基于LabVIEW的植物生長狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究

關(guān)蓓蓓 李猛 黃斌 劉闖

摘? 要：植物生長狀態(tài)與生長環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等參數(shù)密切相關(guān)，為了提高溫室環(huán)境下植物的培育水平，達(dá)到植物增產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，文章將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器視覺、圖像處理等技術(shù)引入到溫室植物的生長培育中，構(gòu)建基于LabVIEW的植物生長狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。通過搭建系統(tǒng)軟、硬件平臺，對植物生長環(huán)境參數(shù)、植物長勢等信息進(jìn)行實(shí)時采集、存儲與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)整個植物生長過程的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：植物生長;LabVIEW;狀態(tài)監(jiān)控;圖像處理

中圖分類號：TP274? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0041-02

Abstract： The growth state of plants is closely related to the temperature， humidity， light intensity， carbon dioxide concentration and other parameters in the growing environment. In order to improve the cultivation level of plants in the greenhouse environment， achieve the purpose of increasing plant production and improving economic benefits， this paper introduces the wireless sensor network （WSN） technology， robot technology， machine vision， image processing and other technologies into the growth and cultivation of greenhouse plants Based on LabVIEW， a plant growth monitoring system was built. Through the establishment of system software and hardware platform， real-time collection， storage and data analysis of plant growth environment parameters， plant growth and other information are carried out to realize the real-time state monitoring of the whole plant growth process.

Keywords： plant growth; LabVIEW; condition monitoring; image processing

1 概述

隨著智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室環(huán)境下的自動化植物培育過程也取得了較大進(jìn)步。針對目前溫室環(huán)境下無法根據(jù)植物自身生長狀態(tài)實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)控制的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的植物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及圖像處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境下植物生長環(huán)境與生理信息的監(jiān)控。該系統(tǒng)可以依據(jù)采集到的植物生長狀態(tài)信息，給予不同的環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)規(guī)范的管理，使環(huán)境更適合于植物的生長。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文在對國內(nèi)外研究成果系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，通過對植物生長狀態(tài)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)的研究，建立一種基于LabVIEW的植物生長狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。通過搭建系統(tǒng)軟、硬件試驗(yàn)平臺，重點(diǎn)探索植物生長發(fā)育與溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分、二氧化碳濃度等環(huán)境因子之間的關(guān)系，通過機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)植物生長狀態(tài)的監(jiān)控。本課題系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

整個基于LabVIEW的植物生長狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)分為環(huán)境數(shù)據(jù)采集單元、移動機(jī)器人單元、環(huán)境控制單元和LabVIEW監(jiān)控平臺，綜合利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器視覺、圖像處理等技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境下的植物生長狀態(tài)與生長環(huán)境監(jiān)測。

（1）基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的環(huán)境數(shù)據(jù)采集。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤濕度等環(huán)境參數(shù)的采集、顯示與存儲。（2）移動視覺機(jī)器人系統(tǒng)。搭建移動視覺機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境下的自主導(dǎo)航行走、植物長勢的圖像信息采集、傳輸。（3）環(huán)境控制單元。環(huán)境控制單元用于實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)，根據(jù)LabVIEW上位機(jī)監(jiān)控平臺給出的適合植物生長的環(huán)境參數(shù)，通過LED光源模塊、溫濕度調(diào)節(jié)模塊、灌溉調(diào)節(jié)等模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)。（4）基于LabVIEW的監(jiān)控平臺?；谔摂M儀器LabVIEW軟件平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)植物生長狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面，顯示溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、植物圖像信息以及生長狀態(tài)的判別等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 植物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集單元

以低功耗、高速嵌入式系統(tǒng)為主控核心，配置相應(yīng)的時鐘模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電源模塊等，實(shí)現(xiàn)植物生長所需的溫度、濕度、光照度和二氧化碳含量等環(huán)境參數(shù)的采集。主控核心選擇高性能的STM32微處理器，其具有豐富的I/O口外設(shè)，多個通信接口，支持多種中斷，能夠滿足系統(tǒng)需要;無線傳輸模塊采用ZigBee CC2530模塊，它能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，能夠滿足系統(tǒng)的需要，其硬件框圖如圖2所示：