CN111011065A - 一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法及系统，采用基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统包括3D相机、工控计算机和浇灌装置；由3D相机采集朱砂根盆栽的3D数据；根据3D数据进行分析，确定朱砂根叶片的整体平均高度；根据多组平均高度数据进行调试，进行叶片萎蔫识别后确定朱砂根的浇灌阈值；根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，对朱砂根盆栽进行浇灌。本发明能够根据缺水时其叶片发生萎蔫从而导致整个植株整体高度发生变化的原理为朱砂根盆栽进行自动浇灌，实现朱砂根盆栽的自动化水分管理维护，也能够为朱砂根盆栽提供优良的生长环境，保证其健康成长；浇灌过程省时省力，大大减少了人力成本和时间成本。

Description

一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法及系统
技术领域
本发明属于植物培育技术领域，特别是涉及一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法及系统。
背景技术
朱砂根是一种隶属于紫金牛科紫金牛属的常绿小灌木，其种质资源丰富、分布广泛，在我国主要分布于湿润、温暖且荫蔽的长江流域以南各省区，包括四川、湖南、广西等地。朱砂根因四季常青、株形优美、绿叶红果，且观果期长，可作为室内观果、观叶盆栽植物，又因耐阴性强，可带植于荫蔽林下，也可点缀露地吸水山石园，还可运用在园林绿化的复合结构下层，是一种新型园林绿化树种。同时，朱砂根根系分布深广，对地表土壤可起到强大的固定作用，以防止地表径流对水土的冲刷，而植于木本林带或密林内林下，可构成多层结构以增加绿量。此外，朱砂根果可食，榨油可制肥皂，可增加经济效益。另外，朱砂根属于民间常用中草药，有较高的药用价值。现代临床研究表明，朱砂根提取物具有多种显著药理特性，尤其是其根部积累的大量朱砂根皂苷具有显著减少癌细胞扩散或直接杀伤癌细胞等作用，有望成为下一代抗癌新药。因此，兼具观赏与药用价值的优良多功能型园林植物朱砂根，具有多种生态与经济用途，在国家“乡村振兴”、“美丽中国”以及“公园城市”建设，以及医药行业中具有极大的开发潜力和广阔的市场应用前景。
目前朱砂根多用于盆栽观赏，在栽培过程中喜温暖、湿润、荫蔽、通风良好环境，不耐旱瘠，也不适于水湿环境，要求排水良好。在气候干燥地区，应及时浇水并喷雾，以保持较高空气湿度，尤其是夏季；在生长期、开花期肥水要求较多，冬季休眠、夏季生长缓慢时要控制肥水，以防烂根。然而，对于朱砂根盆栽的浇灌管理，传统做法基本上是以人工灌溉为主，无法保证朱砂根盆栽处于一个优良的生长环境，也常常因为浇灌不利造成生长不良、出现病态或死亡，且浇灌过程费时费力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法及系统，能够根据缺水时其叶片会发生萎蔫从而导致整个植株整体高度发生变化的原理为朱砂根盆栽进行自动浇灌，实现朱砂根盆栽的自动化水分管理维护，也能够为朱砂根盆栽提供优良的生长环境，保证其健康成长；浇灌过程省时省力，大大减少了人力成本和时间成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法，采用基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统包括3D相机、工控计算机和浇灌装置，所述3D相机将采集的数据发送至工控计算机，由工控计算机进行分析处理后控制浇灌装置工作为大棚内各个朱砂根盆栽进行浇灌；包括步骤：
由3D相机采集朱砂根盆栽的3D数据；
根据3D数据进行分析，确定朱砂根叶片的整体平均高度；
根据多组平均高度数据进行调试，进行叶片萎蔫识别后确定朱砂根的浇灌阈值；
根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，对朱砂根盆栽进行浇灌。
进一步的是，所述3D相机采用基于三角测量原理的移相法结构光技术，结构光技术投射的光能根据朱砂根的植株高度通过调整焦距来覆盖整盆朱砂根叶片，从而获取整盆朱砂根叶片样本的3D数据，无需移动相机进行移动扫描就能获取整盆朱砂根叶片样本的3D数据。
进一步的是，结合所述3D数据进行分析输出确定的朱砂根叶片的整体平均高度，根据叶片萎蔫识别状态进行调试确定朱砂根的浇灌阈值，由浇灌阈值根据叶片高度数据控制电磁阀工作实现植株浇灌。
进一步的是，根据叶片萎蔫识别状态进行调试确定朱砂根的浇灌阈值，包括步骤：
将朱砂根一次浇足够量的水；
经过12个小时后，通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值，从而确定拍摄到植株几何曲面到地面水平面的平均距离H0；
再经过24个小时后，通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值，从而确定浇水后36h的植株几何曲面到地面水平面的平均距离H1；
再经过12个小时后，通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值，从而确定浇水后48h的植株几何曲面到地面水平面的平均距离H2；
以12个小时为周期，调试循环依次计算至第n次平均距离，直到叶片萎蔫后，分别得到H0、H1、H2、H3……Hn，得到平均高度差的绝对值|Hn-H0|为朱砂根的浇灌阈值A。
进一步的是，根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，包括步骤：
获取3D数据，对3D数据进行上述处理后，计算第n+1次平均距离，得到Hn+1；当Hn+1-H0≥A时，开启电磁阀对植株进行浇灌。
另一方面，本发明还提出了一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，包括3D相机、工控计算机和浇灌装置，所述3D相机的信号端与工控计算机电连接，所述工控计算机与浇灌装置的电控端电连接；
所述3D相机将采集的采集朱砂根盆栽的3D数据发送至工控计算机，由工控计算机根据3D数据进行分析处理后，确定朱砂根叶片的整体平均高度，根据多组平均高度数据进行调试，确定朱砂根的浇灌阈值；工控计算机根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，控制浇灌装置工作为各个朱砂根盆栽进行浇灌。
进一步的是，所述浇灌装置包括水箱、电磁阀以及构成浇灌水管网，所述水箱的出水管路上设置电磁阀，且出水管路连接至分布在各个朱砂根盆栽处的浇灌水管网，所述电磁阀的电控端连接至工控计算机，通过工控计算机控制开关电磁阀及浇灌时间；浇灌水管网包括环管和橡胶软管，在环管上环绕设置多个橡胶软管。可编程控制器打开电磁阀的持续时间T根据调试过程中浇透所有花盆时的需要时间T决定，将该时间T通过工控机写入西门子可编程控制器中，每次浇水的时间固定为T。
进一步的是，在所述水箱外设置有水泵，所述水泵通过管路连接外界水源和水箱，所述水泵的电控端连接至工控计算机，通过工控计算机控制开关水泵每次浇灌后自动抽水到水箱中；水箱内的水来自于地下水或自来水网；每次抽水的时间T1写入可编程控制器中，T1由调试时每次浇灌后水箱水位恢复到水箱水满所用的时间确定。
进一步的是，所述工控计算机包括可编程控制器，所述可编程控制器通过数据线连接3D相机和浇灌装置的电磁阀。
进一步的是，在大棚内将朱砂根盆栽分为多组，每组盆栽设置一套基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，所述3D相机设置在组内一盆盆栽的上方并将采集的数据发送至工控计算机，所述浇灌装置分布至该组内各个朱砂根盆栽处进行浇灌。
采用本技术方案的有益效果：
本发明通过3D相机对朱砂根盆栽扫描的3D数据在控制器中进行叶片萎蔫识别后进行浇灌控制方法，此控制方法是通过根据叶片高度数据进行叶片萎蔫度识别，确定浇灌阈值；由浇灌阈值根据叶片高度数据控制电磁阀工作实现植株浇灌。从而使得本发明能够根据缺水时其叶片会发生萎蔫从而导致整个植株整体高度发生变化的原理为朱砂根盆栽进行自动浇灌，实现朱砂根盆栽的自动化水分管理维护，也能够为朱砂根盆栽提供优良的生长环境，保证其健康成长；浇灌过程省时省力，大大减少了人力成本和时间成本。无论是从开发还是从实施过程的角度都更加容易实现，且成本较低，适用于大批量的大棚中朱砂根种植使用。
本发明所提出的方法简单精确、自动化程度高、减少人工成本和时间成本，同时针对不同品质的朱砂根能灵活的调节土壤湿度及成分，对于控制朱砂根的品质具有重要实用价值。
附图说明
图1为本发明的一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中确定朱砂根浇水的阈值方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统的结构示意图；
图4为本发明实施例中一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统的控制连接示意图；
其中，1是3D相机，2是工控计算机，3是朱砂根盆栽，4是水箱，5是电磁阀，6是浇灌水管网，7是水泵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法，采用基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统包括3D相机1、工控计算机2和浇灌装置，所述3D相机1将采集的数据发送至工控计算机2，由工控计算机2进行分析处理后控制浇灌装置工作为大棚内各个朱砂根盆栽3进行浇灌；包括步骤：
由3D相机1采集朱砂根盆栽3的3D数据；
根据3D数据进行分析，确定朱砂根叶片的整体平均高度；
根据多组平均高度数据进行调试，进行叶片萎蔫识别后确定朱砂根的浇灌阈值；
根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，对朱砂根盆栽3进行浇灌。
作为上述实施例的优化方案，所述3D相机1采用基于三角测量原理的移相法结构光技术，结构光技术投射的光能根据朱砂根的植株高度通过调整焦距来覆盖整盆朱砂根叶片，从而获取整盆朱砂根叶片样本的3D数据，无需移动相机进行移动扫描就能获取整盆朱砂根叶片样本的3D数据。
结合所述3D数据进行分析输出确定的朱砂根叶片的整体平均高度，根据叶片萎蔫识别状态进行调试确定朱砂根的浇灌阈值，由浇灌阈值根据叶片高度数据控制电磁阀5工作实现植株浇灌。
作为上述实施例的优化方案，如图2所示，根据叶片萎蔫识别状态进行调试确定朱砂根的浇灌阈值，包括步骤：
将朱砂根一次浇足够量的水；
经过12个小时后，通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机1测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值，从而确定拍摄到植株几何曲面到地面水平面的平均距离H0；
再经过24个小时后，通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机1测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值，从而确定浇水后36h的植株几何曲面到地面水平面的平均距离H1；
再经过12个小时后，通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机1测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值，从而确定浇水后48h的植株几何曲面到地面水平面的平均距离H2；
以12个小时为周期，调试循环依次计算至第n次平均距离，直到叶片萎蔫后，分别得到H0、H1、H2、H3……Hn，得到平均高度差的绝对值|Hn-H0|为朱砂根的浇灌阈值A。
根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，包括步骤：
获取3D数据，对3D数据进行上述处理后，第n+1次平均距离计算，得到Hn+1；当Hn+1-H0≥A时，开启电磁阀5对植株进行浇灌。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图3和图4所示，本发明还提供了一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，包括3D相机1、工控计算机2和浇灌装置，所述3D相机1的信号端与工控计算机2电连接，所述工控计算机2与浇灌装置的电控端电连接；
所述3D相机1将采集的采集朱砂根盆栽3的3D数据发送至工控计算机2，由工控计算机2根据3D数据进行分析处理后，确定朱砂根叶片的整体平均高度，根据多组平均高度数据进行调试，确定朱砂根的浇灌阈值；工控计算机2根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，控制浇灌装置工作为各个朱砂根盆栽3进行浇灌。
作为上述实施例的优化方案，所述浇灌装置包括水箱4、电磁阀5以及构成浇灌水管网6，所述水箱4的出水管路上设置电磁阀5，且出水管路连接至分布在各个朱砂根盆栽3处的浇灌水管网6，所述电磁阀5的电控端连接至工控计算机2，通过工控计算机2控制开关电磁阀5及浇灌时间；所述浇灌水管网6包括环管和橡胶软管，在环管上环绕设置多个橡胶软管。可编程控制器打开电磁阀5的持续时间T根据调试过程中浇透所有花盆时的需要时间T决定，将该时间T通过工控机写入西门子可编程控制器中，每次浇水的时间固定为T。
在具体实施时：浇灌水管网6包括环管和橡胶软管，在环管上环绕设置多个橡胶软管，每个橡胶软管通向一个盆栽；橡胶软管的内径为8mm、壁厚2mm；环管为不锈钢管且内径为30mm，环管上设置26个外径为8.1mm的出水口连接橡胶软管；不锈钢管环管通过内径为40mm的不锈钢钢管与电磁阀5相连接；电磁阀5通过电线与工控计算机2连接。
水箱4的直径为1m，高度为3m，材质为304不锈钢；水箱4上盖可以打开，当需要给朱砂根施肥或者添加某些元素时可以通过打开上盖往里面投放需要的可溶于水的化肥或药水。
在所述水箱4外设置有水泵7，所述水泵7通过管路连接外界水源和水箱4，所述水泵7的电控端连接至工控计算机2，通过工控计算机2控制开关水泵7每次浇灌后自动抽水到水箱4中；水箱4内的水来自于地下水或自来水网；每次抽水的时间T1写入可编程控制器中，T1由调试时每次浇灌后水箱4水位恢复到水箱4水满所用的时间确定。
所述工控计算机2包括可编程控制器，所述可编程控制器通过数据线连接3D相机1和浇灌装置的电磁阀5。
作为上述实施例的优化方案，在大棚内将朱砂根盆栽3分为多组，每组盆栽设置一套基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，所述3D相机1设置在组内一盆盆栽的上方并将采集的数据发送至工控计算机2，所述浇灌装置分布至该组内各个朱砂根盆栽3处进行浇灌。
在具体实施时：
采用研祥IPC-710工控计算机2系统，工控计算机2系统配置内部西门子可编程控制器型号为西门子S7-200pl。采用盛相科技
Figure BDA0002323955620000072
3D相机1系统，其系统自带白光闪光光源，拍摄效果不受大棚内光线的影响，其整个系统对静止的物品高度的分辨率能达到35微米级别，同时能其通过数据线与工控计算机2连接，其内置的软件通过系统设置能自动输出拍摄的物品平均高度，对其设置采集点数为10000点。
利用工控计算机2设定
Figure BDA0002323955620000071
3D相机1系统的3D图像采集周期如下：在安装调试阶段将朱砂根在早上6点按照平常人工习惯一次浇足够量的水；然后下午6点通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机1测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值从而确定拍摄到植株几何曲面到地面水平面的平均距离H0。调试期间不浇水，第二天下午6点按照上述步骤确定浇水后36h的植株几何曲面到地面水平面的平均距离H1；第三天上午6点照上述步骤确定浇水后48h的植株几何曲面到地面水平面的平均距离H2；第三天下午6点照上述步骤确定浇水后60h的植株几何曲面到地面水平面的平均距离H3；重复该过程直至出现朱砂根植株叶片出现萎蔫时。假设一次浇水后到第n天叶片出现萎蔫，则取Hn减去H0得到平均高度差的绝对值|Hn-H0|为需要给朱砂根浇水的阈值A。编写将该阈值赋予工控机内的西门子可编程控制器控制电路，当|Hn+1-H0|≥A时，西门子可编程控制器通过数据线控制电磁阀5打开水箱4的开关对整个大棚内的朱砂根进行浇灌。
为避免植物自然生长对结果的影响，完成一次早上6点浇水后，工控计算机2重新计算上述H0从而避免植物自然长高对系统可靠性的影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法，其特征在于，采用基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统包括3D相机(1)、工控计算机(2)和浇灌装置，所述3D相机(1)将采集的数据发送至工控计算机(2)，由工控计算机(2)进行分析处理后控制浇灌装置工作为大棚内各个朱砂根盆栽(3)进行浇灌；包括步骤：
由3D相机(1)采集朱砂根盆栽(3)的3D数据；
根据3D数据进行分析，确定朱砂根叶片的整体平均高度；
根据多组平均高度数据进行调试，进行叶片萎蔫识别后确定朱砂根的浇灌阈值；
根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，对朱砂根盆栽(3)进行浇灌。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法，其特征在于，所述3D相机(1)采用基于三角测量原理的移相法结构光技术，结构光技术投射的光能根据朱砂根的植株高度通过调整焦距来覆盖整盆朱砂根叶片，从而获取整盆朱砂根叶片样本的3D数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法，其特征在于，结合所述3D数据进行分析输出确定的朱砂根叶片的整体平均高度，根据叶片萎蔫识别状态进行调试确定朱砂根的浇灌阈值，由浇灌阈值根据叶片高度数据控制电磁阀(5)工作实现植株浇灌。
4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法，其特征在于，根据叶片萎蔫识别状态进行调试确定朱砂根的浇灌阈值，包括步骤：
将朱砂根一次性浇灌足够量的水；
经过12个小时后，通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机(1)测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值，从而确定拍摄到植株几何曲面到地面水平面的平均距离H0；
再经过24个小时后，通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机(1)测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值，从而确定浇水后36h的植株几何曲面到地面水平面的平均距离H1；
再经过12个小时后，通过固定在朱砂根植株上方中心位置且距离地面2m距离的3D相机(1)测量整个拍摄面平均分布的10000个点到地面的距离；对这10000个点到地面距离取算数平均值，从而确定浇水后48h的植株几何曲面到地面水平面的平均距离H2；
以12个小时为周期，调试循环依次计算至第n次平均距离，直到叶片萎蔫后，分别得到H0、H1、H2、H3……Hn，得到平均高度差的绝对值|Hn-H0|为朱砂根的浇灌阈值A。
5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌方法，其特征在于，根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，包括步骤：
获取3D数据，对3D数据进行上述处理后，第n+1次平均距离计算，得到Hn+1；当Hn+1-H0≥A时，开启电磁阀(5)对植株进行浇灌。
6.一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，其特征在于，包括3D相机(1)、工控计算机(2)和浇灌装置，所述3D相机(1)的信号端与工控计算机(2)电连接，所述工控计算机(2)与浇灌装置的电控端电连接；
所述3D相机(1)将采集的采集朱砂根盆栽(3)的3D数据发送至工控计算机(2)，由工控计算机(2)根据3D数据进行分析处理后，确定朱砂根叶片的整体平均高度，根据多组平均高度数据进行调试，确定朱砂根的浇灌阈值；工控计算机(2)根据所获取的浇灌阈值确定浇灌状态，控制浇灌装置工作为各个朱砂根盆栽(3)进行浇灌。
7.根据权利要求6所述的一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，其特征在于，所述浇灌装置包括水箱(4)、电磁阀(5)以及构成浇灌水管网(6)，所述水箱(4)的出水管路上设置电磁阀(5)，且出水管路连接至分布在各个朱砂根盆栽(3)处的浇灌水管网(6)，所述电磁阀(5)的电控端连接至工控计算机(2)，通过工控计算机(2)控制开关电磁阀(5)及浇灌时间；所述浇灌水管网(6)包括环管和橡胶软管，在环管上环绕设置多个橡胶软管。
8.根据权利要求7所述的一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，其特征在于，在所述水箱(4)外设置有水泵(7)，所述水泵(7)通过管路连接外界水源和水箱(4)，所述水泵(7)的电控端连接至工控计算机(2)，通过工控计算机(2)控制开关水泵(7)每次浇灌后自动抽水到水箱(4)中。
9.根据权利要求6所述的一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，其特征在于，所述工控计算机(2)包括可编程控制器，所述可编程控制器通过数据线连接3D相机(1)和浇灌装置的电磁阀(5)。
10.根据权利要求6所述的一种基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，其特征在于，在大棚内将朱砂根盆栽(3)分为多组，每组盆栽设置一套基于机器视觉的朱砂根大棚种植浇灌系统，所述3D相机(1)设置在组内一盆盆栽的上方并将采集的数据发送至工控计算机(2)，所述浇灌装置分布至该组内各个朱砂根盆栽(3)处进行浇灌。
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Application publication date: 20200417

Assignee: Chengdu Linyijing Landscape Design Co.,Ltd.

Assignor: Yulin Normal University

Contract record no.: X2022450000351

Denomination of invention: A Method and System for Planting and Irrigation of Cinnabar Root in Greenhouse Based on Machine Vision

Granted publication date: 20221011

License type: Common License

Record date: 20221219