隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們對居住環(huán)境的潔凈和美觀也越發(fā)重視，從而戶內(nèi)種植各式各樣的盆載。但大多由于工作忙碌而忽視了對盆載的養(yǎng)護，使植物干枯難以種活。加上正值物聯(lián)網(wǎng)時代，智能家居概念已深入人心，所以室內(nèi)盆載智能養(yǎng)護系統(tǒng)已是熱門課題。當(dāng)前智能盆栽養(yǎng)護系統(tǒng)多是經(jīng)過先驗知識，把影響植物生長的環(huán)境因素(如光照度、溫度、濕度、土壤酸堿度)最優(yōu)值設(shè)定好，通過各類傳感器采集實際值與該類設(shè)定值進行比較，控制執(zhí)行機構(gòu)動作，通過人眼觀察或采摘葉子檢測方能知曉植物生長情況，從而再次調(diào)整環(huán)境因素最優(yōu)值。此類系統(tǒng)的弊端一是自動化程度不高，需人為不斷調(diào)整環(huán)境因素最優(yōu)值;二是用植物損傷方式獲取植物生長特征信息。本設(shè)計，著力搭建一個基于機器視覺的室內(nèi)盆栽養(yǎng)護遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過機器視覺連續(xù)無損傷獲取植株圖像，用圖像處理技術(shù)監(jiān)測植株葉子的顏色、數(shù)量、面積等生長特征，得知植物生長情況，從而自動調(diào)控環(huán)境參數(shù)，即土壤的營養(yǎng)素、濕度、酸堿度、溫度等，改善成長環(huán)境，促進植物良好生長;保存不同時段的植物生長參數(shù)及其對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，以便對比各種環(huán)境參數(shù)下植物生長情況，找出合適植物生長的環(huán)境參數(shù)，進行最優(yōu)控制;再經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建遠程監(jiān)控平臺，應(yīng)用云服務(wù)器，上傳植物的生長特征信息和環(huán)境參數(shù)以及植物圖像到服務(wù)器上，可實現(xiàn)遠程手機或電腦端對服務(wù)器的數(shù)據(jù)訪問，進而實現(xiàn)可視化遠程觀賞盆景和控制環(huán)境參數(shù)的功能。

　　1實驗盆栽對象選擇

　　本設(shè)計旨在研究一個基于機器視覺的室內(nèi)盆栽養(yǎng)護遠程監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)適合大多數(shù)室內(nèi)盆栽的自動養(yǎng)護。梔子花因它的清新可愛、葉色四季常綠，且適合室內(nèi)種植，所以備受人們青睞。但梔子花易患“黃化病”，即葉子變黃、開花瘦小、壽命變短，所以日常需要仔細養(yǎng)護。對其生長有影響的光照度、溫度、濕度、土壤酸堿度在每個季節(jié)或生長階段都要進行不斷的調(diào)控。根據(jù)生長環(huán)境需求，梔子花是一種典型的室內(nèi)盆栽植物，適合用來做本設(shè)計的實驗對象，適合機器視覺的智能系統(tǒng)養(yǎng)護。

　　2系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件平臺框架結(jié)構(gòu)如圖1所示

　　2.1系統(tǒng)控制器

　　為了能強化系統(tǒng)功能和實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備精簡及可移動，本項目系統(tǒng)控制器選用NI公司的myRIO-1900。改控制器優(yōu)點諸多，其內(nèi)嵌FPGA和雙核的ARMCortex-A9處理器，處理速度快，適合進行圖像處理，能實時采集植物圖像信息，還可兼容多種編程語言;其自帶USB端口可直接與攝像機連接，免用圖像采集卡，且上傳圖像速度快;自帶WIFI功能，避免現(xiàn)場錯綜連線，雜亂不堪，為系統(tǒng)的可移植性填墨加彩。

　　2.2植物圖像采集裝置

　　傳統(tǒng)的植物生長特征獲取方法，都帶有破壞性的，如提前采摘樹葉下來，進行檢測和分析。本項目要進行無損傷的連續(xù)監(jiān)測植物生長特征參數(shù)，所以需要進行植物圖像采集。為了能準(zhǔn)確的識別葉子的顏色、數(shù)量、面積等，需要清晰的拍攝到植株的整體圖像。所以選擇帶有USB連線端口的高清版CCD攝像機，直接連接到myRIO-1900的USB端口，以一定的傳輸速率上傳圖片到處理器。在此，深圳邁迪威視MV-USD130C-T為首選，同時監(jiān)控兩棵梔子花樹。

　　2.3其它輸入設(shè)備和輸出設(shè)備

　　為了采集影響植物生長的各類環(huán)境參數(shù)，需要相關(guān)的傳感器，如檢測土壤濕度、酸堿度以及周圍溫度和光照度，分別需要濕度傳感器、PH測量傳感器、溫度傳感器、光敏傳感器等輸入設(shè)備。而控制環(huán)境參數(shù)也需要相應(yīng)的設(shè)備，如控制溫度，需要加熱器和電風(fēng)扇;控制光照度，在自然光照度不足時，需要補光，在此選用對本植物不造成傷害的近紅外LED光照射;土壤水分不足時需要澆水，或酸堿度和營養(yǎng)素不足時可噴營養(yǎng)液，則需要用到液體箱和水泵及噴頭。

　　2.4可控實驗箱

　　植物生長狀況良好的情況下，檢測自然環(huán)境下的環(huán)境參數(shù)即可，當(dāng)需要調(diào)節(jié)光照度和溫度時，再放在實驗箱中。也可以長期放置試驗箱中以便更好的調(diào)控。

　　3軟件平臺設(shè)計

　　3.1軟件開發(fā)平臺

　　本項目基于LabVIEW軟件平臺上開發(fā)，借助其豐富的數(shù)學(xué)處理函數(shù)庫和圖像處理函數(shù)庫。可以快速的采集圖像進行圖像處理;還對別的編程語言開放端口，方便用多種語言編寫項目程序;能便捷搭建友好的人機交互界面;與系統(tǒng)控制器myRIO兼容性好。綜合以上因素，適用于本項目的軟件開發(fā)。

　　3.2圖像處理技術(shù)

　　根據(jù)研究內(nèi)容可知，圖像處理是本項目的重點內(nèi)容。本系統(tǒng)自動調(diào)控環(huán)境參數(shù)的首要依據(jù)是發(fā)現(xiàn)植物生長不良時，一般主要體現(xiàn)在葉子變黃、面積偏小、數(shù)量不多，或者根莖變高、大速度慢等。由于大多喜歡葉子較多的室內(nèi)盆栽，所以本項目選監(jiān)測葉子的特征性。顏色識別的圖像處理算法較多，但不一定都適合應(yīng)用在葉色的識別上。顏色識別一般用色彩匹配法，將模板圖像與待測圖像的顏色進行比較，統(tǒng)計顏色像素，匹配度越高，則可確認(rèn)顏色相同，從而可提取出顏色。但葉子顏色深淺度不一、形狀及面積各異，很難找出合適的模板，如此，工作量會加大。再者，黃色和綠色的色調(diào)角度分布相對明朗，所以在此選用了一種基于改進的HSV顏色空間定位方法。顏色定位處理流程圖如下。a、顏色空間域轉(zhuǎn)換圖像采集顯示是在RGB空間進行，需要先把它轉(zhuǎn)換到HSV空間，求出三個分量，H色調(diào)、S飽和度、V明度。b、各類顏色三分量閾值估算由于葉子不同地方的顏色深淺度不一，為了得到不同顏色H、S、V分量的取值范圍，需經(jīng)過多次拍攝得到的圖像樣本計算其分量的均值和方差。C、過濾根據(jù)以上得到的閾值，進行過濾。把提取顏色相對應(yīng)的閾值范圍內(nèi)的像素盡可能的保留下來，其余顏色的灰度值置0。d、消噪處理過濾后圖像一般都會存在干擾像素顆粒，通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理中的開運算和閉運算進行區(qū)域連通。達到消噪和樹葉形狀還原處理。e、由于受外界風(fēng)的吹動，樹葉有時是搖動著的，所以處在干擾信號大，為了進一步確認(rèn)保存下來的區(qū)域是目標(biāo)區(qū)域，再通過輪廓分析與比較中的曲線追蹤法，求出區(qū)域部分輪廓與實際樹葉輪廓的相似的，來進一步肯定定位的準(zhǔn)確度。當(dāng)然葉子密度大，不是一片一片排列著的，所以只要部分輪廓與實際的樹葉輪廓相似即可。經(jīng)過以上處理后，可確定定位到的區(qū)域是目標(biāo)顏色葉片的區(qū)域。再進行顆粒的標(biāo)記，供后續(xù)面積的計算。由于項目實驗對象是梔子花樹，主要定位的是黃色或者黃偏紅的葉子，可以把檢測到黃色葉片信息當(dāng)成報警信息，提示系統(tǒng)調(diào)控環(huán)境參數(shù)，黃色葉片面積越大說明，梔子花樹生長狀況越差要引起高度警惕。

　　3.3數(shù)據(jù)庫報表的建立

　　系統(tǒng)可同時拍照兩個盆景中的梔子樹，放在同一張圖像上;或者控攝像頭分時輪流對盆景采集。不管哪種拍攝情況，讀取到葉子生長特征信息時，分開保存在對應(yīng)的文件中，也保存對應(yīng)時間段的環(huán)境參數(shù)。保存數(shù)據(jù)采用目前最流行的MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

　　3.4遠程監(jiān)控平臺的搭建

　　本項目的特色還表現(xiàn)在供遠程觀賞盆景和遠程監(jiān)控環(huán)境參數(shù)。為了保證信號傳輸?shù)膶崟r性，和保存大量歷史數(shù)據(jù)，采用百度云服務(wù)器。其免安裝維護，配有公網(wǎng)IP，價格便宜。服務(wù)器系統(tǒng)采用WindowsServer2012R2。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)使用Apache+PHP+MySQL架構(gòu)，因Apache簡單、速度快、性能穩(wěn)定，且開放源碼，可用PHP服務(wù)器端腳本語言結(jié)合LabVIEW編寫互聯(lián)程序。遠程平臺的工作原理是，Apache服務(wù)器軟件啟動后開始監(jiān)聽指定端口，當(dāng)我們打開瀏覽器輸入服務(wù)器IP地址和端口,登錄成功后要查詢某一天植物生長數(shù)據(jù)時，瀏覽器會向服務(wù)器發(fā)送查詢請求的頁面和日期參數(shù)。服務(wù)器接收到請求后，會找到要查詢的PHP頁面并執(zhí)行PHP腳本代碼。PHP腳本調(diào)用MySQL數(shù)據(jù)庫驅(qū)動，讀取指定日期的生長數(shù)據(jù)和照片數(shù)據(jù)，執(zhí)行完成后會生成一個頁面文件。Apache將PHP腳本生成的頁面文件發(fā)送回瀏覽器端，瀏覽器收到數(shù)據(jù)后，我們就能看到當(dāng)天植物生長的數(shù)據(jù)和照片了。

　　4總結(jié)和展望

　　本設(shè)計用機器視覺對植物生長狀況進行監(jiān)測，此種方法實現(xiàn)監(jiān)測的連續(xù)性且對植物無損傷，通過環(huán)境因素傳感器和視覺處理技術(shù)對盆景植物生長環(huán)境及其特征信息進行采集、數(shù)據(jù)分析，自動控制加熱器、電風(fēng)扇、LED燈實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的最優(yōu)控制。系統(tǒng)還能遠程觀賞盆景，遠程控制現(xiàn)場設(shè)備。圖像處理的顏色識別算法上，為了更準(zhǔn)確的識別出目標(biāo)顏色，采用改進了HSV顏色空間定位法。用HSV顏色空間定位法進行粗定位，再通過輪廓分析的曲線追蹤法進行精確定位。本設(shè)計的難點在于梔子花“黃化病”葉子的圖像采集和葉子特征信息提取，后續(xù)可以在算法上繼續(xù)需求新的突破，提高黃色葉子識別準(zhǔn)確率，從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)在移植性上也可以提高，以至于實現(xiàn)分時監(jiān)控室內(nèi)多種植物，提高系統(tǒng)的利用率。

　　《物聯(lián)網(wǎng)視覺盆栽養(yǎng)護監(jiān)控系統(tǒng)研究》來源：《電子制作》，作者：覃傳妹 卜天聲

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