1   緒論

1.1 研究背景

近10 年來，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)獲得了里程碑式的進(jìn)步，由于識(shí)別錯(cuò)誤率的大幅降低，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)被愈來愈廣泛應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ钪械母鱾€(gè)領(lǐng)域^[1]。而由于傳統(tǒng)的農(nóng)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(diǎn)，此外，目前成熟的無土栽培還擁有許多傳統(tǒng)種植不可復(fù)制的優(yōu)越性，如面積小、收獲多、成熟快、品質(zhì)優(yōu)良等。本課題的設(shè)計(jì)初衷就是更方便快捷地為人們和社會(huì)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(jié)合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，具有一定的創(chuàng)新和實(shí)用性，體現(xiàn)在：①在實(shí)現(xiàn)無土栽培自動(dòng)化管理的過程中，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以通過云端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，觀察作物的生長狀態(tài)以及生長環(huán)境參數(shù)，無需過多人為干涉，從而解放了勞動(dòng)力，使用戶享受到科技為現(xiàn)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(dòng)管理無土栽培過程中蔬菜生長所必需的變量，始終將數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)，令蔬菜無季節(jié)性限制、天氣影響、蟲害影響，同時(shí)也提高了作物的安全系數(shù)，為蔬菜安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1.3 主要研究內(nèi)容

基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的無土栽培蔬菜種植架的設(shè)計(jì)以STM32F103 系列單片機(jī)為中心，使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對植物的生長狀況進(jìn)行識(shí)別和處理，再將得到的植物生長數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)連接WiFi 把數(shù)據(jù)包上傳至云服務(wù)器，管理人員從手機(jī)APP 或數(shù)據(jù)可視化網(wǎng)頁中遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制。達(dá)到智能化無土栽培農(nóng)作物的目的。

2   硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蔬菜種植架采用類似樓層一樣的3 層結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)電源電路說明

系統(tǒng)電源采用220 V 轉(zhuǎn)12 V/5 A 開關(guān)電源，功率為60 W。因?yàn)閱纹瑱C(jī)電源需要12 V 和5 V 電源輸入，所以加了1 個(gè)5 V 穩(wěn)壓模塊，為單片機(jī)提供5 V 電源輸入。

圖1 種植架結(jié)構(gòu)

2.2.2 繼電器電路設(shè)計(jì)

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(jī)電路隔離。繼電器是感性器件，在斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的反電壓，這個(gè)反電壓會(huì)反作用到單片機(jī)端口，導(dǎo)致單片機(jī)無法正常工作，甚至?xí)p壞單片機(jī)端口。為了保護(hù)單片機(jī)，通常在繼電器的線圈處加1 個(gè)續(xù)流二極管，在單片機(jī)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(gè)BNC 接頭，通過它與pH 復(fù)合電極連接，模塊的DS18B20 溫度傳感器接口方便進(jìn)行軟件溫度補(bǔ)償。通過調(diào)節(jié)電位器上的旋鈕可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。單片機(jī)通過ADC 采集pH 值原始數(shù)據(jù)，再通過公式計(jì)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(zhì)基本是無機(jī)鹽，也正是植物生長所需要的物質(zhì)，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(xié)議把含有溶液濃度值的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)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(shè)計(jì)

水位檢測在設(shè)計(jì)中用于觀察培養(yǎng)箱中水位是否充足，便于系統(tǒng)及時(shí)補(bǔ)充水，同時(shí)保持水循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。該電路利用水的浮力，根據(jù)水位的變化可以輸出相應(yīng)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(shè)計(jì)

水泵控制電路采用MOS 管開關(guān)電路，MOS 管是NCEP60T12AK，柵源極閾值電壓為2.4 V，可以通過單片機(jī)的I/O 引腳輸出高低電平進(jìn)行直接控制。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高和便于控制等特點(diǎn)。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(shè)計(jì)使用的聯(lián)網(wǎng)模塊是ESP8266，該模塊采用32 位低功耗芯片，主頻高達(dá)160 MHz，支持AT指令，同時(shí)也支持二次開發(fā)。本設(shè)計(jì)主要通過串口發(fā)送AT 指令與 ESP8266 模塊進(jìn)行通信，控制ESP8266模塊聯(lián)網(wǎng)和發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一是單片機(jī)開發(fā)語言，二是使用計(jì)算機(jī)視覺庫OpenCV 的計(jì)算機(jī)視覺程序設(shè)計(jì)。

3.1 計(jì)算機(jī)視覺程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的視覺識(shí)別技術(shù)是OpenCV 的圖像膨脹、腐蝕、高斯濾波和邊緣檢測等技術(shù)。首先把攝像頭打開獲取實(shí)時(shí)圖像，而后對圖像進(jìn)行膨脹、腐蝕處理，使圖像內(nèi)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(nèi)的雜質(zhì)，最后用選定好范圍的邊緣檢測技術(shù)計(jì)算出物體的大小。圖像識(shí)別流程如圖5 所示。

圖5 圖像識(shí)別流程

3.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)流程如圖6 所示，MCU 端首先對各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行初始化，PC 端視覺識(shí)別系統(tǒng)同步進(jìn)行初始化，而后設(shè)備開始配網(wǎng)連接云服務(wù)器，最后設(shè)備啟動(dòng)，溶液濃度自動(dòng)配比，水循環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)，正常提供光照，可以通過云端查看參數(shù)以及遠(yuǎn)程控制。

圖6 程序流程

3.2.1 培養(yǎng)液配比子程序設(shè)計(jì)

培養(yǎng)液濃度配比時(shí)，首先根據(jù)視覺識(shí)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(dòng)泵補(bǔ)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(dá)標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)

在蔬菜進(jìn)入生長期時(shí)，進(jìn)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(shè)計(jì)使其功能完美實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過程需要用定時(shí)器定時(shí)控制水泵的工作時(shí)間，使其周而復(fù)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(shè)計(jì)

在不同生長階段，蔬菜每天需要的光照時(shí)間不同，通過視覺識(shí)別得到蔬菜的生長階段，而后通過定時(shí)器實(shí)現(xiàn)對光照時(shí)間的控制，使蔬菜獲得光照的時(shí)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(lián)網(wǎng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式是WiFi 連接，設(shè)備連接WiFi 后會(huì)通過MQTT 協(xié)議自動(dòng)接入中國移動(dòng)OneNET平臺(tái)，接入OneNET 平臺(tái)后可以通過手機(jī)遠(yuǎn)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(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)對種植架的觀察和管理，本設(shè)計(jì)采用多種人機(jī)交互方式，如手機(jī)APP 和電腦網(wǎng)頁兩種交互方式，可以很方便地用手機(jī)和電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和觀察。

本系統(tǒng)的采用中國移動(dòng)OneNET 平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)可視化組件進(jìn)行網(wǎng)頁頁面設(shè)計(jì)和手機(jī)APP 頁面設(shè)計(jì)。網(wǎng)頁頁面如圖11 所示。

圖11 網(wǎng)頁頁面

4   結(jié)束語

本設(shè)計(jì)將無土栽培蔬菜種植架與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)有機(jī)結(jié)合，是一個(gè)較為新穎的嘗試。在后續(xù)研究過程中還將在以下方面進(jìn)一步優(yōu)化。①在通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)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(gè)重點(diǎn)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(xì)微差別，在后續(xù)的研究中，要做到嚴(yán)格控制營養(yǎng)液在不同時(shí)期的配比；③在遠(yuǎn)程云端控制和云端監(jiān)測方面，后續(xù)初步設(shè)想是定期對設(shè)計(jì)進(jìn)行功能升級(jí)，具體升級(jí)功能要在第一批用戶使用后進(jìn)行，收集用戶反饋和數(shù)據(jù)并針反饋提出有效準(zhǔn)確的解決方案；④提升本系統(tǒng)的容錯(cuò)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(shè)計(jì)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(jìn)行農(nóng)作物的種植管理提出了一種新的解決方案。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）