基于計算機視覺技術的無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，計算機視覺技術獲得了里程碑式的進步，由于識別錯誤率的大幅降低，計算機視覺技術被愈來愈廣泛應用在人們日常生活中的各個領域^[1]。而由于傳統的農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種植不可復制的優(yōu)越性，如面積小、收獲多、成熟快、品質優(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合計算機視覺技術進行統籌設計，具有一定的創(chuàng)新和實用性，體現在：①在實現無土栽培自動化管理的過程中，計算機視覺技術可以通過云端進行遠程監(jiān)測，觀察作物的生長狀態(tài)以及生長環(huán)境參數，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，始終將數值控制在合理范圍內，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，為蔬菜安全生產提供技術支持。

1.3 主要研究內容

基于計算機視覺技術的無土栽培蔬菜種植架的設計以STM32F103 系列單片機為中心，使用計算機視覺技術對植物的生長狀況進行識別和處理，再將得到的植物生長數據發(fā)送給單片機，由單片機連接WiFi 把數據包上傳至云服務器，管理人員從手機APP 或數據可視化網頁中遠程監(jiān)測、控制。達到智能化無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養(yǎng)液，第2 層和第3層是培養(yǎng)箱。種植架結構如圖1 所示。

2.2 系統電路設計

2.2.1 系統電源電路說明

系統電源采用220 V 轉12 V/5 A 開關電源，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5 V 穩(wěn)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，在斷電時會產生很高的反電壓，這個反電壓會反作用到單片機端口，導致單片機無法正常工作，甚至會損壞單片機端口。為了保護單片機，通常在繼電器的線圈處加1 個續(xù)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檢測傳感器說明

pH 傳感器模塊有1 個BNC 接頭，通過它與pH 復合電極連接，模塊的DS18B20 溫度傳感器接口方便進行軟件溫度補償。通過調節(jié)電位器上的旋鈕可以調節(jié)放大倍數。單片機通過ADC 采集pH 值原始數據，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)液中的物質基本是無機鹽，也正是植物生長所需要的物質，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。該模塊通過串口協議把含有溶液濃度值的數據傳給單片機，單片機通過簡單處理解析提取出溶液濃度值。

2.2.5 水位檢測電路設計

水位檢測在設計中用于觀察培養(yǎng)箱中水位是否充足，便于系統及時補充水，同時保持水循環(huán)系統的穩(wěn)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 管開關電路，MOS 管是NCEP60T12AK，柵源極閾值電壓為2.4 V，可以通過單片機的I/O 引腳輸出高低電平進行直接控制。該電路具有結構簡單、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

本設計使用的聯網模塊是ESP8266，該模塊采用32 位低功耗芯片，主頻高達160 MHz，支持AT指令，同時也支持二次開發(fā)。本設計主要通過串口發(fā)送AT 指令與 ESP8266 模塊進行通信，控制ESP8266模塊聯網和發(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，一是單片機開發(fā)語言，二是使用計算機視覺庫OpenCV 的計算機視覺程序設計。

3.1 計算機視覺程序設計

本設計采用的視覺識別技術是OpenCV 的圖像膨脹、腐蝕、高斯濾波和邊緣檢測等技術。首先把攝像頭打開獲取實時圖像，而后對圖像進行膨脹、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，最后用選定好范圍的邊緣檢測技術計算出物體的大小。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 端首先對各個外設模塊進行初始化，PC 端視覺識別系統同步進行初始化，而后設備開始配網連接云服務器，最后設備啟動，溶液濃度自動配比，水循環(huán)系統啟動，正常提供光照，可以通過云端查看參數以及遠程控制。

圖6 程序流程

3.2.1 培養(yǎng)液配比子程序設計

培養(yǎng)液濃度配比時，首先根據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標，從而實現培養(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)子程序設計

在蔬菜進入生長期時，進行培養(yǎng)液周期性水循環(huán)，例如1 h 循環(huán)10 min。通過程序設計使其功能完美實現，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 物聯網程序設計

本設計采用的設備聯網方式是WiFi 連接，設備連接WiFi 后會通過MQTT 協議自動接入中國移動OneNET平臺，接入OneNET 平臺后可以通過手機遠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 人機交互界面設計

為了更好地實現對種植架的觀察和管理，本設計采用多種人機交互方式，如手機APP 和電腦網頁兩種交互方式，可以很方便地用手機和電腦進行遠程控制和觀察。

本系統的采用中國移動OneNET 平臺提供的數據可視化組件進行網頁頁面設計和手機APP 頁面設計。網頁頁面如圖11 所示。

圖11 網頁頁面

4   結束語

本設計將無土栽培蔬菜種植架與計算機視覺技術有機結合，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一步優(yōu)化。①在通過計算機視覺技術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)液濃度可能存在細微差別，在后續(xù)的研究中，要做到嚴格控制營養(yǎng)液在不同時期的配比；③在遠程云端控制和云端監(jiān)測方面，后續(xù)初步設想是定期對設計進行功能升級，具體升級功能要在第一批用戶使用后進行，收集用戶反饋和數據并針反饋提出有效準確的解決方案；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(qū)可用耕地資源不足的問題，也為智能化進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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[3] 孫寶元,楊寶清.傳感器及其應用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[4] 鄭人杰.計算機軟件測試技術[M].北京:清華大學出版社,1992.

[5] 任強.傳感器選用原則.鐵道技術監(jiān)督,2004(9):33-34.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年12月期）