基于計算機(jī)視覺技術(shù)的無土栽培蔬菜種植系統(tǒng)的研究與設(shè)計

1   緒論

1.1 研究背景

近10 年來，計算機(jī)視覺技術(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(jī)視覺技術(shù)被愈來愈廣泛應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ钪械母鱾€領(lǐng)域^[1]。而由于傳統(tǒng)的農(nóng)作物種植受限于耕地面積、天氣、蟲害等多種因素，無土栽培也逐漸成為目前的研究熱點，此外，目前成熟的無土栽培還擁有許多傳統(tǒng)種植不可復(fù)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(shè)計初衷就是更方便快捷地為人們和社會提供符合食品安全的健康綠色蔬菜。

1.2 研究意義

本課題的無土栽培蔬菜種植架結(jié)合計算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計，具有一定的創(chuàng)新和實用性，體現(xiàn)在：①在實現(xiàn)無土栽培自動化管理的過程中，計算機(jī)視覺技術(shù)可以通過云端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，觀察作物的生長狀態(tài)以及生長環(huán)境參數(shù)，無需過多人為干涉，從而解放了勞動力，使用戶享受到科技為現(xiàn)代生活帶來的美好。②該無土栽培蔬菜種植架的開發(fā)能夠自動管理無土栽培過程中蔬菜生長所必需的變量，始終將數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)，令蔬菜無季節(jié)性限制、天氣影響、蟲害影響，同時也提高了作物的安全系數(shù)，為蔬菜安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1.3 主要研究內(nèi)容

基于計算機(jī)視覺技術(shù)的無土栽培蔬菜種植架的設(shè)計以STM32F103 系列單片機(jī)為中心，使用計算機(jī)視覺技術(shù)對植物的生長狀況進(jìn)行識別和處理，再將得到的植物生長數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)連接WiFi 把數(shù)據(jù)包上傳至云服務(wù)器，管理人員從手機(jī)APP 或數(shù)據(jù)可視化網(wǎng)頁中遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制。達(dá)到智能化無土栽培農(nóng)作物的目的。

2   硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

蔬菜種植架采用類似樓層一樣的3 層結(jié)構(gòu)，第1 層即頂層控制層主要放置電路板和營養(yǎng)液，第2 層和第3層是培養(yǎng)箱。種植架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)電源電路說明

系統(tǒng)電源采用220 V 轉(zhuǎn)12 V/5 A 開關(guān)電源，功率為60 W。因為單片機(jī)電源需要12 V 和5 V 電源輸入，所以加了1 個5 V 穩(wěn)壓模塊，為單片機(jī)提供5 V 電源輸入。

圖1 種植架結(jié)構(gòu)

2.2.2 繼電器電路設(shè)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(jī)電路隔離。繼電器是感性器件，在斷電時會產(chǎn)生很高的反電壓，這個反電壓會反作用到單片機(jī)端口，導(dǎo)致單片機(jī)無法正常工作，甚至?xí)p壞單片機(jī)端口。為了保護(hù)單片機(jī)，通常在繼電器的線圈處加1 個續(xù)流二極管，在單片機(jī)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檢測傳感器說明

pH 傳感器模塊有1 個BNC 接頭，通過它與pH 復(fù)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(bǔ)償。通過調(diào)節(jié)電位器上的旋鈕可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。單片機(jī)通過ADC 采集pH 值原始數(shù)據(jù)，再通過公式計算最終獲得pH 值。

2.2.4 培養(yǎng)液濃度檢測模塊說明

培養(yǎng)液濃度檢測模塊主要用于檢測水中的含鹽量。營養(yǎng)液中的物質(zhì)基本是無機(jī)鹽，也正是植物生長所需要的物質(zhì)，通過培養(yǎng)液濃度檢測模塊測量出TDS 值，就可以知道溶液的濃度值。該模塊通過串口協(xié)議把含有溶液濃度值的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過簡單處理解析提取出溶液濃度值。

2.2.5 水位檢測電路設(shè)計

水位檢測在設(shè)計中用于觀察培養(yǎng)箱中水位是否充足，便于系統(tǒng)及時補(bǔ)充水，同時保持水循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。該電路利用水的浮力，根據(jù)水位的變化可以輸出相應(yīng)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(shè)計

水泵控制電路采用MOS 管開關(guān)電路，MOS 管是NCEP60T12AK，柵源極閾值電壓為2.4 V，可以通過單片機(jī)的I/O 引腳輸出高低電平進(jìn)行直接控制。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高和便于控制等特點。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 模塊說明

本設(shè)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(dá)160 MHz，支持AT指令，同時也支持二次開發(fā)。本設(shè)計主要通過串口發(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(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為兩部分，一是單片機(jī)開發(fā)語言，二是使用計算機(jī)視覺庫OpenCV 的計算機(jī)視覺程序設(shè)計。

3.1 計算機(jī)視覺程序設(shè)計

本設(shè)計采用的視覺識別技術(shù)是OpenCV 的圖像膨脹、腐蝕、高斯濾波和邊緣檢測等技術(shù)。首先把攝像頭打開獲取實時圖像，而后對圖像進(jìn)行膨脹、腐蝕處理，使圖像內(nèi)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(nèi)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(jī)程序設(shè)計

本設(shè)計的系統(tǒng)流程如圖6 所示，MCU 端首先對各個外設(shè)模塊進(jìn)行初始化，PC 端視覺識別系統(tǒng)同步進(jìn)行初始化，而后設(shè)備開始配網(wǎng)連接云服務(wù)器，最后設(shè)備啟動，溶液濃度自動配比，水循環(huán)系統(tǒng)啟動，正常提供光照，可以通過云端查看參數(shù)以及遠(yuǎn)程控制。

圖6 程序流程

3.2.1 培養(yǎng)液配比子程序設(shè)計

培養(yǎng)液濃度配比時，首先根據(jù)視覺識別到的植物生長階段確定植物生長所需要的培養(yǎng)液濃度，通過蠕動泵補(bǔ)充營養(yǎng)液，再通過溶液濃度檢測裝置檢測溶液濃度是否達(dá)標(biāo)，從而實現(xiàn)培養(yǎng)液濃度的配比。營養(yǎng)液配比程序流程如圖7 所示。

圖7 營養(yǎng)液配比程序流程

3.2.2 種植架水循環(huán)子程序設(shè)計

在蔬菜進(jìn)入生長期時，進(jìn)行培養(yǎng)液周期性水循環(huán)，例如1 h 循環(huán)10 min。通過程序設(shè)計使其功能完美實現(xiàn)，這個過程需要用定時器定時控制水泵的工作時間，使其周而復(fù)始地工作。水循環(huán)的目的是維持蔬菜根系生長過程所需的氧氣。營養(yǎng)液循環(huán)程序流程如圖8 所示。

圖8 營養(yǎng)液循環(huán)程序流程

3.2.3 光照子程序設(shè)計

在不同生長階段，蔬菜每天需要的光照時間不同，通過視覺識別得到蔬菜的生長階段，而后通過定時器實現(xiàn)對光照時間的控制，使蔬菜獲得光照的時間剛剛好，為蔬菜的光合作用提供能量，讓蔬菜高效生長。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(shè)計

本設(shè)計采用的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式是WiFi 連接，設(shè)備連接WiFi 后會通過MQTT 協(xié)議自動接入中國移動OneNET平臺，接入OneNET 平臺后可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制和觀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(jī)交互界面設(shè)計

為了更好地實現(xiàn)對種植架的觀察和管理，本設(shè)計采用多種人機(jī)交互方式，如手機(jī)APP 和電腦網(wǎng)頁兩種交互方式，可以很方便地用手機(jī)和電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和觀察。

本系統(tǒng)的采用中國移動OneNET 平臺提供的數(shù)據(jù)可視化組件進(jìn)行網(wǎng)頁頁面設(shè)計和手機(jī)APP 頁面設(shè)計。網(wǎng)頁頁面如圖11 所示。

圖11 網(wǎng)頁頁面

4   結(jié)束語

本設(shè)計將無土栽培蔬菜種植架與計算機(jī)視覺技術(shù)有機(jī)結(jié)合，是一個較為新穎的嘗試。在后續(xù)研究過程中還將在以下方面進(jìn)一步優(yōu)化。①在通過計算機(jī)視覺技術(shù)來檢測植物生長情況方面，后續(xù)需要做的是提升監(jiān)測精度，減少誤差；②無土栽培的另一個重點在于植物是否能健康生長，植物營養(yǎng)液與水的配比尤為重要，植物在不同生長階段所需的營養(yǎng)液濃度可能存在細(xì)微差別，在后續(xù)的研究中，要做到嚴(yán)格控制營養(yǎng)液在不同時期的配比；③在遠(yuǎn)程云端控制和云端監(jiān)測方面，后續(xù)初步設(shè)想是定期對設(shè)計進(jìn)行功能升級，具體升級功能要在第一批用戶使用后進(jìn)行，收集用戶反饋和數(shù)據(jù)并針反饋提出有效準(zhǔn)確的解決方案；④提升本系統(tǒng)的容錯率。對于普遍的土壤種植方式而言，無土栽培蔬菜種植架的研究與設(shè)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(qū)可用耕地資源不足的問題，也為智能化進(jìn)行農(nóng)作物的種植管理提出了一種新的解決方案。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）