番茄叶面积数据智能采集系统软件开发范文

摘　要:针对植物叶面积采集操作繁琐的现状,以及过于依赖于人力、智能化差等问题,提出了番茄叶面积智能采集的方法,开发了番茄叶面积智能采集系统,并对系统的运动精度、稳定性进行试验研究。所开发的番茄叶面积智能采集系统软件主要包含运动控制程序、传感器数据采集程序、实时位置显示程序、数据的显示与储存程序、三维模型拟合程序以及串口通信程序的6个模块。智能采集系统验证试验结果表明:总面积和投影面积的误差值分别为1.02%和0.64%,垂直投影总面积值误差率为0.42%,所得误差在误差允许范围内,验证了智能采集方法的科学性,证明了番茄叶面积智能采集系统的准确性,能够满足设施农业精准化和智能化的要求。

关键词:智能采集;实时监控;三维模型;番茄叶面积

0　引言

对农作物的生长情况和状态进行实时有效的监测,可以使农田管理方面的相关技术人员更加有效率地进行田间施肥和农田灌溉,且能够提前判别虫食和病害,并对作物的栽培产生有效的指导,对于提升农作物的收获总产量等有着非常重要的实际意义[1-2]。现有研究大多依据农作物叶面积的相关指数来评价其生长发育的状况[3],因此农作物的叶片面积性状是很重要的参数之一。现有的叶面积数据采集方法以系数法、仪器扫描法、传感器测量法等应用最为广泛[4]。其中,系数法也被称为回归分析法,以传统数学分析方法为基础,通过对叶片的长宽数据进行测量,求解相关叶片的面积和周长。随着扫描技术的快速发展,一些基于该技术而开发出来的叶面积专业测量方法和设备在国内外相继出现,主要有叶面积测量器和求面积测量器,其叶面积数据采集过程为仪器扫描法。其中,叶面积测量器的核心器件是发光传感器和光敏传感器,是基于光的反射原理和投射原理对植物的叶面积进行测量的方法。求面积测量器是依据九宫格方法来实施植物叶面积的自动推算,把采摘的叶植物片平放在白纸上面,通过获取植物目标叶片边缘轮廓来计算测量面积。随着研究工作的进展,陆续研制了一些植物叶面积检测传感器,如欧洲、美国等一些西方国家研制了便携式的激光叶面积仪CI-202、CI-203系列,具有多种组合功能的植物叶面积测量器WinFOLIA和便于手握的植物叶面积测量器AM-300[5-6],以及我国自己研制生产的植物叶面积分析仪LA-S等。目前,这3种叶面积数据采集方法需要大量的人力物力进行检测,研制开发具有自动化程度高、一键式操作功能的叶面积检测系统非常迫切。为了满足番茄叶面积参数获取的自动化检测需要,开发了一种智能化、非接触、无损检测的番茄叶片面积数据智能采集软件系统,可实现数据的实时处理、参数设定、实时监控及数据分析等功能,以满足番茄叶面积相关数据智能化采集所需的要求。

1　系统软件平台总体设计

番茄叶面积数据智能采集系统软件设置了4个模块,即数据采集模块、参数设定模块、实时监控模块和数据分析模块,如图1所示。系统软件包括6个子程序,即运动控制模块的程序、激光传感器的数据采集程序、实时位置的显示程序、数据处理与储存程序、三维模型拟合程序及串口通信编程的程序。番茄叶面积数据智能采集系统软件的程序架构采用“模块化、功能化”的设计原则,以VB语言开发设计。根据系统软件的总体架构,其可以实现以下功能:1)数据采集:通过sickdx35激光测距仪和FT数据采集器,提前对电机的相关数据、测量运行范围以及传感器的参数进行设置,达到有效、快速获取番茄叶片面积数据目的,进而计算出番茄植株的叶面积。2)参数设定:主要包括电机的运动控制参数,如电机的起始速度、最大速度、加速时间和运行距离,以及系统测量范围的宽度、高度和长度。在程序运行过程中,通过传感器反馈回来的信息,实时测定出番茄植株叶片的相关特征信息,其运行控制参数的设定主要包括归原点、零点设置、开始和暂停等,以降低系统运行过程中的容错率。3)实时监控:主要用于实时监控移动导轨的位置信息,并将监控的位置信息实时反馈控制系统,以提高系统运行的精准性。4)数据分析:在系统运行过程中,对采集的数据进行实时保存,并对所采集的数据进行计算、分析和处理等操作。根据以上功能需求的分析,番茄叶面积智能采集系统软件界面如图2所示。主界面上包括了传感器设定、实时趋势、三维图形、实时数据、监控画面及参数设定、退出等可操作按钮。同时,还有植物模型单元,包括模型的部分参数,主要为9株被采集番茄植株的叶片面积参数、单元植物高度参数、平面高度参数、空间植物体积参数,以及空间参数单元。空间参数单元主要包括X点、Y点测量个数,X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标等。

2　子功能模块

2.1　电机基本参数设置功能模块

为保证系统软件的运行准确性,在软件系统中设置了电机基本工作参数的功能模块,如图3所示。该功能模块可以设置的参数包括电机基本参数、测量目标参数、运动控制参数及运行方式等,在完成以上所有设置后,点击“开始”按钮,则系统的运动控制台开始运动。电机参数界面划分了电机设置、测量设置、运行方式、手动运行和运行控制6个模块。其中,电机设置界面主要用于设定X轴、Y轴、Z轴的起始速度、最大速度、加速时间、运行距离参数;测量设置用于记录测量番茄范围的宽度(Y轴)、长度(X轴)及高度(Z轴);运动控制模块主要有归原点、暂停、零点设定以及开始功能;电机界面的运行方式分别设置了自主运动方式和手动操作的方式。

2.2　传感器的参数设定模块

系统在运行过程中需要读取传感器的参数,因此在软件界面需要设定传感器的参数设定区域,主要包含设定串口、波特率、校检位、数据位及停止位等参数,不同的参数设置会对采集的数据产生影响等。激光传感器的设定跟采集过程中的数据采集要求密切相关。连接好串口数据线,设置传感器串口界面,当串口打开状态时,自动定时器打开,数据发送到数据库;当串口闭合状态时,重新反馈到串口连接处,重新硬件连接。

2.3　实时位置显示功能

为方便实时监控传感器的运动情况,设计开发了实时位置显示功能,如图4所示。通过实时位置的显示界面,操作人员可以清楚地看到激光传感器的实际位移情况,同时还便于操作人员开展实物的检修矫正操作。该功能可以实时显示激光传感器位置的信息,在启动系统时,需要对以下几个参数进行定义,主要包括XY_Left,XY_Top,XAxis_Left,XAxis_Top,ZAxis_Left,ZAxis_Top,XZ_Left,XZ_Top8个参数。设定其初始值,然后最关键的便是对其时钟代码的编写,打开实时曲线界面,判断物体运动状态;当物体运动时,时钟运行,界面显示物体的运动轨迹,直至运行结束;当物体没有运动时,实时曲线界面停止运行。

2.4　实时曲线显示功能

为了准确记录激光传感器的运动轨迹情况,系统拥有激光传感器的实时曲线显示功能,如图5所示。实时曲线反映了激光测距仪的运功情况,通过对激光传感器的轨迹进行记录,便于进行区域规划和数据解析。该模块主要显示坐标位置、起始时间、鼠标取值及管理等功能。形成二维投影图像,通过积分计算可得到投影面数据。系统软件运行前对实时曲线界面进行设置,判断物体的工作状态,当物体运动时,时钟运行,此时界面能够实时显示物体的运动轨迹,直至系统软件运行结束;当物体没有运动时,实时曲线界面显示为停止运行状态。

3　系统运动精度和平稳性测量试验

由于番茄作物与其它一般的园艺植物形态上存在显著差异,其叶片和侧枝多样性较强,对其叶片大小进行测量和验证,工作量较大[7-8]。考虑到本系统主要对叶面积的参数进行获取,因此需对系统的测量精准度进行验证,将番茄整株上的叶片总面积测量值和系统软件所扫描获取总面积数值等进行对比。传统番茄叶面积测量设备为Polhenmus公司生产的3SpaceFastrak手持三维数字化仪,选用该仪器对目标番茄的叶面积数据进行获取,该仪器的使用精度为0.08cm。对获取的数据及目标番茄植株进行三维重建,对所开发智能系统与3SpaceFastrak手持三维数字化仪生成的番茄三维模型的效果进行对比,如图6所示。在获取两种番茄植株三维模型的基础上,分别计算其总叶面积、垂直投影叶面积以及两者的比值,如表1所示。由表1可知:两种方法所建立模型的总叶面积和垂直投影叶面积误差分别为1.02%和0.64%,均在允许误差范围内。植物叶片的垂直投影面积与总叶面积两者的比值大小可直接反映叶片的方位角分布的概率与形态,试验结果表明:所构建的番茄三维模型和传统方法的比值分别为47.76%和47.34%,误差率为0.42%,其误差也在允许范围内,验证了所开发的智能采集系统及方法具有一定的科学性。

4　结论

1)在VS2010开发平台上利用VB语言开发了番茄叶面积智能采集系统的控制软件,分为以下6个子程序,即运动控制程序、传感器数据采集程序、实时位置显示程序、数据的显示与储存程序、三维模型拟合程序以及串口通信程序。2)完成了传统测量和智能化测量的试验对比,结果表明:所建模型和传统模型的总面积和投影面积的误差值分别为1.02%和0.64%,垂直投影总面积值误差率为0.42%,所得误差也在误差允许范围内,验证了智能采集方法的科学性,证明了番茄叶面积智能采集系统的准确性,能够满足设施农业精准化和智能化的要求。

作者：贺峰 杨青丰 刘思雨 单位：常州信息职业技术学院 常州工业互联网产业技术研究院 常州市工业互联网研究院有限公司