CN110290319A - 绿叶菜表型特征的全生长周期原位自动采集系统 - Google Patents

Abstract

一种绿叶菜表型特征的全生长周期原位自动采集系统，包括：通过可编程时间控制模块分别与图像采集模块、嵌入式控制模块、继电器机械接口模块和拍摄优化模块相连的电源模块，其中：可编程时间控制模块向各模块传输电源模块供电通断的控制信息，嵌入式控制模块通过继电器机械接口模块与图像采集模块相连并传输拍摄、对焦或开关控制信息以实现自动化图像采集，嵌入式控制模块通过继电器机械接口模块与拍摄优化模块相连并发出相关控制指令、输出相关控制动作。本发明综合机器视觉分析处理技术和对普通数码相机的自动控制技术，能够实现非接触式的无损测量。在绿叶菜保持原位的条件下进行自动的植物全生长周期表型特征采集，无需人工在旁操作或看管。

Description

绿叶菜表型特征的全生长周期原位自动采集系统

技术领域

本发明涉及的是一种农业领域的技术，具体是一种绿叶菜表型特征的全生长周期原位自动采集系统。

背景技术

植物表型特征的动态变化是植物水分诊断、生长实时检测和植物生长建模的重要依据。现有表型信息采集多为破坏性的离线采集，即无法实现对同一采集对象表型特征的全生长周期连续采集提取。当需要原采集时，一般采用人工定时、定点采集的方式，自动化程度不高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种绿叶菜表型特征的全生长周期原位自动采集系统，综合利用机器视觉分析处理技术和对普通数码相机的自动控制技术，实现对绿叶菜表型特征的全生长周期表型特征原位自动采集。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：可编程时间控制模块、图像采集模块、嵌入式控制模块、继电器机械接口模块、电源模块和拍摄优化模块，其中：可编程时间控制模块分别与图像采集模块、嵌入式控制模块和拍摄优化模块相连并传输电源模块供电通断的控制信息并根据绿叶菜全生长周期表型特征拍摄需要设定工作循环时间，当需要进行拍摄工作时自动接通电源模块，在图像采集模块的工作间隙切断电源以实现节省能耗，图像采集模块的数码相机通过控制线缆与继电器机械接口模块相连接并通过继电器机械接口模块模拟图像采集模块的控制按钮的机械触点得以实现图像采集模块的拍摄、对焦或开关控制来完成采集过程，嵌入式控制模块通过继电器机械接口模块与拍摄优化模块相连并当图像采集模块对绿叶菜进行图像拍摄时，拍摄优化模块通过测光传感器来控制固定在光源固定支架上的补光光源进行补光以提升成像质量，保证图像采集时的光照条件基本一致。

所述的继电器机械接口模块包括四个继电器，其中：第一至第三继电器均设有常开触点和公开触点，第一继电器的第一常开触点和第一公共触点分别与图像采集模块的开关机械触点连接控制相机开关，第二继电器的第二公共触点与第三继电器的第三公共触点通过导线并联形成第五公共触点，第二继电器的第二常开触点和第五公共触点均与图像采集模块的对焦触点连接以实现图像采集模块自动对焦功能，第三继电器的第三常开触点和第五公共触点均与图像采集模块的拍摄触点连接以实现图像采集模块的拍摄功能。

所述的图像采集模块布置在采样对象的侧方，用于采集其表型特征，其具体包括CCD数码相机和相机支架，其中：设置于相机支架上的CCD数码相机对绿叶菜进行图像拍摄。

所述的相机支架顶部设有固定螺丝，数码相机可通过自身底部的固定孔与之相连固定，数码相机控制按钮的机械触点分别用导线引出，并与对应的继电器接口模块的机械触点相连。

所述的拍摄优化模块包括：测光传感器、补光光源和光源固定支架，其中：测光传感器分别与可编程时间控制模块和嵌入式控制模块相连。

所述的电源模块包括：220V交流电源子模块和5V直流电源子模块，其中：220V交流电源子模块为整个系统供电，5V直流电源子模块可将220V交流电转化为5V直流电并分别为图像采集模块、嵌入式控制模块、继电器机械接口模块供电。

技术效果

与现有技术相比，本发明综合机器视觉分析处理技术和对普通数码相机的自动控制技术，搭载数码相机的光学镜头，该相机使用的CCD传感器色彩还原真实、分辨率高，能够实现非接触式的无损测量。在绿叶菜保持原位的条件下进行自动的植物全生长周期表型特征采集，无需人工在旁操作或看管。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为继电器机械接口模块与数码相机连接方式的示意图；

图4为本发明的拍摄控制时序图；

图中：数码相机1、总控制箱2、测光传感器3、补光光源4、电源模块5、光源固定支架6、相机固定支架7、可编程时间控制模块8、嵌入式控制模块9、继电器机械接口模块10、第一至第三常开触点11～13、第一至第三公共触点14～16、第五公共触点17、第一至第四继电器R1～R4。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例包括：作为图像采集模块的数码相机1、测光传感器3、补光光源4、总控制箱2和电源模块5，其中：电源模块5通过可编程时间控制模块8分别与数码相机1、总控制箱2和测光传感器3相连以传输电源模块5供电通断的信息，数码相机1通过控制线缆与总控制箱2相连，测光传感器3与补光光源4相连并传输补光信号以减小图像采集时的光照差异，总控制箱2与数码相机1相连并传输拍摄、对焦或开关控制信息，总控制箱2与测光传感器3相连并收集光照强度信息以及时调整补光光源4的补光强度信号。

所述的可编程时间控制模块8控制各模块的电源供给，在系统工作的间隙自动切断电源以避免系统长期处于通电工作状态，有利于节约能源并提高系统的稳定性。

所述的可编程时间控制模块8包括：输入单元、控制单元与输出单元，其中：输入单元与电源模块5相连并接受供电，控制单元分别与输入、输出单元相连并传输电源通断控制信息，输出单元分别与数码相机1、嵌入式控制模块9和继电器机械接口模块10相连并根据控制单元的预设逻辑进行供电或断电。

所述的数码相机1的底部连有相机固定支架7，二者通过固定孔与螺丝配合相连。

所述的测光传感器3和补光光源4的底部设有光源固定支架6以将测光传感器3和补光光源4设置于绿叶菜的一侧。

所述的总控制箱2包括：相连的嵌入式控制模块9和继电器机械接口模块10，其中：嵌入式控制模块9向继电器机械接口模块10传输控制指令和控制动作，嵌入式控制模块9与测光传感器3相连，继电器机械接口模块10的机械触点分别与数码相机1控制按钮的机械触点引出的导线相连。

所述的嵌入式控制模块9控制继电器机械接口模块10的各触点的通断以此控制数码相机1的开关、对焦和拍摄功能，并且在数码相机1完成任务后依照反向逻辑顺次动作以关闭数码相机1，该嵌入式控制模块9包括：输入单元、控制单元、输出单元，其中：输入单元分别与可编程时间控制器8相连并接收供电，与测光传感器3相连并接收环境光强信息，控制单元与输出单元相连并根据预设的工作逻辑传输控制信息，输出单元分别与继电器接口模块10相连并传输控制继电器接口模块10中继电器触点开闭的信息，与补光光源4相连并传输补光强度调整信息，以保证拍摄图片的高质量。

所述的继电器机械接口模块10模拟数码相机1的电源和拍摄控制按钮的机械触点以模拟数码相机1拍照过程中的真实动作逻辑，并利用机械触点实现数码相机1内部工作电路与外部控制电路相独立以防止外部信号干扰数码相机1正常工作。

所述的电源模块5包括：220V交流电源子模块和5V直流电源子模块，其中：220V交流电源子模块为整个系统供电，5V直流电源子模块分别为数码相机1、嵌入式控制模块9和继电器机械接口模块10供电。

如图3所示，所述的继电器机械接口模块10具有四个继电器R1～R4，第一继电器R1至第三继电器R3均分别具有常开触点和公共触点，其中：第一继电器R1的第一常开触点11和第一公共触点14分别与数码相机1的开关机械触点连接，第二继电器R2的第二公共触点15与第三继电器R3的第三公共触点16通过导线并联为第五公共触点17，第二继电器R2的第二常开触点12和第五公共触点17均与数码相机1的对焦触点连接以实现数码相机1的自动对焦功能，第三继电器R3的第三常开触点13和第五公共触点17均与数码相机1的拍摄触点连接以实现数码相机1的拍摄功能。

如图4所示，上述系统的图像采集过程具体如下，可编程时间控制模块8启动，电源模块5为数码相机1和测光传感器3供电。补光光源4接收测光传感器3和继电器机械接口模块10的补光信号后启动并为数码相机1的拍摄过程提供光源。数码相机1在接收继电器机械接口模块10传来的启动信号启动后，数码相机1启动；当数码相机1接收到对焦信号后，数码相机1对目标绿叶菜进行对焦；在对焦状态下，数码相机1接收到拍摄信号后，数码相机1对目标绿叶菜进行拍摄；完成拍摄后，将图像存储于数码相机1内置的储存卡中，数码相机1接收到继电器机械接口模块10传来的关闭信号，则对焦状态和拍摄状态同时结束并关机。在数码相机1关机状态下，可编程时间控制模块8关闭，同时补光光源4关闭，则图像采集的一个工作流程结束。

经过具体实际实验，在满足绿叶菜生长需求的环境中下，以绿叶菜的一个生长周期为总时长，以小时为拍摄时间间隔，在无人监管、自动采集的情况下运行上述方法后，能够获得稳定、连续、精确的的绿叶菜全生长周期的表型特征图片实验数据。与现有技术相比，本方法的性能指标提升在于：采集相机使用的CCD传感器色彩还原真实、分辨率高，图像数据质量高；采集方式为非接触式、无损测量；采集过程自动化程度高；电源系统自动运行与停止，耗电量低、节能环保。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种绿叶菜表型特征的全生长周期原位自动采集系统，其特征在于，包括：可编程时间控制模块、图像采集模块、嵌入式控制模块、继电器机械接口模块、电源模块和拍摄优化模块，其中：可编程时间控制模块分别与图像采集模块、嵌入式控制模块和拍摄优化模块相连并传输电源模块供电通断的控制信息并根据绿叶菜全生长周期表型特征拍摄需要设定工作循环时间，当需要进行拍摄工作时自动接通电源模块，在图像采集模块的工作间隙切断电源以实现节省能耗，图像采集模块通过控制线缆与继电器机械接口模块相连接并通过继电器机械接口模块模拟控制按钮的机械触点得以实现图像采集模块的拍摄、对焦或开关控制来完成采集过程，嵌入式控制模块通过继电器机械接口模块与拍摄优化模块相连并当图像采集模块对绿叶菜进行图像拍摄时，拍摄优化模块通过测光传感器来控制固定在光源固定支架上的补光光源进行补光以提升成像质量，保证图像采集时的光照条件基本一致。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的继电器机械接口模块包括四个继电器，其中：第一至第三继电器均设有常开触点和公开触点，第一继电器的第一常开触点和第一公共触点分别与图像采集模块的开关机械触点连接控制相机开关，第二继电器的第二公共触点与第三继电器的第三公共触点通过导线并联形成第五公共触点，第二继电器的第二常开触点和第五公共触点均与图像采集模块的对焦触点连接以实现图像采集模块自动对焦功能，第三继电器的第三常开触点和第五公共触点均与图像采集模块的拍摄触点连接以实现图像采集模块的拍摄功能。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的可编程时间控制模块包括：输入单元、控制单元与输出单元，其中：输入单元与电源模块相连并接受供电，控制单元分别与输入、输出单元相连并传输电源通断控制信息，输出单元分别与数码相机、嵌入式控制模块和继电器机械接口模块相连并根据控制单元的预设逻辑进行供电或断电。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的拍摄优化模块包括：相连的测光传感器和补光光源，其中：测光传感器分别与可编程时间控制模块和嵌入式控制模块相连。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的电源模块包括：220V交流电源子模块和5V直流电源子模块，其中：220V交流电源子模块为整个系统供电，5V直流电源子模块分别为所有模块供电。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的嵌入式控制模块控制继电器机械接口模块的各触点的通断以此控制数码相机的开关、对焦和拍摄功能，并且在数码相机完成任务后依照反向逻辑顺次动作以关闭数码相机，该嵌入式控制模块包括：输入单元、控制单元、输出单元，其中：输入单元分别与可编程时间控制器相连并接收供电，与测光传感器相连并接收环境光强信息，控制单元与输出单元相连并根据预设的工作逻辑传输控制信息，输出单元分别与继电器接口模块相连并传输控制继电器接口模块中继电器触点开闭的信息，与补光光源相连并传输补光强度调整信息，以保证拍摄图片的高质量。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的图像采集模块的底部设有相机支架。

8.一种控制上述任一权利要求所述系统的方法，其特征在于，通过启动可编程时间控制模块并控制电源模块为图像采集模块和拍摄优化模块的测光传感器供电，拍摄优化模块的补光光源接收测光传感器和继电器机械接口模块的补光信号后启动并为图像采集模块的拍摄过程提供光源，图像采集模块在接收继电器机械接口模块传来的启动信号后进入待机状态；当图像采集模块接收到对焦信号后，图像采集模块对目标绿叶菜进行对焦；当图像采集模块在对焦状态下收到拍摄信号时对目标绿叶菜进行拍摄，并将图像存储于图像采集模块内置的储存卡中；当图像采集模块接收到继电器机械接口模块传来的关闭信号时，结束对焦状态和拍摄状态并关机；当图像采集模块进入关机状态时，可编程时间控制模块控制补光光源关闭，完成一个图像采集工作流程。