資料介紹
描述
目前,由于植物脅迫和疾病造成的食物浪費(fèi)對(duì)作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)實(shí)踐的可持續(xù)性產(chǎn)生了重大影響。植物的壓力會(huì)對(duì)植物的健康和整體產(chǎn)量產(chǎn)生重大影響。早期識(shí)別受控環(huán)境農(nóng)業(yè) (CEA) 生長(zhǎng)植物中的壓力將使種植者能夠調(diào)整和優(yōu)化植物生長(zhǎng)條件,以最大限度地提高作物質(zhì)量、產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,同時(shí)減少食物浪費(fèi)和提高能源效率。
目前,關(guān)于如何減少或逆轉(zhuǎn)壓力對(duì) CEA 種植作物的影響的研究有限。需要進(jìn)一步的研究來加深我們對(duì)植物用來應(yīng)對(duì)這些環(huán)境中的壓力的??復(fù)雜信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的理解。早期識(shí)別壓力性狀尤為重要,了解“壓力過大”將使種植者能夠調(diào)整和優(yōu)化植物生長(zhǎng)條件以對(duì)抗壓力,確保最大的作物質(zhì)量、產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,同時(shí)減少食物浪費(fèi)和提高能源效率。
為了幫助這一系列研究,專門建造的容納表型設(shè)備的室將是一項(xiàng)重要資產(chǎn)。然而,這種性質(zhì)的外包設(shè)備非常昂貴,并且可以在實(shí)驗(yàn)室中占據(jù)大面積的寶貴空間。因此,將這些類型的技術(shù)的可及性限制在資金和空間有限的許多研究小組和早期職業(yè)研究人員。
我們的目標(biāo)是開發(fā)一種帶有內(nèi)置壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的低成本 CEA 室,以幫助進(jìn)一步調(diào)查這些關(guān)鍵信號(hào)事件,以提高 CEA 種植作物的生產(chǎn)力和可持續(xù)性。
設(shè)備開發(fā)
該設(shè)備有四個(gè)主要特點(diǎn):
- RGB 和 IR 相機(jī)
- 溫度控制
- 可控生長(zhǎng)燈
- 全程數(shù)據(jù)記錄
這些功能中的每一個(gè)都需要自己的系統(tǒng)和技術(shù),并且每個(gè)功能都有自己的問題要實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)總覽
該設(shè)備由兩個(gè)腔室組成:一個(gè)用于種植和監(jiān)測(cè)植物,另一個(gè)用于容納電子設(shè)備。
![pYYBAGNhzaaATtfLAACSXbFpQ9U278.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/77/55/pYYBAGNhzaaATtfLAACSXbFpQ9U278.png)
生長(zhǎng)室具有可控生長(zhǎng)燈、熱板和各種傳感器(溫度、濕度、光)。這些植物生長(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)室千斤頂頂部的培養(yǎng)皿中,因此可以將它們放在高架攝像機(jī)的焦點(diǎn)上。門用閉孔泡沫和磁性閂鎖密封。
電子室裝有一個(gè) Raspberry Pi (RPi)、一個(gè) Arduino、一個(gè) Peltier 熱泵、兩個(gè)觀察植物的攝像機(jī)以及各種控制電路和電源。
![poYBAGNhza6ARYpNAAGEBO3XP_8364.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/76/C3/poYBAGNhza6ARYpNAAGEBO3XP_8364.png)
RPi 控制攝像機(jī)和 arduino。arduino 控制燈和 Peltier,并從傳感器接收數(shù)據(jù),并在需要時(shí)將其傳輸回 RPi。
在測(cè)試過程中,可以改變不同顏色的溫度和光強(qiáng)度,并且可以在整個(gè)過程中以指定的時(shí)間間隔(低至每 10 秒)記錄數(shù)據(jù)和照片。
隨著數(shù)據(jù)的收集,它會(huì)從本地存儲(chǔ)實(shí)時(shí)移動(dòng)到云端(現(xiàn)在是 Google Drive)。一旦在云上,圖像就會(huì)準(zhǔn)備好并通過預(yù)制的 AraDEEPopsis 機(jī)器學(xué)習(xí)模型運(yùn)行,以識(shí)別葉子特征和其他措施。
數(shù)據(jù)記錄和控制
Raspberry Pi 3B+ 被選為“中央計(jì)算機(jī)”。這些是精簡(jiǎn)的低成本計(jì)算機(jī),可用于運(yùn)行自定義程序或直接與硬件連接。RPi 模型 3 及以上還具有內(nèi)置 WiFi,因此連接到云不需要任何額外的硬件。開發(fā)了一個(gè)串行協(xié)議以允許 RPi 在運(yùn)行測(cè)試時(shí)生成請(qǐng)求并從 Arduino 接收數(shù)據(jù)。
選擇 Arduino Uno 與傳感器和電子元件進(jìn)行接口是因?yàn)樗c RPi 具有出色的電子接口,并且可以減輕 RPi 的一些高速處理負(fù)載(用于控制高級(jí)電子設(shè)備),而不會(huì)產(chǎn)生太多的額外成本.
RPi 運(yùn)行測(cè)試的代碼是用 python 3.9.1 編寫的。還編寫了 Python 代碼以與 Lepton 3.5 接口,并將原始輸出文件解碼為 JPEG 圖像文件。arduino 的代碼是用 C++ 編寫的(包括特殊的 arduino 函數(shù))。
在測(cè)試期間,RPi 會(huì)創(chuàng)建一組新文件夾,并將圖像和數(shù)據(jù)反復(fù)寫入這些文件夾。正在保存的新數(shù)據(jù)由另一個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè),該系統(tǒng)將新的文件夾結(jié)構(gòu)和其中包含的數(shù)據(jù)上傳到 Google Drive(并在上傳后從 RPi 中刪除數(shù)據(jù))。
相機(jī)
為了監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)和對(duì)刺激的反應(yīng),將在可見光譜和中紅外光譜中重復(fù)拍攝圖像。
Raspberry Pi Camera V2 被選為可見光圖像的低成本、高分辨率解決方案,因?yàn)樗梢暂p松連接到 RPi 并且擁有完善的文檔記錄軟件。
Lepton 3.5 因其低成本、足夠的分辨率 (160x120) 和遙測(cè)功能(它可以根據(jù)像素值計(jì)算溫度)而被選擇用于紅外攝像機(jī)。然而,這款相機(jī)確實(shí)需要額外的電路板來操作它:為了節(jié)省成本,選擇了開發(fā)人員分線板 V2(與 Groupgets 的更昂貴但可能更易于使用的PureThermal 板相反)。
這兩個(gè)攝像頭將由 RPi 使用PiCamera 模塊和 FLIR 提供的驅(qū)動(dòng)程序直接控制。
溫度控制
選擇簡(jiǎn)單的 DHT11 傳感器來監(jiān)測(cè)室內(nèi)的溫度和濕度。這些傳感器相當(dāng)不精確(±1°C 和 ±1%),但足以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和濕度。
為了達(dá)到最高溫度±15°C的環(huán)境溫度,選擇了輕型珀?duì)柼K,因?yàn)樗叽缇o湊、操作簡(jiǎn)單,并且能夠加熱和冷卻。這意味著在運(yùn)行中,它將有一個(gè)“熱側(cè)”和一個(gè)“冷側(cè)”——哪一個(gè)取決于所提供電流的方向。因此,它可以加熱物體,或者如果電流反向;降溫。構(gòu)建了一個(gè) H 橋(一個(gè)由四個(gè)電子開關(guān)組成的網(wǎng)格,可以控制直流電流的方向)并用于控制來自 Arduino 的 Peltier。
室內(nèi)不能使用風(fēng)扇,因?yàn)檠h(huán)可能會(huì)干擾植物的反應(yīng)或在拍照時(shí)干擾它們。因此,為了提供冷卻,將寬金屬板(熱板)安裝到由 Peltier 加熱或冷卻的生長(zhǎng)室的內(nèi)部頂部,從而被動(dòng)地加熱或冷卻室。該板還可以作為生長(zhǎng)燈的散熱器(在運(yùn)行中會(huì)變熱),使它們與腔室同時(shí)冷卻。
RPi 將決定腔室的溫度,但 Arduino 將使用簡(jiǎn)單的滯后控制算法來控制 Peltier。
種植燈
所需的生長(zhǎng)燈提供各種波長(zhǎng)(顏色)的光,每一種都可以獨(dú)立控制。選擇 LED 是因?yàn)樗鼈兙哂姓ㄩL(zhǎng)輸出和高效率。由于腔室將不透明以阻擋外部光線,因此這些必須足夠強(qiáng)大以完全為植物提供食物。普通的業(yè)余愛好 LED 的功率容量約為 100mW 或更低——種植植物需要大約 40W 的光源(功率大約是 400 倍)。
可以構(gòu)建一個(gè)由 400 個(gè)小型 LED 組成的陣列,這可能會(huì)提供更多關(guān)于波長(zhǎng)的定制,但簡(jiǎn)單的替代方案是購(gòu)買一個(gè)(或兩個(gè))大功率 LED 陣列。為避免損壞這些陣列,它們由恒流 LED 驅(qū)動(dòng)器供電,該驅(qū)動(dòng)器將準(zhǔn)確提供 LED 所需的電流。
每個(gè)顏色的 LED 需要相同的電流,但需要不同的電壓。通過選擇具有包含所有不同 LED 的輸出電壓范圍的 LED 驅(qū)動(dòng)器,可以為所有 LED 使用單一類型的驅(qū)動(dòng)器。
設(shè)計(jì)了許多控制方案來單獨(dú)操作每種 LED 顏色,但最終為每種波長(zhǎng)配備一個(gè)單獨(dú)的可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器被證明是最有效的。可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器可以使用脈寬調(diào)制 (PWM) 根據(jù)單獨(dú)的電子信號(hào)來控制提供的電流(以及亮度)。
我們需要的可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器(48V,700mA)通常每個(gè) >20 英鎊。然而,基于 ILD6070 芯片的定制驅(qū)動(dòng)程序最終成本約為 4 英鎊。這確實(shí)需要手工焊接電路,但對(duì)于少數(shù)驅(qū)動(dòng)器來說,這并不太費(fèi)力,而且效果很好。
細(xì)枝末節(jié)
輕子接口
為了讓 Lepton 3.5 正常工作,請(qǐng)遵循本指南或 FLIR Breakout board V2,但要真正讓它工作需要使用內(nèi)核版本4.14.71-v7+
而不是最新版本。還需要其他軟件包:Bison、Flex 和 libssl-dev。這些可以通過在 RPi 終端中運(yùn)行以下命令來安裝。
sudo apt-get install bison
sudo apt-get install flex
sudo apt-get install libssl-dev
應(yīng)該為 RPi 提供一個(gè)功能齊全的操作系統(tǒng)映像,并完成所有這些步驟,從而為您省去很多麻煩。要安裝它,請(qǐng)使用另一臺(tái)計(jì)算機(jī)將映像刷入 RPi SD 卡,就像您第一次安裝 Raspbian 一樣。
不存在與 Lepton 3.5 分線板連接的簡(jiǎn)單解決方案(在撰寫本文時(shí))。遺憾的是,PiLepton 之類的庫盡管受到了很多刺激,但仍然無法正常工作。并且FLIR Lepton SDK非常不友好,需要開發(fā)人員從技術(shù)數(shù)據(jù)表中解碼SPI和I2C的低級(jí)協(xié)議。
幸運(yùn)的是,在入門教程的最后,有一個(gè)命令允許用戶通過運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序附帶的預(yù)編譯 C(?) 程序來拍攝 n 張照片。該命令如下:
./lepton_data_collector -3 -c 50 -o /tmp/capture/frame_
-
lepton_data_collector
是程序的名稱 -
-3
告訴程序我們正在使用 Lepton 3 .x -
-c 50
告訴程序拍攝 50 張照片 -
-o /tmp/capture/frame_
告訴程序?qū)D像保存為文件夾中的frame_XXXXXX.jpg/tmp/capture/
圖像的名稱將始終包含六個(gè)額外的數(shù)字來表征它是 50 個(gè)圖像中的哪一個(gè)。使用 pythonos
庫,此命令(或類似命令)可以由程序自動(dòng)運(yùn)行。編寫這樣的腳本來運(yùn)行以下命令:
./lepton_data_collector -3 -c 1 -o /
這將(以一種相當(dāng)間接的方式)拍攝 1 張照片(稱為
),并將其放在具有指定名稱的指定文件夾中。這種間接方法很慢,每張圖像大約需要 1-2 秒。因此,這將開發(fā)的視頻預(yù)覽功能限制在相當(dāng)?shù)偷?0.5-1 fps,它通過重復(fù)調(diào)用上述命令來工作。
云存儲(chǔ)和處理
Microsoft Sharepoint 是理想的云存儲(chǔ)解決方案(由于大學(xué)附屬機(jī)構(gòu)提供了較大的存儲(chǔ)空間),但是要跳過的管理和技術(shù)障礙的數(shù)量太大了。為設(shè)備創(chuàng)建自定義 gmail 帳戶并使用此類帳戶隨附的 15GB Google Drive 存儲(chǔ)空間更為直接。
當(dāng)設(shè)備運(yùn)行測(cè)試時(shí),它將創(chuàng)建一組新的文件夾,根據(jù)將記錄第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的日期/時(shí)間進(jìn)行唯一命名。這通常采用 YYYY-MM-DD-HH_MM_SS 的形式。
![poYBAGNhzbWAB3lrAAB_O7GFkw0810.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/76/C3/poYBAGNhzbWAB3lrAAB_O7GFkw0810.png)
icrontab 腳本監(jiān)視數(shù)據(jù)文件夾中是否有任何要創(chuàng)建的新文件夾或文件,并在創(chuàng)建時(shí)觸發(fā)rclone
命令,以與 RPi 上相同的布局將新文件或文件夾上傳到 Google Drive。然后從 RPi 中刪除所有文件(.jpg、.png、.txt 文件)。擴(kuò)展名為 .tmp 的文件不包括在內(nèi),因?yàn)樵趫?zhí)行測(cè)試時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)不斷寫入這種類型的文件。測(cè)試結(jié)束時(shí),將填寫好的tmp文件的副本保存為txt文件(上傳到驅(qū)動(dòng)器),并刪除tmp文件。
珀耳帖熱泵
珀?duì)柼K是一種熱泵,由半導(dǎo)體結(jié)的扁平網(wǎng)格組成。當(dāng)電流流過這個(gè)網(wǎng)格時(shí),熱量會(huì)從模塊的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。由于 Peltier 模塊并不完美,通過它們的任何電流總是會(huì)產(chǎn)生額外的熱量作為副產(chǎn)品。這意味著模塊的冷卻效率將隨著提供更多電流而降低,因?yàn)楦碑a(chǎn)品加熱最終會(huì)抵消任何冷卻效果。請(qǐng)查閱 Peltier 數(shù)據(jù)表以獲得最佳電流使用 - 根據(jù)經(jīng)驗(yàn),您想要的冷卻功率應(yīng)該是最大限制的 0.2 倍,工作電流應(yīng)該是 Peltier 最大電流限制的 0.3 倍。
此外,將 Peltier 從熱快速切換到冷將導(dǎo)致設(shè)備迅速退化,類似于反復(fù)冷凍香蕉然后用噴燈解凍。沿著這些思路,也應(yīng)該避免使用 PWM,尤其是在最大電流下使用 Peltier(盡管是間歇性的)效率非常低 - 由于上面解釋的自熱效應(yīng)。
一種簡(jiǎn)單的控制方法是使用 Peltier 加熱/冷卻,直到達(dá)到所需的目標(biāo)溫度,然后將其關(guān)閉。一旦溫度低于目標(biāo)值,Peltier 就會(huì)再次啟動(dòng)并將其提高一點(diǎn),但它會(huì)再次回落。這導(dǎo)致 Peltier 在目標(biāo)溫度附近快速打開和關(guān)閉,這基本上就像我們?cè)噲D避免的 PWM。為了克服這個(gè)問題,需要引入滯后。這意味著何時(shí)打開 Peltier 的規(guī)則與何時(shí)關(guān)閉不同。
![poYBAGNhzbeAMG_xAABEpAB7z1o160.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/76/C3/poYBAGNhzbeAMG_xAABEpAB7z1o160.png)
上述數(shù)字是藝術(shù)家對(duì)此類控制系統(tǒng)如何運(yùn)行的再現(xiàn)。簡(jiǎn)單的方法在目標(biāo)溫度附近波動(dòng)非常快,只需進(jìn)行微小的調(diào)整;很快就把 Peltier 穿出來了。滯后方法顯示出慢得多的振蕩,因?yàn)?Peltier 僅在目標(biāo)溫度下關(guān)閉,并且僅在下邊界處重新打開。不利的一面是,這會(huì)導(dǎo)致更廣泛的溫度變化 - 但實(shí)際上最多為 ± 0.5 度。
LED 和 LED 驅(qū)動(dòng)器
LED 通過電流工作 - 每個(gè)通過 LED 的安培都會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的光子(光)。然而,只有當(dāng)您超過 LED 的閾值電壓時(shí),該電流才會(huì)流動(dòng)。這個(gè)閾值電壓意味著 LED 存在兩種狀態(tài)。低于這個(gè)電壓,它們可以被認(rèn)為是非常大的電阻器,作用很小。在閾值電壓以上,它們會(huì)變成非常小的電阻,如果不加以檢查,將允許非常大的電流流動(dòng)。通常使用恒流驅(qū)動(dòng)器/電源,因?yàn)樗鼈儠?huì)主動(dòng)控制它們提供的電流。這是更常見的恒壓驅(qū)動(dòng)器(如電池)的替代方案。使用恒壓驅(qū)動(dòng)器的風(fēng)險(xiǎn)在于,在電壓略高于閾值時(shí),大多數(shù) LED 會(huì)消耗大量電流以致于損壞自身。
可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器使用脈寬調(diào)制 (PWM) 來控制 LED 的亮度。它們無需調(diào)整微調(diào)的電流或電壓,而是非常快速地閃爍燈。
![poYBAGNhzbuANHDOAABWEog9dXA776.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/76/C3/poYBAGNhzbuANHDOAABWEog9dXA776.png)
每個(gè)周期有兩個(gè)部分,一個(gè)是有電流流過,燈亮,一個(gè)是沒有電流流過,燈熄滅。這通常發(fā)生得如此之快,以至于人眼都察覺不到。通過調(diào)整這兩個(gè)持續(xù)時(shí)間的比例,隨著燈光保持的總時(shí)間比例發(fā)生變化,燈光會(huì)顯得更暗或更亮。這也直接控制了燈發(fā)出的功率(因?yàn)楣β适且欢螘r(shí)間內(nèi)的平均值),這是植物所關(guān)心的。
我們使用 ILD6070 芯片來構(gòu)建定制的 LED 驅(qū)動(dòng)器。該芯片輸出的電流值由用戶選擇的電容和電感指定。通過數(shù)據(jù)表來生成這些電容器和電感器值有些令人生畏,但英飛凌提供了合適的文檔來提供幫助。
死后
建造
最終系統(tǒng)安裝了攝像頭和燈,但由于空間限制,難以將所有電子設(shè)備安裝在分配的空間中。實(shí)驗(yàn)室千斤頂被證明是不穩(wěn)定的,但足以進(jìn)行粗略的高度調(diào)整。由于高壓端子暴露給用戶,因此需要安裝漫射器/防護(hù)裝置以覆蓋光陣列。
![poYBAGNhzdKAV4t5AAbpOw32mjE209.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/76/C4/poYBAGNhzdKAV4t5AAbpOw32mjE209.jpg)
攝像機(jī)也需要防護(hù),因?yàn)樗鼈儽┞对谙旅娴脑刂小?/font>這些防護(hù)裝置必須允許可見光和/或中程紅外光通過,攝像機(jī)才能正常運(yùn)行。
數(shù)據(jù)記錄和控制
RPi 和 Arduino 之間的鏈接已經(jīng)建立并且運(yùn)行良好。將數(shù)據(jù)記錄到 Google Drive 也很有效。該設(shè)備需要單獨(dú)的顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)來控制。需要手動(dòng)創(chuàng)建運(yùn)行測(cè)試的配方文件。
相機(jī)
Picamera 產(chǎn)生清晰的照片并且易于使用。由于燈光的 PWM 控制,它會(huì)出現(xiàn)圖像偽影——它可以在拍攝圖像時(shí)檢測(cè)到閃爍。可以調(diào)整相機(jī)中的設(shè)置以糾正此問題。
Lepton 3.5 分線板非常難以使用,并最終通過錯(cuò)誤的布線殺死了腔室 Raspberry Pi。由于界面受限,遙測(cè)(溫度值)沒有從圖像中提取出來,但可能需要更多時(shí)間。
溫度控制
溫度控制方法效果很好。在實(shí)踐中,熱泵無法在全功率下有效地冷卻燈,但在 <20% 的運(yùn)行 (~100umol/m^2/s) 下可能就足夠了。需要進(jìn)行更多測(cè)試以了解冷卻溫度的限制。
需要大量開發(fā)來設(shè)計(jì)與 Peltier 設(shè)備一起使用的足夠高電流的 H 橋,一種更精簡(jiǎn)但成本更高的方法是購(gòu)買大功率可變電流驅(qū)動(dòng)器,盡管這些并不常見。
種植燈
燈和定制驅(qū)動(dòng)器工作得很好,在峰值強(qiáng)度下產(chǎn)生高達(dá) 610umol/m^2/s。在沒有風(fēng)扇的情況下,在這些強(qiáng)度下散熱成為一個(gè)問題。
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