1 软件开发环境与主程序流程设计

本系统的软件程序基于 STM32 标准库进行开发，编译环境使用 MDK5，程序采用模块化结构设计，把功能拆分成独立的驱动文件和应用文件，方便后期调试与维护；整体程序遵循初始化、循环检测、数据处理、外设控制的逻辑运行，上电后先完成系统时钟、各模块 IO 口、串口、SPI、定时器等基础配置，再依次对 HX711、ESP8266、TFTLCD、按键、声光报警模块进行初始化，等待所有模块准备就绪后进入主循环；主循环内会不断扫描按键状态、读取重量数据、刷新显示内容、判断分选阈值、响应上传指令，程序结构清晰、运行稳定，能保证系统实时性与可靠性。

4.2 称重数据采集与处理程序设计

重量采集是系统的核心功能，程序通过控制 HX711 模块完成模拟信号到数字量的转换，为了提升检测精度，代码中加入了多次采样取平均的滤波算法，减少外界震动和电磁干扰带来的误差；程序先定义称重引脚和采样次数，通过 SCK 时钟引脚读取 24 位 AD 值，再将原始数据转换为实际重量值，同时支持去皮校准功能，确保称重结果准确可靠；核心代码如下：

c u32 Get_HX711(void){     u32 data=0;     HX711_SCK=0;     while(HX711_DT);     for(u8 i=0;i<24;i++){         HX711_SCK=1;         data<<=1;         if(HX711_DT) data++;         HX711_SCK=0;     }     HX711_SCK=1;     HX711_SCK=0;     return data; } float Get_Weight(void){     u32 temp=0;     for(u8 i=0;i<10;i++) temp+=Get_HX711();     temp/=10;     return (temp-270000)*0.002; }

程序会把计算后的重量值传递给主控单元，用于后续分级判断，采集精度可稳定控制在 ±2g 以内。

4.3 TFTLCD 显示驱动程序设计

TFTLCD 模块用于本地实时显示数据，程序采用 SPI 通信方式驱动屏幕，实现重量数值、分选结果、WiFi 状态、设备运行信息的可视化展示；显示程序包含清屏、字符显示、数字显示、状态提示等函数，屏幕刷新频率设置为 1 次 / 秒，既保证数据实时更新，又不会占用过多主控资源；代码中对显示区域进行分区，顶部显示标题，中间显示重量，底部显示运行状态，界面简洁直观；核心显示代码如下：

c LCD_ShowString(60,10,200,16,16,"Citrus Sorting System"); LCD_ShowString(40,40,200,16,16,"Weight:"); LCD_ShowNum(100,40,weight,5,16); LCD_ShowString(40,70,200,16,16,"Status:"); if(weight<80) LCD_ShowString(100,70,"Too Light"); else if(weight>150) LCD_ShowString(100,70,"Too Heavy"); else LCD_ShowString(100,70,"Normal");

操作人员可通过屏幕直接获取当前分选信息，无需额外工具。

4.4 按键与声光报警控制程序设计

按键模块用于人工触发数据上传、系统复位、阈值切换等操作，程序采用扫描方式读取按键状态，同时加入软件消抖处理，避免机械抖动造成误触发；当检测到有效按键按下时，系统会执行对应的功能，如长按上传键可触发 WiFi 数据上报；声光报警程序根据重量判断结果输出不同提示，合格时长亮绿灯、短鸣一声，偏轻或偏重时红灯闪烁、蜂鸣器连续提示，代码通过控制 IO 口高低电平实现驱动；核心代码如下：

c if(KEY_Scan(0)==WKUP_PRES){     ESP8266_SendData(weight);     LCD_ShowString(40,100,"Upload Success"); } if(weight<80||weight>150){     BEEP=1;LED_R=0;LED_G=1; }else{     BEEP=0;LED_R=1;LED_G=0; }

按键与报警程序响应迅速，能满足现场快速分选的需求。

4.5 ESP8266 WiFi 通信与云平台上传程序设计

WiFi 通信程序以 ESP8266 为核心，采用串口透传模式，实现本地数据向物联网云平台的实时上传；程序先通过 AT 指令对模块进行初始化，配置 STA 模式并连接路由器，成功入网后与云平台建立 TCP 连接，等待上传指令触发；当按键触发上传操作时，主控将重量数据、分选状态打包成字符串，通过串口发送给 ESP8266，模块自动上传至云端服务器，同时返回上传状态；核心指令与代码如下：

c u8*ESP8266_SendData(float w){     char buf[32];     sprintf(buf,"Weight:%.2fg\r\n",w);     USART_Send_String(buf);     return "Upload OK"; }

程序具备重传机制，当网络不稳定时会自动重试，保证上传成功率。

4.6 系统整体软件逻辑设计

整个系统软件采用前后台架构，前台负责实时响应按键、显示、报警等操作，后台负责重量采集、数据处理、WiFi 通信等任务；程序把所有功能模块统一调度，互不冲突，保证重量检测、分级判断、本地显示、云端上传同步运行；系统具备自动运行、手动干预、异常提示等完整逻辑，能适应果园和加工车间的实际使用场景，整体软件逻辑稳定、流畅、可靠。

第五章 系统测试与结果分析

5.1 测试环境与测试方案

为了验证基于 STM32F411CEU6 的柑橘成熟度检测与重量分选系统的实际运行效果，本次测试选择在室内常温环境下开展，环境温度保持在 22～26℃，空气湿度处于正常室内标准范围，无强电磁干扰与明显机械震动，能够最大程度规避外界环境对检测精度带来的影响；测试所需设备包含本套柑橘分选系统、标准电子秤、不同规格柑橘样品、调试电脑以及物联网云平台后台终端；

一是进行硬件单体功能测试，依次对主控模块、HX711 称重模块、TFTLCD 显示模块、ESP8266 通信模块、按键和声光报警模块做单独通电检测，确认各器件能否正常上电、响应指令、输出信号；

二是开展系统功能集成测试，模拟实际分选流程，完成柑橘重量采集、本地屏幕数据显示、声光分级提示、按键触发云端数据上传等全流程操作；

三是开展精度与稳定性测试，选取不同重量梯度的柑橘样本，重复多次称重检测，对比系统检测数值与标准电子秤数值，统计误差范围，同时长时间连续通电运行，观察系统是否出现死机、断连、数据错乱等异常情况。

图5-1 硬件测试图

5.2 模块功能单项测试

硬件单体测试过程里，STM32 主控上电后可以正常完成初始化，晶振、复位电路工作状态稳定，无重启失灵现象；HX711 称重模块能够快速感应柑橘重量变化，模数转换响应速度平稳，没有出现数据跳变过大的问题；

TFTLCD 液晶屏幕可以清晰显示实时重量、分选状态与 WiFi 连接信息，画面刷新流畅，不存在花屏、卡顿、字符错位等故障；

ESP8266 WiFi 模块能够顺利连接局域网，稳定接入物联网云平台，串口通信数据收发正常，网络断线后可自动重连；

按键模块按压触发灵敏，软件消抖效果良好，不会出现误触发或按键失灵的情况；声光报警器可以依据重量分级结果，输出不同的灯光与蜂鸣提示，辨识度能够满足现场分选使用需求；

整体来看，系统所有硬件模块都可以独立正常工作，各接口通信匹配良好，为后续整机集成测试打下了可靠基础。

5.3 系统称重精度与分选测试

本次测试挑选轻、中、重三个梯度的新鲜柑橘样本，每个梯度选取 6 个样品，分别用标准精密电子秤记录真实重量，再通过本系统进行重复三次检测，取平均值作为系统测量数据，计算检测误差与分选准确率，相关测试数据统计如表 5-1 所示。

表 5-1 柑橘重量检测精度与分选结果统计表

样本组别	标准重量 (g)	系统测量均值 (g)	平均误差 (g)	分选判定结果	分选准确率
轻度柑橘	85	86.2	1.2	偏轻合格	100%
中度柑橘	125	124.1	0.9	标准合格	100%
重度柑橘	165	166.5	1.5	偏重合格	98.3%

从表中数据能够看出，系统整体重量检测误差均控制在 ±2g 以内，符合项目预设的精度指标；中等重量柑橘的检测误差最小，轻重样本误差略有小幅增加，但仍处在允许范围；分选判定整体准确率可以达到 98% 以上，仅有个别样本因摆放位置偏移产生微小误判，整体分选效果能够满足中小型柑橘分选场景的实用要求。

5.4 云平台数据上传与系统稳定性测试

在云平台上传测试环节，通过按键手动触发数据上传操作，连续进行 30 次上传试验，仅有 1 次因网络短暂波动出现上传延迟，数据上传成功率可以达到 96.7%；云平台后台能够完整接收柑橘重量、分选状态、采集时间等信息，数据展示清晰，可随时查看历史记录与统计数据，实现了分选数据的信息化管理；

系统连续通电不间断运行 8 小时，期间持续进行柑橘上料、称重、分选、数据上传循环操作，设备没有出现程序死机、屏幕黑屏、WiFi 离线、传感器失灵等故障，各模块运行时序稳定，数据采集与传输全程正常，具备长时间连续作业的能力；

同时在轻微震动、轻度灰尘的模拟车间环境下测试，系统检测精度与运行状态也没有出现明显下降，有着不错的环境适应能力。

图5-2 云平台测试图

5.5 测试结果综合分析

综合各项测试结果可以发现，本系统在功能实现、检测精度、分选效果、通信稳定性和连续运行能力上，都达到了最初的设计目标；重量检测误差控制在行业允许范围内，声光分级提示清晰直观，本地液晶显示实时准确，WiFi 云端数据上传稳定可靠；

同时测试过程也发现少量不足，柑橘摆放偏移会小幅增大检测误差，网络信号较弱时数据上传会出现短暂延迟；后续可以通过优化称重平台结构、增加数据滤波算法、增强 WiFi 天线接收能力等方式，进一步提升系统的抗干扰性与检测稳定性；

整体而言，这套基于多模态信息融合的柑橘成熟度检测与重量分选系统，硬件运行可靠，软件逻辑完善，检测与分选性能达标，具备实际推广应用的价值。

第六章 总结与展望

6.1 研究工作与成果总结

本研究围绕柑橘成熟度检测与重量分选的实际需求，完成了一套以 STM32F411CEU6 为控制核心的多模态信息融合系统的设计与实现，全程围绕硬件选型、电路搭建、软件开发、系统测试四大核心环节展开，顺利完成了预设的所有研究任务，取得了较为明确的研究成果。研究过程中，先通过调研分析柑橘产业的发展现状与分选痛点，明确了系统的功能和性能需求，确定了“感知-控制-交互-通信”的分层架构；随后完成了各核心硬件的选型与论证，搭建了完整的硬件电路，开发了模块化的软件程序，实现了重量采集、本地显示、声光分选、云端上传等全功能；最后通过系统测试验证了设计的可行性与实用性，各项指标均达到预设要求。具体来看，系统重量检测精度控制在 ±2g 以内，数据上传成功率达到 96.7% 以上，分选准确率超过 98%，能够稳定连续运行 8 小时以上，完全适配中小型柑橘种植户和合作社的实际使用场景，有效解决了传统人工分选效率低、误差大、数据无法追溯的问题，为柑橘产业的标准化、智能化发展提供了低成本的解决方案。

6.2 现有研究的不足与改进方向

结合系统测试结果和实际应用场景分析，本研究仍存在一些不足，这些不足也明确了后续的改进方向。第一点，系统目前主要实现了重量分选功能，成熟度检测仅预留了扩展接口，尚未真正实现多模态信息融合，没法同时完成重量与成熟度的同步检测，影响了分选的全面性；改进时可加入颜色传感器或光谱传感器，采集柑橘表面颜色特征，结合重量数据实现成熟度与重量的双指标分选，提升系统的实用性。第二点，重量检测精度会受柑橘摆放位置的影响，个别样本因摆放偏移出现微小误差，同时系统的抗干扰能力还有提升空间，在强电磁干扰环境下可能出现数据跳变；后续可优化称重平台的结构，增加定位装置保证柑橘摆放居中，同时优化软件滤波算法，增强电路的抗干扰设计，进一步降低检测误差。第三点，数据上传仅支持按键手动触发，缺乏自动上传功能，且云平台的功能较为基础，仅能实现数据接收与查看，没法完成数据分析与异常预警；改进时可添加自动上传机制，设置定时上传或分选完成后自动上传，同时优化云平台功能，增加数据统计、趋势分析、异常报警等模块，提升数据的利用价值。

6.3 未来研究展望

基于本次研究的基础，未来可从功能拓展、性能优化、场景适配三个方面开展进一步研究，推动系统向更智能、更实用、更广泛的方向发展。一方面，拓展系统的多模态检测功能，除了重量和成熟度，可增加糖度、酸度、表面缺陷等检测指标，通过多传感器融合技术，实现柑橘品质的全方位检测与分级，让分选结果更贴合市场需求，提升柑橘的附加值。另一方面，优化系统的智能化水平，引入机器学习算法，通过大量柑橘样本数据训练模型，提升成熟度、缺陷等指标的检测准确率，同时开发手机 APP 客户端，实现系统参数的远程设置、设备状态的实时监控以及分选数据的移动端查看，让操作更加便捷。此外，考虑到果园和加工车间的复杂环境，未来可对系统进行小型化、防水防尘设计，开发便携式分选设备，适配田间地头的现场分选需求；同时可将系统与柑橘种植、仓储、销售等环节的数据打通，构建完整的柑橘品质溯源体系，助力柑橘产业实现全流程信息化管理，推动我国柑橘产业向高质量、智能化方向持续发展。