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摘　要:針對植物葉面積采集操作繁瑣的現狀,以及過于依賴于人力、智能化差等問題,提出了番茄葉面積智能采集的方法,開發了番茄葉面積智能采集系統,并對系統的運動精度、穩定性進行試驗研究。所開發的番茄葉面積智能采集系統軟件主要包含運動控制程序、傳感器數據采集程序、實時位置顯示程序、數據的顯示與儲存程序、三維模型擬合程序以及串口通信程序的6個模塊。智能采集系統驗證試驗結果表明:總面積和投影面積的誤差值分別為1.02%和0.64%,垂直投影總面積值誤差率為0.42%,所得誤差在誤差允許范圍內,驗證了智能采集方法的科學性,證明了番茄葉面積智能采集系統的準確性,能夠滿足設施農業精準化和智能化的要求。

關鍵詞:智能采集;實時監控;三維模型;番茄葉面積

0　引言

對農作物的生長情況和狀態進行實時有效的監測,可以使農田管理方面的相關技術人員更加有效率地進行田間施肥和農田灌溉,且能夠提前判別蟲食和病害,并對作物的栽培產生有效的指導,對于提升農作物的收獲總產量等有著非常重要的實際意義[1-2]?，F有研究大多依據農作物葉面積的相關指數來評價其生長發育的狀況[3],因此農作物的葉片面積性狀是很重要的參數之一。現有的葉面積數據采集方法以系數法、儀器掃描法、傳感器測量法等應用最為廣泛[4]。其中,系數法也被稱為回歸分析法,以傳統數學分析方法為基礎,通過對葉片的長寬數據進行測量,求解相關葉片的面積和周長。隨著掃描技術的快速發展,一些基于該技術而開發出來的葉面積專業測量方法和設備在國內外相繼出現,主要有葉面積測量器和求面積測量器,其葉面積數據采集過程為儀器掃描法。其中,葉面積測量器的核心器件是發光傳感器和光敏傳感器,是基于光的反射原理和投射原理對植物的葉面積進行測量的方法。求面積測量器是依據九宮格方法來實施植物葉面積的自動推算,把采摘的葉植物片平放在白紙上面,通過獲取植物目標葉片邊緣輪廓來計算測量面積。隨著研究工作的進展,陸續研制了一些植物葉面積檢測傳感器,如歐洲、美國等一些西方國家研制了便攜式的激光葉面積儀CI-202、CI-203系列,具有多種組合功能的植物葉面積測量器WinFOLIA和便于手握的植物葉面積測量器AM-300[5-6],以及我國自己研制生產的植物葉面積分析儀LA-S等。目前,這3種葉面積數據采集方法需要大量的人力物力進行檢測,研制開發具有自動化程度高、一鍵式操作功能的葉面積檢測系統非常迫切。為了滿足番茄葉面積參數獲取的自動化檢測需要,開發了一種智能化、非接觸、無損檢測的番茄葉片面積數據智能采集軟件系統,可實現數據的實時處理、參數設定、實時監控及數據分析等功能,以滿足番茄葉面積相關數據智能化采集所需的要求。

1　系統軟件平臺總體設計

番茄葉面積數據智能采集系統軟件設置了4個模塊,即數據采集模塊、參數設定模塊、實時監控模塊和數據分析模塊,如圖1所示。系統軟件包括6個子程序,即運動控制模塊的程序、激光傳感器的數據采集程序、實時位置的顯示程序、數據處理與儲存程序、三維模型擬合程序及串口通信編程的程序。番茄葉面積數據智能采集系統軟件的程序架構采用“模塊化、功能化”的設計原則,以VB語言開發設計。根據系統軟件的總體架構,其可以實現以下功能:1)數據采集:通過sickdx35激光測距儀和FT數據采集器,提前對電機的相關數據、測量運行范圍以及傳感器的參數進行設置,達到有效、快速獲取番茄葉片面積數據目的,進而計算出番茄植株的葉面積。2)參數設定:主要包括電機的運動控制參數,如電機的起始速度、最大速度、加速時間和運行距離,以及系統測量范圍的寬度、高度和長度。在程序運行過程中,通過傳感器反饋回來的信息,實時測定出番茄植株葉片的相關特征信息,其運行控制參數的設定主要包括歸原點、零點設置、開始和暫停等,以降低系統運行過程中的容錯率。3)實時監控:主要用于實時監控移動導軌的位置信息,并將監控的位置信息實時反饋控制系統,以提高系統運行的精準性。4)數據分析:在系統運行過程中,對采集的數據進行實時保存,并對所采集的數據進行計算、分析和處理等操作。根據以上功能需求的分析,番茄葉面積智能采集系統軟件界面如圖2所示。主界面上包括了傳感器設定、實時趨勢、三維圖形、實時數據、監控畫面及參數設定、退出等可操作按鈕。同時,還有植物模型單元,包括模型的部分參數,主要為9株被采集番茄植株的葉片面積參數、單元植物高度參數、平面高度參數、空間植物體積參數,以及空間參數單元?？臻g參數單元主要包括X點、Y點測量個數,X軸坐標、Y軸坐標、Z軸坐標等。

2　子功能模塊

2.1　電機基本參數設置功能模塊

為保證系統軟件的運行準確性,在軟件系統中設置了電機基本工作參數的功能模塊,如圖3所示。該功能模塊可以設置的參數包括電機基本參數、測量目標參數、運動控制參數及運行方式等,在完成以上所有設置后,點擊“開始”按鈕,則系統的運動控制臺開始運動。電機參數界面劃分了電機設置、測量設置、運行方式、手動運行和運行控制6個模塊。其中,電機設置界面主要用于設定X軸、Y軸、Z軸的起始速度、最大速度、加速時間、運行距離參數;測量設置用于記錄測量番茄范圍的寬度(Y軸)、長度(X軸)及高度(Z軸);運動控制模塊主要有歸原點、暫停、零點設定以及開始功能;電機界面的運行方式分別設置了自主運動方式和手動操作的方式。

2.2　傳感器的參數設定模塊

系統在運行過程中需要讀取傳感器的參數,因此在軟件界面需要設定傳感器的參數設定區域,主要包含設定串口、波特率、校檢位、數據位及停止位等參數,不同的參數設置會對采集的數據產生影響等。激光傳感器的設定跟采集過程中的數據采集要求密切相關。連接好串口數據線,設置傳感器串口界面,當串口打開狀態時,自動定時器打開,數據發送到數據庫;當串口閉合狀態時,重新反饋到串口連接處,重新硬件連接。

2.3　實時位置顯示功能

為方便實時監控傳感器的運動情況,設計開發了實時位置顯示功能,如圖4所示。通過實時位置的顯示界面,操作人員可以清楚地看到激光傳感器的實際位移情況,同時還便于操作人員開展實物的檢修矯正操作。該功能可以實時顯示激光傳感器位置的信息,在啟動系統時,需要對以下幾個參數進行定義,主要包括XY_Left,XY_Top,XAxis_Left,XAxis_Top,ZAxis_Left,ZAxis_Top,XZ_Left,XZ_Top8個參數。設定其初始值,然后最關鍵的便是對其時鐘代碼的編寫,打開實時曲線界面,判斷物體運動狀態;當物體運動時,時鐘運行,界面顯示物體的運動軌跡,直至運行結束;當物體沒有運動時,實時曲線界面停止運行。

2.4　實時曲線顯示功能

為了準確記錄激光傳感器的運動軌跡情況,系統擁有激光傳感器的實時曲線顯示功能,如圖5所示。實時曲線反映了激光測距儀的運功情況,通過對激光傳感器的軌跡進行記錄,便于進行區域規劃和數據解析。該模塊主要顯示坐標位置、起始時間、鼠標取值及管理等功能。形成二維投影圖像,通過積分計算可得到投影面數據。系統軟件運行前對實時曲線界面進行設置,判斷物體的工作狀態,當物體運動時,時鐘運行,此時界面能夠實時顯示物體的運動軌跡,直至系統軟件運行結束;當物體沒有運動時,實時曲線界面顯示為停止運行狀態。

3　系統運動精度和平穩性測量試驗

由于番茄作物與其它一般的園藝植物形態上存在顯著差異,其葉片和側枝多樣性較強,對其葉片大小進行測量和驗證,工作量較大[7-8]。考慮到本系統主要對葉面積的參數進行獲取,因此需對系統的測量精準度進行驗證,將番茄整株上的葉片總面積測量值和系統軟件所掃描獲取總面積數值等進行對比。傳統番茄葉面積測量設備為Polhenmus公司生產的3SpaceFastrak手持三維數字化儀,選用該儀器對目標番茄的葉面積數據進行獲取,該儀器的使用精度為0.08cm。對獲取的數據及目標番茄植株進行三維重建,對所開發智能系統與3SpaceFastrak手持三維數字化儀生成的番茄三維模型的效果進行對比,如圖6所示。在獲取兩種番茄植株三維模型的基礎上,分別計算其總葉面積、垂直投影葉面積以及兩者的比值,如表1所示。由表1可知:兩種方法所建立模型的總葉面積和垂直投影葉面積誤差分別為1.02%和0.64%,均在允許誤差范圍內。植物葉片的垂直投影面積與總葉面積兩者的比值大小可直接反映葉片的方位角分布的概率與形態,試驗結果表明:所構建的番茄三維模型和傳統方法的比值分別為47.76%和47.34%,誤差率為0.42%,其誤差也在允許范圍內,驗證了所開發的智能采集系統及方法具有一定的科學性。

4　結論

1)在VS2010開發平臺上利用VB語言開發了番茄葉面積智能采集系統的控制軟件,分為以下6個子程序,即運動控制程序、傳感器數據采集程序、實時位置顯示程序、數據的顯示與儲存程序、三維模型擬合程序以及串口通信程序。2)完成了傳統測量和智能化測量的試驗對比,結果表明:所建模型和傳統模型的總面積和投影面積的誤差值分別為1.02%和0.64%,垂直投影總面積值誤差率為0.42%,所得誤差也在誤差允許范圍內,驗證了智能采集方法的科學性,證明了番茄葉面積智能采集系統的準確性,能夠滿足設施農業精準化和智能化的要求。

作者：賀峰 楊青豐 劉思雨 單位：常州信息職業技術學院 常州工業互聯網產業技術研究院 常州市工業互聯網研究院有限公司