發(fā)布時(shí)間：2020-08-22 20:39

【摘要】：現(xiàn)階段人們對綠色蔬菜的需求越來越強(qiáng),對蔬菜質(zhì)量的要求也越來越高。在蔬菜生長過程中,幼苗期的發(fā)育情況對蔬菜整體質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。傳統(tǒng)的蔬菜育苗對外界環(huán)境和農(nóng)戶種植經(jīng)驗(yàn)都有較強(qiáng)的依賴性,且存在設(shè)施簡陋,占用土地資源,環(huán)境調(diào)控方法不智能等諸多弊端。針對目前育苗環(huán)境控制方面的研究,沒有結(jié)合幼苗實(shí)際生長情況作出相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)調(diào)整。本文提出一種基于圖像處理的育苗箱環(huán)境控制系統(tǒng),選取莖直徑作為特征參數(shù),表征幼苗所處的生長階段,利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行幼苗莖直徑的測量,通過圖像處理測量的幼苗莖直徑和莖直徑變化量進(jìn)行幼苗當(dāng)前生長階段適宜溫度值的推理,微控器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)育苗箱內(nèi)環(huán)境的調(diào)控。本文主要工作將從以下6個(gè)方面進(jìn)行:(1)育苗箱環(huán)境控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體方案包括幼苗生長狀態(tài)信息的采集方案設(shè)計(jì)、育苗箱環(huán)境控制方案設(shè)計(jì)和人機(jī)交互平臺設(shè)計(jì)。選擇圖像處理方式獲取幼苗莖直徑;育苗箱溫度具有非線性、滯后性等特點(diǎn)難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,因此選取模糊推理方法根據(jù)幼苗莖直徑和莖直徑變化量對適宜幼苗當(dāng)前生長階段的溫度設(shè)定值進(jìn)行推理,通過PID進(jìn)行溫度的調(diào)控;其它環(huán)境因子如土壤濕度、光照強(qiáng)度等控制在適宜范圍內(nèi)。同時(shí)設(shè)計(jì)用戶界面來實(shí)現(xiàn)育苗信息存儲(chǔ)、查詢、分析與育苗箱環(huán)境手動(dòng)調(diào)控等功能。(2)育苗箱環(huán)境控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)對圖像進(jìn)行處理、存儲(chǔ)的需求,選擇樹莓派作為微控器;由于圖像采集需盡量降低幼苗間的遮擋程度,因此選擇雙軸舵機(jī)云臺攝像頭作為圖像采集模塊;根據(jù)幼苗生長對清潔、溫和和無有害物質(zhì)排放的需求,選擇半導(dǎo)體制冷制熱模組作為溫度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu);選擇HMI串口屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。(3)基于圖像處理的幼苗莖直徑測量算法的設(shè)計(jì)與仿真。本文通過對幼苗生長圖像的分析,在Windows7+Python3環(huán)境下調(diào)用開源OpenCV庫進(jìn)行莖直徑測量算法的設(shè)計(jì)與仿真。首先針對像機(jī)拍攝角度偏離育苗穴盤正面,造成幼苗圖像的畸變,對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定以完成對幼苗圖像的畸變校正。針對幼苗背景及噪聲給幼苗圖像處理帶來的干擾與影響的問題,對幼苗圖像進(jìn)行增強(qiáng)和去噪;針對單一設(shè)定閾值難以適用于多幅幼苗圖像的問題,采用基于Otsu自動(dòng)閾值分割法進(jìn)行育苗背景的去除;針對幼苗圖像中出現(xiàn)莖的交叉粘連現(xiàn)象,采用提取幼苗骨架線的方法進(jìn)行幼苗圖像中交叉粘連莖的分割;最后對幼苗莖直徑進(jìn)行標(biāo)定,完成莖直徑像素值到實(shí)際值的轉(zhuǎn)化。(4)育苗箱環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。設(shè)計(jì)以莖直徑D和莖直徑變化量ΔD為輸入的模糊推理系統(tǒng),模糊推理系統(tǒng)的輸出作為溫度設(shè)定值;溫度控制采用PID方法,實(shí)現(xiàn)育苗箱內(nèi)溫度的控制。在MATLAB中的Simulink上搭建了控制系統(tǒng)模型并仿真,驗(yàn)證本文模糊推理結(jié)合PID溫度控制方法的可行性。(5)育苗箱環(huán)境控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。搭建了HMI串口屏及上位機(jī)界面,進(jìn)行育苗環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)對育苗環(huán)境信息的存儲(chǔ),為后期育苗環(huán)境數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。(6)番茄育苗試驗(yàn)及結(jié)果分析。將本文育苗箱環(huán)境控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的營養(yǎng)缽育苗實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠通過圖像處理方式實(shí)時(shí)測量幼苗莖直徑,且測量相對誤差保持在5%范圍內(nèi);根據(jù)幼苗生長情況將育苗箱晝溫范圍控制在20℃~30℃范圍,絕對誤差1℃,能將土壤濕度穩(wěn)定在60%~70%RH范圍內(nèi),符合育苗要求,減輕了對外界環(huán)境和農(nóng)戶的種植經(jīng)驗(yàn)的依賴性。體現(xiàn)科學(xué)的種植模式,提升經(jīng)濟(jì)效益,對培育優(yōu)質(zhì)種苗有推動(dòng)作用。
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S63;TP391.41
【圖文】：

基于圖像處理的育苗箱環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的育苗箱環(huán)境控制系統(tǒng)方案如圖 2-2 所示，通過采集幼苗的實(shí)際生長息，分析得到適宜幼苗當(dāng)前生長階段的溫度設(shè)定值，與育苗箱內(nèi)實(shí)際溫度值進(jìn)行比而實(shí)現(xiàn)育苗箱內(nèi)溫度的調(diào)控；其他環(huán)境因子（土壤濕度、光照）控制在適宜范圍時(shí)將育苗箱內(nèi)環(huán)境信息和幼苗信息傳送至人機(jī)交互平臺進(jìn)行顯示，并存儲(chǔ)至育苗進(jìn)行后期育苗數(shù)據(jù)分析，使育苗過程有跡可循。根據(jù)幼苗的實(shí)際生長狀態(tài)來對育環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，克服傳統(tǒng)恒溫育苗無法根據(jù)幼苗生長狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能育苗。下文將分別對幼苗實(shí)際生長狀態(tài)信息采集、育苗箱環(huán)境控制和人機(jī)交互平臺三行方案設(shè)計(jì)。

基于圖像處理的育苗箱環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對齊放置，間距為 48cm；一個(gè)育苗盤內(nèi)育有 16 株幼苗共計(jì) 32 株幼苗在兩個(gè)育苗盤正中位置并能夠自由旋轉(zhuǎn) 180°以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)育苗盤間的苗盤內(nèi)幼苗圖像的采集，如圖 2-3 所示。角度由控制器設(shè)定，當(dāng)采集單個(gè)育苗盤內(nèi)的番茄幼苗圖像時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)苗盤中線處左右旋轉(zhuǎn) 32°~40°可以完整的采集 16 株幼苗圖像，再旋一個(gè)育苗盤的幼苗圖像采集，這樣實(shí)現(xiàn)了整個(gè)育苗箱內(nèi) 32 株番茄幼苗苗階段，每天中午 12 點(diǎn)定時(shí)對幼苗圖像進(jìn)行采集。

圖 2-3 幼苗圖像采集示意圖Fig. 2-3 Aschematic drawing of the image collection of the seedlings度控制采用圖像處理與控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式。以圖像處理直徑變化量為育苗環(huán)境控制系統(tǒng)提供判別依據(jù)及反饋信息，按幼苗生長需求進(jìn)行環(huán)境的調(diào)控，將科學(xué)化的提升育苗環(huán)境像的處理在微控器上進(jìn)行，具體步驟如圖 2-4 所示

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2801121