林宏偉 陳澤興 劉明杰 陳俞秀 陳琪媚 李月權(quán)

摘 要：為了智能檢測(cè)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，達(dá)到植物無(wú)人培養(yǎng)的目的，文中采用嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)設(shè)計(jì)一種無(wú)人植物培護(hù)系統(tǒng)。在此選擇睡蓮作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)本，完成植物識(shí)別，數(shù)據(jù)處理，多方式提醒和植物陪護(hù)，實(shí)現(xiàn)植物監(jiān)控和管理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可行性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，有利于大規(guī)模使用和設(shè)計(jì)，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);嵌入式;植物識(shí)別;檢測(cè)植物;植物監(jiān)控;植物無(wú)人培護(hù)

中圖分類號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）01-0-03

0 引 言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的不斷提高，大家對(duì)無(wú)人植物培護(hù)系統(tǒng)的需求越來(lái)越大，同時(shí)也對(duì)無(wú)人植物陪護(hù)系統(tǒng)提出了更高的要求。無(wú)人植物陪護(hù)系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題主要有以下三個(gè)：系統(tǒng)如何知道植物的生長(zhǎng)狀態(tài)—識(shí)別;給植物提供所需生長(zhǎng)要素時(shí)系統(tǒng)該如何操作—實(shí)操;系統(tǒng)如何反饋數(shù)據(jù)給用戶—交互。目前，解決如何識(shí)別植物生長(zhǎng)狀態(tài)的方法有很多，比如可以采用OpenMV直接對(duì)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別、也可以調(diào)用OpenCV庫(kù)函數(shù)來(lái)配置普通的攝像頭進(jìn)行識(shí)別，但是這些方法存在數(shù)據(jù)處理量大、識(shí)別精度要求高的缺點(diǎn)，且成本也非常高。

因此，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的無(wú)人植物陪護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)集數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)處理、圖像識(shí)別與硬件操控等多功能議題的綜合性系統(tǒng)，由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、傳感器和攝像頭等組成的。該系統(tǒng)調(diào)用MySQL數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像識(shí)別、混合各種植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)能夠進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理及分配，可以同樣實(shí)用各種植物的生長(zhǎng)識(shí)別，豐富識(shí)別庫(kù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以通過(guò)自己創(chuàng)建的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，即植物生長(zhǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)保存的數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別植物時(shí)，會(huì)上傳植物數(shù)據(jù)到服務(wù)器中、調(diào)用API完成圖像識(shí)別;根據(jù)圖像識(shí)別后反饋的數(shù)據(jù)來(lái)操作硬件系統(tǒng)完成對(duì)植物生長(zhǎng)的陪護(hù);用戶可通過(guò)遠(yuǎn)程查看無(wú)人植物陪護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及植物生長(zhǎng)狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)以樹(shù)莓派和STM32作為主控機(jī)，通過(guò)USB攝像頭采集植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)情況。攝像頭獲取到植物的生長(zhǎng)圖片后，會(huì)請(qǐng)求服務(wù)器上傳植物圖像信息到數(shù)據(jù)庫(kù)，并將獲取植物的生長(zhǎng)狀態(tài)顯示在樹(shù)莓派搭建的UI界面上。云端接收到植物的生長(zhǎng)狀態(tài)后會(huì)調(diào)用API分析植物的生長(zhǎng)狀態(tài)并將相關(guān)處理的關(guān)鍵字發(fā)送到本地監(jiān)控系統(tǒng)，本地監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)獲取到的關(guān)鍵字后，操作機(jī)械部分做出相應(yīng)的措施，例如給植物澆水、補(bǔ)光等操作。另外，STM32通過(guò)溫度傳感器讀取周圍環(huán)境溫度以及音頻轉(zhuǎn)換器定時(shí)播放音樂(lè)，云端部分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物圖片信息的儲(chǔ)存和分析。

1.1 機(jī)械部分

為了保證在安裝過(guò)程簡(jiǎn)易的情況下支架的承受力大、重量輕，本設(shè)計(jì)的支架使用線密度為0.51 kg/m，兩端有M6紋絲的歐標(biāo)鋁型增高柱，連接處采用三角鍵結(jié)構(gòu)固定，使其更為牢固。可變更柱高的特點(diǎn)使得調(diào)節(jié)高度、增減模塊等更方便，提高了系統(tǒng)機(jī)械上的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性，可靈活應(yīng)對(duì)不同植物的不同成長(zhǎng)最高度。

本設(shè)計(jì)的電路放置采用分層設(shè)計(jì)，縮小了系統(tǒng)的占地面積，大幅提升了空間利用率，其靈活性和舒適度相比單層式結(jié)構(gòu)都有了提升。其UI用戶屏幕界面放置于側(cè)面，而最上層表面有電源開(kāi)關(guān)、充電接口，操作按鍵等便于用戶操作和查看。設(shè)計(jì)中底部采用交叉十字放置盆栽，更具穩(wěn)定性和美觀性。

本設(shè)計(jì)的無(wú)人植物培養(yǎng)系統(tǒng)實(shí)物和總體框架構(gòu)建尺寸如圖2、圖3所示。

1.2 硬件部分

本系統(tǒng)硬件部分主要包括溫度傳感器、音頻模塊和水泵驅(qū)動(dòng)模塊。溫度傳感器模塊用于獲取植物環(huán)境的溫度;音頻模塊播放音樂(lè)，可促進(jìn)植物生長(zhǎng);水泵驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)水泵抽水澆灌植物，給植物供給水分。系統(tǒng)硬件框架如圖4所示。

1.2.1 水泵驅(qū)動(dòng)模塊

這里考慮到系統(tǒng)控制水泵抽水的水量需要很精準(zhǔn)的自動(dòng)控制，所以采用L298N模塊作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片，具有很高的工作電壓范圍和很強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，而且還具有低功耗的特性。常用水泵的工作電壓7～12 V，系統(tǒng)主控I/O腳不能輸出7 V左右的電壓，即無(wú)法驅(qū)動(dòng)水泵，所以系統(tǒng)搭建了L298N的驅(qū)動(dòng)模塊，搭建的模塊可以驅(qū)動(dòng)15 V電壓的設(shè)備。

1.2.2 音頻轉(zhuǎn)碼模塊

為了幫助植物生長(zhǎng)得更加茂盛，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有音頻轉(zhuǎn)碼器，通過(guò)這個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程播放音樂(lè)。音樂(lè)可以讓植物的孔徑放大，植物孔徑放大促進(jìn)呼吸作用消耗體內(nèi)葡萄糖，進(jìn)而促進(jìn)光合作用生產(chǎn)葡萄糖，從而加快植物的健康生長(zhǎng)。

1.2.3 溫度傳感器模塊

系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)植物周邊的溫度信息，防止溫度過(guò)高或者過(guò)低。溫度傳感器獲取植物環(huán)境的溫度，通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換將溫度值數(shù)字量后發(fā)送給主控，主控獲取溫度后采取相應(yīng)措施，溫度過(guò)低或者過(guò)高時(shí)會(huì)提醒用戶，溫度適宜則繼續(xù)檢測(cè)溫度。

1.3 植物識(shí)別部分

1.3.1 USB攝像頭抓取植物圖片

攝像頭是本系統(tǒng)識(shí)別植物狀態(tài)的主要外部識(shí)別設(shè)備，在此選用500萬(wàn)像素USB攝像頭。主機(jī)通過(guò)USB攝像頭抓取植物生長(zhǎng)狀態(tài)圖，并將抓取到的圖片轉(zhuǎn)碼為Base64格式，然后上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

1.3.2 圖像識(shí)別判斷出植物生長(zhǎng)狀態(tài)

本系統(tǒng)的圖像識(shí)別裝置是調(diào)用百度AI圖像搜索API，還可以通過(guò)自己建立的搜索庫(kù)對(duì)圖片進(jìn)行分類并填寫其說(shuō)明。通過(guò)這個(gè)接口可以將需要對(duì)比的圖像放進(jìn)去與庫(kù)中的圖片進(jìn)行對(duì)比，該庫(kù)內(nèi)含大量數(shù)據(jù)，可以提供相當(dāng)多數(shù)據(jù)源，能讓識(shí)別率更高。識(shí)別之后可得到各圖片的相似度，通過(guò)排序得到識(shí)別率最高的圖片，再通過(guò)圖片的摘要得到相應(yīng)的信息，然后將其信息放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便界面提取信息。

1.4 UI界面設(shè)計(jì)部分

本系統(tǒng)帶有一套UI界面，可以給用戶更加直觀的視角，用戶通過(guò)UI界面可以直觀地了解到植物地生長(zhǎng)情況，如圖5所示。

該界面使用HTML，CSS完成它整個(gè)頁(yè)面的布局，采用JS和JQ實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的各種特效動(dòng)畫，應(yīng)用Ajax實(shí)現(xiàn)前后端交互。通過(guò)Ajax發(fā)出異步請(qǐng)求，PHP就會(huì)連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，將它所需要的信息發(fā)到前臺(tái)，前臺(tái)再將信息進(jìn)行處理。通過(guò)配置Nginx實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的負(fù)載均衡，并將所有的圖片在輸出前都進(jìn)行壓縮來(lái)減少訪問(wèn)流量，以及設(shè)置訪問(wèn)頻率的限制，使服務(wù)器到達(dá)穩(wěn)定，進(jìn)而使整個(gè)UI界面更加的穩(wěn)定快速。

利用樹(shù)莓派的chromum-browser訪問(wèn)特定的URL，將界面信息顯示browser 。通過(guò)訪問(wèn)的域名來(lái)對(duì)接到UI界面，可通過(guò)樹(shù)莓派3代B+接口進(jìn)行UI界面與顯示屏對(duì)接。用Python爬取百度百科植物的信息HTML，將植物生長(zhǎng)的信息通過(guò)UI界面顯示，可以實(shí)時(shí)顯示植物生長(zhǎng)的階段和需要的培養(yǎng)環(huán)境，而且還可通過(guò)回放的功能回調(diào)實(shí)時(shí)截取植物的圖片，供培養(yǎng)者觀看，讓培養(yǎng)過(guò)程更加可視化。

1.5 云端部分

云端服務(wù)器上運(yùn)行著學(xué)習(xí)-識(shí)別系統(tǒng)和植物生長(zhǎng)同步系統(tǒng)兩套系統(tǒng)，如圖6、圖7所示。學(xué)習(xí)-識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)大量的植物生長(zhǎng)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)不斷學(xué)習(xí)能夠識(shí)別出植物當(dāng)前的生長(zhǎng)狀態(tài)。硬件系統(tǒng)的每一次識(shí)別，就是一次學(xué)習(xí)的過(guò)程，意味在不斷訓(xùn)練里面的模型，使得系統(tǒng)的識(shí)別植物精度不斷提高。植物生長(zhǎng)同步系統(tǒng)從學(xué)習(xí)-識(shí)別系統(tǒng)中得到當(dāng)前植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，將UI上的寵物同步生長(zhǎng)，并且能夠通過(guò)當(dāng)前植物的狀態(tài)智能推薦當(dāng)前植物養(yǎng)殖的流程。

2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本文建立了一個(gè)可以應(yīng)用于家居培養(yǎng)名貴花草的智能無(wú)人植物培護(hù)系統(tǒng)，其目標(biāo)客戶是家里種植有名貴花草或有意愿種植名貴花草的人員，但由于學(xué)生資源有限，在此應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的植物選擇為睡蓮。

前期，培養(yǎng)不同時(shí)間段的生長(zhǎng)狀態(tài)和缺某種生長(zhǎng)要素的睡蓮，以供實(shí)驗(yàn)。睡蓮不同時(shí)間段的生長(zhǎng)狀態(tài)如圖8所示實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，將不同時(shí)間段生長(zhǎng)狀態(tài)的睡蓮或生長(zhǎng)過(guò)程出現(xiàn)缺乏某種生長(zhǎng)要素的睡蓮移到識(shí)別區(qū)，一一識(shí)別后系統(tǒng)做出了相應(yīng)的操作措施，例如攝像頭截取的圖片與數(shù)據(jù)庫(kù)的圖片對(duì)比，檢測(cè)到此特征與葉片發(fā)黃的數(shù)據(jù)吻合度比較高，屬于植物缺水狀態(tài)，需要及時(shí)補(bǔ)水，系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)驅(qū)動(dòng)硬件，及時(shí)采取補(bǔ)水措施。在實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)部分問(wèn)題需要進(jìn)一步改進(jìn)。

（1）識(shí)別精度不高。實(shí)驗(yàn)采用的攝像頭像素不夠，而且需要補(bǔ)光，需要將攝像頭光圈增大，把植物的生長(zhǎng)狀態(tài)圖變得更清晰。加上植物的生長(zhǎng)狀態(tài)多種多樣，病變的情況也多種多樣，如對(duì)植物生長(zhǎng)狀態(tài)的識(shí)別，不能夠精準(zhǔn)到樹(shù)葉上面的葉脈及細(xì)小的蟲洞。另外，構(gòu)建的識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)圖片資料有限，導(dǎo)致有些特殊病變沒(méi)有識(shí)別出來(lái)，后續(xù)還需要更新數(shù)據(jù)庫(kù)的資料，以便于提高識(shí)別精度。

（2）水泵設(shè)計(jì)不當(dāng)。在補(bǔ)取每個(gè)階段相應(yīng)濃度的營(yíng)養(yǎng)液時(shí)，由于設(shè)計(jì)時(shí)水泵的位置擺放不當(dāng)，有壓強(qiáng)差，導(dǎo)致水泵在抽取時(shí)不受控制，水流很快。水泵應(yīng)該設(shè)計(jì)成噴灑型，利用壓強(qiáng)差來(lái)噴灑植物營(yíng)養(yǎng)液。

3 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款人性化十足的無(wú)人植物培養(yǎng)系統(tǒng)，采用嵌入式技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)實(shí)地測(cè)試，系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了期望目標(biāo)，完成了植物圖像信息獲取，上傳植物數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)和對(duì)植物監(jiān)控和管理。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可行性強(qiáng)，適用場(chǎng)景多且操作簡(jiǎn)單，有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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