基于計算機視覺(jué)技術(shù)的無(wú)土栽培蔬菜種植系統的研究與設計

1   緒論

1.1 研究背景

近10 年來(lái)，計算機視覺(jué)技術(shù)獲得了里程碑式的進(jìn)步，由于識別錯誤率的大幅降低，計算機視覺(jué)技術(shù)被愈來(lái)愈廣泛應用在人們日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域^[1]。而由于傳統的農作物種植受限于耕地面積、天氣、蟲(chóng)害等多種因素，無(wú)土栽培也逐漸成為目前的研究熱點(diǎn)，此外，目前成熟的無(wú)土栽培還擁有許多傳統種植不可復制的優(yōu)越性，如面積小、收獲多、成熟快、品質(zhì)優(yōu)良等。本課題的設計初衷就是更方便快捷地為人們和社會(huì )提供符合食品安全的健康綠色蔬菜。

1.2 研究意義

本課題的無(wú)土栽培蔬菜種植架結合計算機視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行統籌設計，具有一定的創(chuàng )新和實(shí)用性，體現在：①在實(shí)現無(wú)土栽培自動(dòng)化管理的過(guò)程中，計算機視覺(jué)技術(shù)可以通過(guò)云端進(jìn)行遠程監測，觀(guān)察作物的生長(cháng)狀態(tài)以及生長(cháng)環(huán)境參數，無(wú)需過(guò)多人為干涉，從而解放了勞動(dòng)力，使用戶(hù)享受到科技為現代生活帶來(lái)的美好。②該無(wú)土栽培蔬菜種植架的開(kāi)發(fā)能夠自動(dòng)管理無(wú)土栽培過(guò)程中蔬菜生長(cháng)所必需的變量，始終將數值控制在合理范圍內，令蔬菜無(wú)季節性限制、天氣影響、蟲(chóng)害影響，同時(shí)也提高了作物的安全系數，為蔬菜安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1.3 主要研究?jì)热?/strong>

基于計算機視覺(jué)技術(shù)的無(wú)土栽培蔬菜種植架的設計以STM32F103 系列單片機為中心，使用計算機視覺(jué)技術(shù)對植物的生長(cháng)狀況進(jìn)行識別和處理，再將得到的植物生長(cháng)數據發(fā)送給單片機，由單片機連接WiFi 把數據包上傳至云服務(wù)器，管理人員從手機APP 或數據可視化網(wǎng)頁(yè)中遠程監測、控制。達到智能化無(wú)土栽培農作物的目的。

2   硬件設計

2.1 系統結構設計

蔬菜種植架采用類(lèi)似樓層一樣的3 層結構，第1 層即頂層控制層主要放置電路板和營(yíng)養液，第2 層和第3層是培養箱。種植架結構如圖1 所示。

2.2 系統電路設計

2.2.1 系統電源電路說(shuō)明

系統電源采用220 V 轉12 V/5 A 開(kāi)關(guān)電源，功率為60 W。因為單片機電源需要12 V 和5 V 電源輸入，所以加了1 個(gè)5 V 穩壓模塊，為單片機提供5 V 電源輸入。

圖1 種植架結構

2.2.2 繼電器電路設計

該電路采用有光耦隔離的繼電器電路，其相對直接用三極管控制的電路有很大優(yōu)勢，可以讓5 V 繼電器電路與3.3 V 單片機電路隔離。繼電器是感性器件，在斷電時(shí)會(huì )產(chǎn)生很高的反電壓，這個(gè)反電壓會(huì )反作用到單片機端口，導致單片機無(wú)法正常工作，甚至會(huì )損壞單片機端口。為了保護單片機，通常在繼電器的線(xiàn)圈處加1 個(gè)續流二極管，在單片機端口處加光耦隔離。繼電器電路如圖2 所示。

圖2 繼電器電路

2.2.3 pH檢測傳感器說(shuō)明

pH 傳感器模塊有1 個(gè)BNC 接頭，通過(guò)它與pH 復合電極連接，模塊的DS18B20 溫度傳感器接口方便進(jìn)行軟件溫度補償。通過(guò)調節電位器上的旋鈕可以調節放大倍數。單片機通過(guò)ADC 采集pH 值原始數據，再通過(guò)公式計算最終獲得pH 值。

2.2.4 培養液濃度檢測模塊說(shuō)明

培養液濃度檢測模塊主要用于檢測水中的含鹽量。營(yíng)養液中的物質(zhì)基本是無(wú)機鹽，也正是植物生長(cháng)所需要的物質(zhì)，通過(guò)培養液濃度檢測模塊測量出TDS 值，就可以知道溶液的濃度值。該模塊通過(guò)串口協(xié)議把含有溶液濃度值的數據傳給單片機，單片機通過(guò)簡(jiǎn)單處理解析提取出溶液濃度值。

2.2.5 水位檢測電路設計

水位檢測在設計中用于觀(guān)察培養箱中水位是否充足，便于系統及時(shí)補充水，同時(shí)保持水循環(huán)系統的穩定運行。該電路利用水的浮力，根據水位的變化可以輸出相應趨勢的AD 值，從而得到水培箱中的液位。水位檢測電路原理如圖3 所示。

圖3 水位檢測電路原理

2.2.6 水泵控制電路設計

水泵控制電路采用MOS 管開(kāi)關(guān)電路，MOS 管是NCEP60T12AK，柵源極閾值電壓為2.4 V，可以通過(guò)單片機的I/O 引腳輸出高低電平進(jìn)行直接控制。該電路具有結構簡(jiǎn)單、效率高和便于控制等特點(diǎn)。水位檢測電路原理如圖4 所示。

圖4 水位檢測電路原理

2.2.7 ESP8266 WiFi 模塊說(shuō)明

本設計使用的聯(lián)網(wǎng)模塊是ESP8266，該模塊采用32 位低功耗芯片，主頻高達160 MHz，支持AT指令，同時(shí)也支持二次開(kāi)發(fā)。本設計主要通過(guò)串口發(fā)送AT 指令與 ESP8266 模塊進(jìn)行通信，控制ESP8266模塊聯(lián)網(wǎng)和發(fā)送數據。

3 系統軟件設計

該系統的軟件設計主要分為兩部分，一是單片機開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，二是使用計算機視覺(jué)庫OpenCV 的計算機視覺(jué)程序設計。

3.1 計算機視覺(jué)程序設計

本設計采用的視覺(jué)識別技術(shù)是OpenCV 的圖像膨脹、腐蝕、高斯濾波和邊緣檢測等技術(shù)。首先把攝像頭打開(kāi)獲取實(shí)時(shí)圖像，而后對圖像進(jìn)行膨脹、腐蝕處理，使圖像內物體的輪廓更加突出，再使用高斯濾波算法去除圖像上物體內的雜質(zhì)，最后用選定好范圍的邊緣檢測技術(shù)計算出物體的大小。圖像識別流程如圖5 所示。

圖5 圖像識別流程

3.2 單片機程序設計

本設計的系統流程如圖6 所示，MCU 端首先對各個(gè)外設模塊進(jìn)行初始化，PC 端視覺(jué)識別系統同步進(jìn)行初始化，而后設備開(kāi)始配網(wǎng)連接云服務(wù)器，最后設備啟動(dòng)，溶液濃度自動(dòng)配比，水循環(huán)系統啟動(dòng)，正常提供光照，可以通過(guò)云端查看參數以及遠程控制。

圖6 程序流程

3.2.1 培養液配比子程序設計

培養液濃度配比時(shí)，首先根據視覺(jué)識別到的植物生長(cháng)階段確定植物生長(cháng)所需要的培養液濃度，通過(guò)蠕動(dòng)泵補充營(yíng)養液，再通過(guò)溶液濃度檢測裝置檢測溶液濃度是否達標，從而實(shí)現培養液濃度的配比。營(yíng)養液配比程序流程如圖7 所示。

圖7 營(yíng)養液配比程序流程

3.2.2 種植架水循環(huán)子程序設計

在蔬菜進(jìn)入生長(cháng)期時(shí)，進(jìn)行培養液周期性水循環(huán)，例如1 h 循環(huán)10 min。通過(guò)程序設計使其功能完美實(shí)現，這個(gè)過(guò)程需要用定時(shí)器定時(shí)控制水泵的工作時(shí)間，使其周而復始地工作。水循環(huán)的目的是維持蔬菜根系生長(cháng)過(guò)程所需的氧氣。營(yíng)養液循環(huán)程序流程如圖8 所示。

圖8 營(yíng)養液循環(huán)程序流程

3.2.3 光照子程序設計

在不同生長(cháng)階段，蔬菜每天需要的光照時(shí)間不同，通過(guò)視覺(jué)識別得到蔬菜的生長(cháng)階段，而后通過(guò)定時(shí)器實(shí)現對光照時(shí)間的控制，使蔬菜獲得光照的時(shí)間剛剛好，為蔬菜的光合作用提供能量，讓蔬菜高效生長(cháng)。程序流程如圖9 所示。

圖9 程序流程

3.2.4 物聯(lián)網(wǎng)程序設計

本設計采用的設備聯(lián)網(wǎng)方式是WiFi 連接，設備連接WiFi 后會(huì )通過(guò)MQTT 協(xié)議自動(dòng)接入中國移動(dòng)OneNET平臺，接入OneNET 平臺后可以通過(guò)手機遠程控制和觀(guān)察蔬菜種植架的情況。程序流程如圖10 所示。

圖10 程序流程

3.3 人機交互界面設計

為了更好地實(shí)現對種植架的觀(guān)察和管理，本設計采用多種人機交互方式，如手機APP 和電腦網(wǎng)頁(yè)兩種交互方式，可以很方便地用手機和電腦進(jìn)行遠程控制和觀(guān)察。

本系統的采用中國移動(dòng)OneNET 平臺提供的數據可視化組件進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面設計和手機APP 頁(yè)面設計。網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面如圖11 所示。

圖11 網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面

4   結束語(yǔ)

本設計將無(wú)土栽培蔬菜種植架與計算機視覺(jué)技術(shù)有機結合，是一個(gè)較為新穎的嘗試。在后續研究過(guò)程中還將在以下方面進(jìn)一步優(yōu)化。①在通過(guò)計算機視覺(jué)技術(shù)來(lái)檢測植物生長(cháng)情況方面，后續需要做的是提升監測精度，減少誤差；②無(wú)土栽培的另一個(gè)重點(diǎn)在于植物是否能健康生長(cháng)，植物營(yíng)養液與水的配比尤為重要，植物在不同生長(cháng)階段所需的營(yíng)養液濃度可能存在細微差別，在后續的研究中，要做到嚴格控制營(yíng)養液在不同時(shí)期的配比；③在遠程云端控制和云端監測方面，后續初步設想是定期對設計進(jìn)行功能升級，具體升級功能要在第一批用戶(hù)使用后進(jìn)行，收集用戶(hù)反饋和數據并針?lè )答佁岢鲇行蚀_的解決方案；④提升本系統的容錯率。對于普遍的土壤種植方式而言，無(wú)土栽培蔬菜種植架的研究與設計具有許多優(yōu)勢，首先能夠在一定程度上解決我國部分地區可用耕地資源不足的問(wèn)題，也為智能化進(jìn)行農作物的種植管理提出了一種新的解決方案。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）