番茄葉面積數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)軟件開發(fā)范文

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摘　要:針對(duì)植物葉面積采集操作繁瑣的現(xiàn)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(fā)了番茄葉面積智能采集系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度、穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究。所開發(fā)的番茄葉面積智能采集系統(tǒng)軟件主要包含運(yùn)動(dòng)控制程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、實(shí)時(shí)位置顯示程序、數(shù)據(jù)的顯示與儲(chǔ)存程序、三維模型擬合程序以及串口通信程序的6個(gè)模塊。智能采集系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)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(nèi),驗(yàn)證了智能采集方法的科學(xué)性,證明了番茄葉面積智能采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,能夠滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化和智能化的要求。

關(guān)鍵詞:智能采集;實(shí)時(shí)監(jiān)控;三維模型;番茄葉面積

0　引言

對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè),可以使農(nóng)田管理方面的相關(guān)技術(shù)人員更加有效率地進(jìn)行田間施肥和農(nóng)田灌溉,且能夠提前判別蟲食和病害,并對(duì)作物的栽培產(chǎn)生有效的指導(dǎo),對(duì)于提升農(nóng)作物的收獲總產(chǎn)量等有著非常重要的實(shí)際意義[1-2]。現(xiàn)有研究大多依據(jù)農(nóng)作物葉面積的相關(guān)指數(shù)來評(píng)價(jià)其生長(zhǎng)發(fā)育的狀況[3],因此農(nóng)作物的葉片面積性狀是很重要的參數(shù)之一。現(xiàn)有的葉面積數(shù)據(jù)采集方法以系數(shù)法、儀器掃描法、傳感器測(cè)量法等應(yīng)用最為廣泛[4]。其中,系數(shù)法也被稱為回歸分析法,以傳統(tǒng)數(shù)學(xué)分析方法為基礎(chǔ),通過對(duì)葉片的長(zhǎng)寬數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,求解相關(guān)葉片的面積和周長(zhǎng)。隨著掃描技術(shù)的快速發(fā)展,一些基于該技術(shù)而開發(fā)出來的葉面積專業(yè)測(cè)量方法和設(shè)備在國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn),主要有葉面積測(cè)量器和求面積測(cè)量器,其葉面積數(shù)據(jù)采集過程為儀器掃描法。其中,葉面積測(cè)量器的核心器件是發(fā)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(duì)植物的葉面積進(jìn)行測(cè)量的方法。求面積測(cè)量器是依據(jù)九宮格方法來實(shí)施植物葉面積的自動(dòng)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(biāo)葉片邊緣輪廓來計(jì)算測(cè)量面積。隨著研究工作的進(jìn)展,陸續(xù)研制了一些植物葉面積檢測(cè)傳感器,如歐洲、美國(guó)等一些西方國(guó)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(cè)量器WinFOLIA和便于手握的植物葉面積測(cè)量器AM-300[5-6],以及我國(guó)自己研制生產(chǎn)的植物葉面積分析儀LA-S等。目前,這3種葉面積數(shù)據(jù)采集方法需要大量的人力物力進(jìn)行檢測(cè),研制開發(fā)具有自動(dòng)化程度高、一鍵式操作功能的葉面積檢測(cè)系統(tǒng)非常迫切。為了滿足番茄葉面積參數(shù)獲取的自動(dòng)化檢測(cè)需要,開發(fā)了一種智能化、非接觸、無損檢測(cè)的番茄葉片面積數(shù)據(jù)智能采集軟件系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析等功能,以滿足番茄葉面積相關(guān)數(shù)據(jù)智能化采集所需的要求。

1　系統(tǒng)軟件平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

番茄葉面積數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)軟件設(shè)置了4個(gè)模塊,即數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)設(shè)定模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)分析模塊,如圖1所示。系統(tǒng)軟件包括6個(gè)子程序,即運(yùn)動(dòng)控制模塊的程序、激光傳感器的數(shù)據(jù)采集程序、實(shí)時(shí)位置的顯示程序、數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)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(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)軟件的程序架構(gòu)采用“模塊化、功能化”的設(shè)計(jì)原則,以VB語(yǔ)言開發(fā)設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu),其可以實(shí)現(xiàn)以下功能:1)數(shù)據(jù)采集:通過sickdx35激光測(cè)距儀和FT數(shù)據(jù)采集器,提前對(duì)電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)、測(cè)量運(yùn)行范圍以及傳感器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,達(dá)到有效、快速獲取番茄葉片面積數(shù)據(jù)目的,進(jìn)而計(jì)算出番茄植株的葉面積。2)參數(shù)設(shè)定:主要包括電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù),如電機(jī)的起始速度、最大速度、加速時(shí)間和運(yùn)行距離,以及系統(tǒng)測(cè)量范圍的寬度、高度和長(zhǎng)度。在程序運(yùn)行過程中,通過傳感器反饋回來的信息,實(shí)時(shí)測(cè)定出番茄植株葉片的相關(guān)特征信息,其運(yùn)行控制參數(shù)的設(shè)定主要包括歸原點(diǎn)、零點(diǎn)設(shè)置、開始和暫停等,以降低系統(tǒng)運(yùn)行過程中的容錯(cuò)率。3)實(shí)時(shí)監(jiān)控:主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控移動(dòng)導(dǎo)軌的位置信息,并將監(jiān)控的位置信息實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng),以提高系統(tǒng)運(yùn)行的精準(zhǔn)性。4)數(shù)據(jù)分析:在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存,并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析和處理等操作。根據(jù)以上功能需求的分析,番茄葉面積智能采集系統(tǒng)軟件界面如圖2所示。主界面上包括了傳感器設(shè)定、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、三維圖形、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、監(jiān)控畫面及參數(shù)設(shè)定、退出等可操作按鈕。同時(shí),還有植物模型單元,包括模型的部分參數(shù),主要為9株被采集番茄植株的葉片面積參數(shù)、單元植物高度參數(shù)、平面高度參數(shù)、空間植物體積參數(shù),以及空間參數(shù)單元。空間參數(shù)單元主要包括X點(diǎn)、Y點(diǎn)測(cè)量個(gè)數(shù),X軸坐標(biāo)、Y軸坐標(biāo)、Z軸坐標(biāo)等。

2　子功能模塊

2.1　電機(jī)基本參數(shù)設(shè)置功能模塊

為保證系統(tǒng)軟件的運(yùn)行準(zhǔn)確性,在軟件系統(tǒng)中設(shè)置了電機(jī)基本工作參數(shù)的功能模塊,如圖3所示。該功能模塊可以設(shè)置的參數(shù)包括電機(jī)基本參數(shù)、測(cè)量目標(biāo)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)及運(yùn)行方式等,在完成以上所有設(shè)置后,點(diǎn)擊“開始”按鈕,則系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制臺(tái)開始運(yùn)動(dòng)。電機(jī)參數(shù)界面劃分了電機(jī)設(shè)置、測(cè)量設(shè)置、運(yùn)行方式、手動(dòng)運(yùn)行和運(yùn)行控制6個(gè)模塊。其中,電機(jī)設(shè)置界面主要用于設(shè)定X軸、Y軸、Z軸的起始速度、最大速度、加速時(shí)間、運(yùn)行距離參數(shù);測(cè)量設(shè)置用于記錄測(cè)量番茄范圍的寬度(Y軸)、長(zhǎng)度(X軸)及高度(Z軸);運(yùn)動(dòng)控制模塊主要有歸原點(diǎn)、暫停、零點(diǎn)設(shè)定以及開始功能;電機(jī)界面的運(yùn)行方式分別設(shè)置了自主運(yùn)動(dòng)方式和手動(dòng)操作的方式。

2.2　傳感器的參數(shù)設(shè)定模塊

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要讀取傳感器的參數(shù),因此在軟件界面需要設(shè)定傳感器的參數(shù)設(shè)定區(qū)域,主要包含設(shè)定串口、波特率、校檢位、數(shù)據(jù)位及停止位等參數(shù),不同的參數(shù)設(shè)置會(huì)對(duì)采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響等。激光傳感器的設(shè)定跟采集過程中的數(shù)據(jù)采集要求密切相關(guān)。連接好串口數(shù)據(jù)線,設(shè)置傳感器串口界面,當(dāng)串口打開狀態(tài)時(shí),自動(dòng)定時(shí)器打開,數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù);當(dāng)串口閉合狀態(tài)時(shí),重新反饋到串口連接處,重新硬件連接。

2.3　實(shí)時(shí)位置顯示功能

為方便實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器的運(yùn)動(dòng)情況,設(shè)計(jì)開發(fā)了實(shí)時(shí)位置顯示功能,如圖4所示。通過實(shí)時(shí)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(shí)際位移情況,同時(shí)還便于操作人員開展實(shí)物的檢修矯正操作。該功能可以實(shí)時(shí)顯示激光傳感器位置的信息,在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí),需要對(duì)以下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行定義,主要包括XY_Left,XY_Top,XAxis_Left,XAxis_Top,ZAxis_Left,ZAxis_Top,XZ_Left,XZ_Top8個(gè)參數(shù)。設(shè)定其初始值,然后最關(guān)鍵的便是對(duì)其時(shí)鐘代碼的編寫,打開實(shí)時(shí)曲線界面,判斷物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài);當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí),時(shí)鐘運(yùn)行,界面顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,直至運(yùn)行結(jié)束;當(dāng)物體沒有運(yùn)動(dòng)時(shí),實(shí)時(shí)曲線界面停止運(yùn)行。

2.4　實(shí)時(shí)曲線顯示功能

為了準(zhǔn)確記錄激光傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡情況,系統(tǒng)擁有激光傳感器的實(shí)時(shí)曲線顯示功能,如圖5所示。實(shí)時(shí)曲線反映了激光測(cè)距儀的運(yùn)功情況,通過對(duì)激光傳感器的軌跡進(jìn)行記錄,便于進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃和數(shù)據(jù)解析。該模塊主要顯示坐標(biāo)位置、起始時(shí)間、鼠標(biāo)取值及管理等功能。形成二維投影圖像,通過積分計(jì)算可得到投影面數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件運(yùn)行前對(duì)實(shí)時(shí)曲線界面進(jìn)行設(shè)置,判斷物體的工作狀態(tài),當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí),時(shí)鐘運(yùn)行,此時(shí)界面能夠?qū)崟r(shí)顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,直至系統(tǒng)軟件運(yùn)行結(jié)束;當(dāng)物體沒有運(yùn)動(dòng)時(shí),實(shí)時(shí)曲線界面顯示為停止運(yùn)行狀態(tài)。

3　系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性測(cè)量試驗(yàn)

由于番茄作物與其它一般的園藝植物形態(tài)上存在顯著差異,其葉片和側(cè)枝多樣性較強(qiáng),對(duì)其葉片大小進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證,工作量較大[7-8]。考慮到本系統(tǒng)主要對(duì)葉面積的參數(shù)進(jìn)行獲取,因此需對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精準(zhǔn)度進(jìn)行驗(yàn)證,將番茄整株上的葉片總面積測(cè)量值和系統(tǒng)軟件所掃描獲取總面積數(shù)值等進(jìn)行對(duì)比。傳統(tǒng)番茄葉面積測(cè)量設(shè)備為Polhenmus公司生產(chǎn)的3SpaceFastrak手持三維數(shù)字化儀,選用該儀器對(duì)目標(biāo)番茄的葉面積數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取,該儀器的使用精度為0.08cm。對(duì)獲取的數(shù)據(jù)及目標(biāo)番茄植株進(jìn)行三維重建,對(duì)所開發(fā)智能系統(tǒng)與3SpaceFastrak手持三維數(shù)字化儀生成的番茄三維模型的效果進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。在獲取兩種番茄植株三維模型的基礎(chǔ)上,分別計(jì)算其總?cè)~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?cè)~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(nèi)。植物葉片的垂直投影面積與總?cè)~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(tài),試驗(yàn)結(jié)果表明:所構(gòu)建的番茄三維模型和傳統(tǒng)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(nèi),驗(yàn)證了所開發(fā)的智能采集系統(tǒng)及方法具有一定的科學(xué)性。

4　結(jié)論

1)在VS2010開發(fā)平臺(tái)上利用VB語(yǔ)言開發(fā)了番茄葉面積智能采集系統(tǒng)的控制軟件,分為以下6個(gè)子程序,即運(yùn)動(dòng)控制程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、實(shí)時(shí)位置顯示程序、數(shù)據(jù)的顯示與儲(chǔ)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(tǒng)測(cè)量和智能化測(cè)量的試驗(yàn)對(duì)比,結(jié)果表明:所建模型和傳統(tǒng)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(nèi),驗(yàn)證了智能采集方法的科學(xué)性,證明了番茄葉面積智能采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,能夠滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)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(yè)技術(shù)學(xué)院 常州工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 常州市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司