基于LabVIEW的植物生长状态监控系统研究
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摘 要：植物生长状态与生长环境中的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等参数密切相关，为了提高温室环境下植物的培育水平，达到植物增产、提高经济效益的目的，文章将无线传感器网络（WSN）技术、机器人技术、机器视觉、图像处理等技术引入到温室植物的生长培育中，构建基于LabVIEW的植物生长状态监控系统。通过搭建系统软、硬件平台，对植物生长环境参数、植物长势等信息进行实时采集、存储与数据分析，实现整个植物生长过程的实时状态监控。
关键词：植物生长;LabVIEW;状态监控;图像处理
中图分类号：TP274 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）03-0041-02
Abstract： The growth state of plants is closely related to the temperature， humidity， light intensity， carbon dioxide concentration and other parameters in the growing environment. In order to improve the cultivation level of plants in the greenhouse environment， achieve the purpose of increasing plant production and improving economic benefits， this paper introduces the wireless sensor network （WSN） technology， robot technology， machine vision， image processing and other technologies into the growth and cultivation of greenhouse plants Based on LabVIEW， a plant growth monitoring system was built. Through the establishment of system software and hardware platform， real-time collection， storage and data analysis of plant growth environment parameters， plant growth and other information are carried out to realize the real-time state monitoring of the whole plant growth process.
Keywords： plant growth; LabVIEW; condition monitoring; image processing
1 概述
隨着智能农业技术的不断发展，温室环境下的自动化植物培育过程也取得了较大进步。针对目前温室环境下无法根据植物自身生长状态实现环境参数控制的问题，本文设计了一种基于LabVIEW的植物生长状态监测系统，通过无线传感器网络技术、机器人技术以及图像处理等技术，实现温室环境下植物生长环境与生理信息的监控。该系统可以依据采集到的植物生长状态信息，给予不同的环境参数调节，实现科学规范的管理，使环境更适合于植物的生长。
2 系统总体设计
本文在对国内外研究成果系统分析的基础上，通过对植物生长状态监控关键技术的研究，建立一种基于LabVIEW的植物生长状态监控系统。通过搭建系统软、硬件试验平台，重点探索植物生长发育与温湿度、光照强度、土壤水分、二氧化碳浓度等环境因子之间的关系，通过机器视觉和图像处理技术实现植物生长状态的监控。本课题系统总体设计框图如图1所示。
整个基于LabVIEW的植物生长状态监控系统分为环境数据采集单元、移动机器人单元、环境控制单元和LabVIEW监控平台，综合利用无线传感器网络（WSN）技术、机器人技术、机器视觉、图像处理等技术，最终实现了温室环境下的植物生长状态与生长环境监测。
（1）基于无线传感器网络（WSN）的环境数据采集。采用无线传感器网络（WSN）技术实现对温室环境内的温湿度、光照强度、CO2浓度、土壤湿度等环境参数的采集、显示与存储。（2）移动视觉机器人系统。搭建移动视觉机器人系统，实现温室环境下的自主导航行走、植物长势的图像信息采集、传输。（3）环境控制单元。环境控制单元用于实现温室内的环境参数调节，根据LabVIEW上位机监控平台给出的适合植物生长的环境参数，通过LED光源模块、温湿度调节模块、灌溉调节等模块实现环境参数的调节。（4）基于LabVIEW的监控平台。基于虚拟仪器LabVIEW软件平台，设计开发植物生长状态监控系统人机交互界面，显示温室内的环境参数、植物图像信息以及生长状态的判别等。
3 系统硬件设计
3.1 植物生长环境数据采集单元
以低功耗、高速嵌入式系统为主控核心，配置相应的时钟模块、数据传输模块以及电源模块等，实现植物生长所需的温度、湿度、光照度和二氧化碳含量等环境参数的采集。主控核心选择高性能的STM32微处理器，其具有丰富的I/O口外设，多个通信接口，支持多种中断，能够满足系统需要;无线传输模块采用ZigBee CC2530模块，它能够以非常低的成本建立强大的网络节点，结合领先的RF收发器的优良性能，能够满足系统的需要，其硬件框图如图2所示： 图2 环境数据采集单元硬件框图
3.2 移动视觉机器人的整体设计
移动视觉机器人主要包括自主移动单元和图像信息检测单元两部分：自主移动单元实现机器人在温室环境下的自主移动定位，由运动检测模块、运动控制模块等组成;图像信息检测单元实现温室内植物茎叶图像信息的获取与传输，图像信息的获取由水平前向和垂直俯视摄像头组成，传输部分采用Wi-Fi传输方式，其硬件单元框图如图3所示。
4 系统软件设计
系统软件设计主要针对各个硬件单元设计，实现相对应的功能。基于LabVIEW的植物生长状态监控系统的主要软件功能体现在LabVIEW植物生长状态监控平台，通过该部分软件设计实现对整个植物生长状态监控系统的参数显示、存储与数据分析。LabVIEW监控平台的软件编写采取模块化设计，每个功能模块由相应的子VI程序实现。
LabVIEW监控平台软件设计采用选项卡控件方式实现人机界面的交互，不同的选项卡控件显示不同的界面数据，主要包括开机界面、系统设置界面、数据采集显示界面、图像信息显示界面等;其中，数据显示界面通过两种方式展示，一种是采用数值显示控件显示，实时刷新显示采集到的温室环境参数;一种是通过波形图控件显示，更直观的分开体现各参数的变化，其LabVIEW监控平台软件运行界面如图4所示。
5 结束语
本文设计了一种基于LabVIEW的植物生长状态监控系统，系统借助环境数据采集单元、移动视觉机器人单元实现温室环境的参数采集和植物生长状况的获取，通过LabVIEW软件进行数据显示、图像处理，实现了植物生长状态的实时监控;同时通过环境控制单元实现植物生长所需的温度、湿度、光照度等环境参数的调节，保证植物的更好生长，具有一定的实用价值和市场前景。
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