基于图像识别和GPRS网络技术的植物生长速率检测系统的研究

基于图像识别和GPRS网络技术的植物生长速率检测系统的研究

高雪

西华师范大学

摘要：对国内外植物生长速率检测现状以及植物生长速率数据采集和远程传送的方法进行调查后，设计制作了一套精确测量和实时监测植物生长速率的自动化系统。该系统采用CCD传感器配合精密机械传动装置测量技术和GPRS无线网络技术，对植物生长实施远程实时监测，以此来解决当前检测植物生长速率过程中数据采集以及数据远程传送方面的问题。

关键词：植物生长速率；CCD；GPRS

1、植物生长速率测量概述

以往检测植物生长速率常用直尺测量植物在一定时间内的生长长度，再求植物的平均生长速率；或通过称重，求叶面积等方法来测量植物的生长速率，但是这些方法时间间隔很长，测量精度也不高，有时还要进行离体测量，破坏了测量样本。

植物生长速率测量应以不伤及测量目标，不干扰被测植物的自然状态为基础，因此，非接触式测量是植物生长速率测量的发展趋势。目前，国内对非接触式植物生长速率测量的研究主要以视频输入设备为研究对象，视频设备的视域局限性是植物生长速率测量研究亟待解决的问题。一般来说，视频设备的视域范围扩大会伴随着其分辨率的降低，反之，提高视频设备的分辨率会使其视域范围缩小，如何利用现有的图像传感器研制一种既能消除视频设备视域局限性，又能更精确、更稳定地检测多种植物生长速率的非接触式检测系统是今后植物生长速率测量研究的方向。

2、总体方案的确立

精确检测植物生长速率是发展精准农业、数字农业的一个关键问题，本系统是集数据采集、信息传输、计算机远程监测于一体的自动化控制系统，从逻辑结构上可分为三大子系统：现场数据自动检测采集子系统、数据远程无线传输子系统、上位机终端数据接收与存储子系统。总体结构如1所示。

图1系统结构示意图

3、植物生长速率检测单元设计

3.1植物生长速率检测单元选择

植物生长速率检测单元测量参数主要是一定时间内的植物高度生长量。测量时，CCD传感器用于测定植物高度信息，单片机处理植物高度信息并驱动步进电机带动滚珠丝杠动作，最终通过计算步进电机的动作步长测定出植物的生长速率。

利用CCD传感器测量植物生长速率的基本原理是用平行光源来照射待测植物，使其投影在CCD上，倘若平行光准直度很理想，阴影的尺寸就代表了待测目标的尺寸。依据这个原理，本系统设计了一种CCD传感器动态检测的新检测机制——将植物最高点的高度信息固定在CCD传感器检测视野的特定位置上，即设定CCD传感器检测视野的某一坐标位置始终检测的是植物最高点的图像信息，然后单片机利用最高点高度信息驱动精密机械传动装置带动CCD传感器动作，保证CCD传感器始终检测的是植物的最高点高度，以消除CCD传感器视域局限性的限制。单片机最终通过计算步进电机的动作步长测定出植物的生长速率。

3.2数据采集传输单元选择

本系统使用GPRS网络数据传输技术，充分发挥GPRS技术的数据传输优势，避免了远程有线网络布线及维护成本高的缺点，具有技术先进、易于实现、可靠性高、成本造价低、易于普及等优点，极大地消除了系统检测对象及应用空间的限制。

3.3上位机数据存储显示单元选择

在服务器端运行的数据接收程序采用VC++开发工具设计，由于其效率高、功能强大、灵活高效，是目前Windows平台上的主要开发工具之一。该程序采用B/S(Brower/Server)体系结构，主要功能是侦听socket请求并建立网络连接，将接收到的数据存储到指定IP地址的服务器数据库中，用户可以通过客户端浏览器(Brower)实现数据的浏览和下载、提取和编辑等管理操作。

数据库存储子系统采用Microsoft公司推出的SQLServer2000数据库管理系统°SQLServer2000数据库引擎提供完整的XML支持，它还具有构成最大的Web站点的数据存储组件所需的可伸缩性、可用性和安全功能。SQLServer2000程序设计模型与WindowsDNA构架集成，用以开发Web应用程序，并且SQLServer2000支持EnglishQuery和Microsoft搜索服务等功能，在Web应用程序中包含了友好的用户查询和强大的搜索功能。

4、精密传动装置模块设计

植物生长速率的测量，要求CCD传感器在一定的时间间隔内采集到植物生长高度的图像信息。这就要求CCD图像传感器要始终以相同的分辨率采集到植物的外形全貌,但是，农业上，不同种类的植物植株高度不尽相同，同一株植物在不同生长时期的高度也有非常大差别，对于高植株种类的植物，随着其株高不断地增长，CCD传感器需要检测的视野范围也要不断增加，一旦植物生长高度超出CCD传感器固有的检测范围，检测就会出现错误。而且一旦选定CCD传感器，检测的视域范围也就相应固定下来，所以采取固定CCD传感器检测位置来检测植物生长速率的方法不可取。

针对CCD传感器视域局限性的缺点，设计了一种CCD传感器动态检测的新检测机制，即让CCD传感器随着植物高度的生长而动作，使CCD传感器只检测植株的最高点信息，不必采集整株植物的全部外形图像信息。为了保证CCD传感器的精准动作，设计了一种精密机械传动装置。精密机械传动装置主要由步进电机和滚珠丝杠组成。精密机械传动装置的动作完全取决于CCD传感器采集到的植物最高点信息，其作用就是使植物最高点的图像物理坐标与CCD传感器的某一固定像素坐标点始终一致。

5、GPRS模块设计

本系统采用GPRS网络作为数据的传输媒介，实现植物生长速率信息的远程无线传输，操作人员通过上位机的数据接收软件可以接收到远程客户端所检测到的植物生长速率信息以及植物生长环境数据信息，并对这些信息进行分析处理，以便工作人员通过所接收的信息情况及时调整植物生长环境，达到增收增产的目的。

6、结束语

植物生长速率检测系统是一种采集植物生长期内植株高度生长速率的实时检测系统。本文系统介绍了植物生长速率检测系统的组成、运行框架以及系统的设计与实现。信息采集系统中植物生长速率数据的采集使用高精度的CCD图像传感器，功耗小、效率高，非常适合于非接触式检测的图像采集。植物生长速率数据及植物生长环境数据的远程传输统一采用技术成熟的GPRS技术进行远程数据传输，成本低、速度快、传输容量高、可靠性强、监控范围广，为植物生长的无人为干扰以及植物生长速率的实时监测提供了可靠地保障。

本文系西华师范大学2020年省级创新创业训练计划项目“多维度农村检测系统”的阶段性成果。项目编号：S202010638102

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