基于图像处理的育苗箱环境控制系统设计

发布时间：2020-08-22 20:39

【摘要】：现阶段人们对绿色蔬菜的需求越来越强,对蔬菜质量的要求也越来越高。在蔬菜生长过程中,幼苗期的发育情况对蔬菜整体质量起到决定性作用。传统的蔬菜育苗对外界环境和农户种植经验都有较强的依赖性,且存在设施简陋,占用土地资源,环境调控方法不智能等诸多弊端。针对目前育苗环境控制方面的研究,没有结合幼苗实际生长情况作出相应的环境参数调整。本文提出一种基于图像处理的育苗箱环境控制系统,选取茎直径作为特征参数,表征幼苗所处的生长阶段,利用图像处理技术进行幼苗茎直径的测量,通过图像处理测量的幼苗茎直径和茎直径变化量进行幼苗当前生长阶段适宜温度值的推理,微控器控制执行机构实现育苗箱内环境的调控。本文主要工作将从以下6个方面进行:(1)育苗箱环境控制系统方案设计。系统总体方案包括幼苗生长状态信息的采集方案设计、育苗箱环境控制方案设计和人机交互平台设计。选择图像处理方式获取幼苗茎直径;育苗箱温度具有非线性、滞后性等特点难以建立精确的数学模型,因此选取模糊推理方法根据幼苗茎直径和茎直径变化量对适宜幼苗当前生长阶段的温度设定值进行推理,通过PID进行温度的调控;其它环境因子如土壤湿度、光照强度等控制在适宜范围内。同时设计用户界面来实现育苗信息存储、查询、分析与育苗箱环境手动调控等功能。(2)育苗箱环境控制系统的硬件设计。根据系统对图像进行处理、存储的需求,选择树莓派作为微控器;由于图像采集需尽量降低幼苗间的遮挡程度,因此选择双轴舵机云台摄像头作为图像采集模块;根据幼苗生长对清洁、温和和无有害物质排放的需求,选择半导体制冷制热模组作为温度控制的执行机构;选择HMI串口屏实现人机交互功能。(3)基于图像处理的幼苗茎直径测量算法的设计与仿真。本文通过对幼苗生长图像的分析,在Windows7+Python3环境下调用开源OpenCV库进行茎直径测量算法的设计与仿真。首先针对像机拍摄角度偏离育苗穴盘正面,造成幼苗图像的畸变,对摄像机进行标定以完成对幼苗图像的畸变校正。针对幼苗背景及噪声给幼苗图像处理带来的干扰与影响的问题,对幼苗图像进行增强和去噪;针对单一设定阈值难以适用于多幅幼苗图像的问题,采用基于Otsu自动阈值分割法进行育苗背景的去除;针对幼苗图像中出现茎的交叉粘连现象,采用提取幼苗骨架线的方法进行幼苗图像中交叉粘连茎的分割;最后对幼苗茎直径进行标定,完成茎直径像素值到实际值的转化。(4)育苗箱环境控制系统的设计与仿真。设计以茎直径D和茎直径变化量ΔD为输入的模糊推理系统,模糊推理系统的输出作为温度设定值;温度控制采用PID方法,实现育苗箱内温度的控制。在MATLAB中的Simulink上搭建了控制系统模型并仿真,验证本文模糊推理结合PID温度控制方法的可行性。(5)育苗箱环境控制系统人机交互界面设计。搭建了HMI串口屏及上位机界面,进行育苗环境信息的实时监测与控制。利用数据库技术实现对育苗环境信息的存储,为后期育苗环境数据分析提供基础。(6)番茄育苗试验及结果分析。将本文育苗箱环境控制系统与传统的营养钵育苗实验结果进行比较。测试结果表明:该系统能够通过图像处理方式实时测量幼苗茎直径,且测量相对误差保持在5%范围内;根据幼苗生长情况将育苗箱昼温范围控制在20℃~30℃范围,绝对误差1℃,能将土壤湿度稳定在60%~70%RH范围内,符合育苗要求,减轻了对外界环境和农户的种植经验的依赖性。体现科学的种植模式,提升经济效益,对培育优质种苗有推动作用。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S63;TP391.41
【图文】：

基于图像处理的育苗箱环境控制系统设计本文设计的育苗箱环境控制系统方案如图 2-2 所示，通过采集幼苗的实际生长息，分析得到适宜幼苗当前生长阶段的温度设定值，与育苗箱内实际温度值进行比而实现育苗箱内温度的调控；其他环境因子（土壤湿度、光照）控制在适宜范围时将育苗箱内环境信息和幼苗信息传送至人机交互平台进行显示，并存储至育苗进行后期育苗数据分析，使育苗过程有迹可循。根据幼苗的实际生长状态来对育环境参数进行动态调节，克服传统恒温育苗无法根据幼苗生长状态动态调节温度，实现真正意义上的智能育苗。下文将分别对幼苗实际生长状态信息采集、育苗箱环境控制和人机交互平台三行方案设计。

基于图像处理的育苗箱环境控制系统设计对齐放置，间距为 48cm；一个育苗盘内育有 16 株幼苗共计 32 株幼苗在两个育苗盘正中位置并能够自由旋转 180°以实现两个育苗盘间的苗盘内幼苗图像的采集，如图 2-3 所示。角度由控制器设定，当采集单个育苗盘内的番茄幼苗图像时，经试验苗盘中线处左右旋转 32°~40°可以完整的采集 16 株幼苗图像，再旋一个育苗盘的幼苗图像采集，这样实现了整个育苗箱内 32 株番茄幼苗苗阶段，每天中午 12 点定时对幼苗图像进行采集。

图 2-3 幼苗图像采集示意图Fig. 2-3 Aschematic drawing of the image collection of the seedlings度控制采用图像处理与控制系统相结合的方式。以图像处理直径变化量为育苗环境控制系统提供判别依据及反馈信息，按幼苗生长需求进行环境的调控，将科学化的提升育苗环境像的处理在微控器上进行，具体步骤如图 2-4 所示

【参考文献】

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本文编号：2801121