CN112596567A - 一种智能化植物生长管理系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及植物培育技术领域，具体为一种智能化植物生长管理系统及其方法，其中植物生长管理系统包括摄像头和多路传感器,摄像头的信号输出端连接有微处理器,微处理器的连接端设有云端数据库B和上位机，上位机的连接端设有云端数据库A，多路传感器的信号输出端依次连接有终端控制器、开关器和多路终端设备，上位机与终端控制器通信连接；其中植物生长管理方法利用摄像头获取植物生长各阶段影像并和对照影像对比分析以判断植物生长阶段，再由上位机根据植物生长阶段自动获取所需植物生长标准环境参数并实现对多路终端设备进行半闭环控制。本发明能够对植物进行无人化操作和智能化管理运行。

Description

一种智能化植物生长管理系统及其方法
技术领域
本发明涉及植物培育技术领域，具体为一种智能化植物生长管理系统及其方法。
背景技术
在植物补光领域，LED植物生长灯是常用的补光灯具。在缺少日光的环境下，这种灯具可充当日光，使植物能够正常或者更好地生长发育,具有壮根、助长、调节花期花色、促进果实成熟、提升口感和品质等作用。
公开号为CN108887002A、名称为一种无线调控植物生长环境的LED植物生长灯系统的专利，该专利型采用ZigBee通信作为无线数据传输方式，结合多种传感器和七路继电器以及上位机软件，实现了对植物生长环境、空气温湿度、土壤温湿度以及CO2浓度的监控和调节。通过PWM脉冲无线数据传输控制LED驱动器，实现了四路不同波长LED灯照度探测以及照度比的实时显示。整个系统满足了人工控制条件下植物生长对光照和环境条件的生态学需求。
然而，上述现有技术方案存在以下缺陷：该系统结构简单、功能较为单一，需要用户通过上位机手动操作并远程控制该系统的运行，不能够根据植物的生长阶段或健康状况对植物进行无人化操作和智能化管理运行。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种智能化植物生长管理系统及其方法，能够根据植物的生长阶段或健康状况进行无人化操作和智能化管理运行。
为实现上述能够无人化操作和智能化管理的目的，本发明提供如下技术方案：一种智能化植物生长管理系统，包括用于获取植物生长影像的摄像头以及用于获取植物生长环境参数的多路传感器,所述摄像头的信号输出端连接有根据植物生长影像以分析判断植物生长阶段的微处理器 ,所述微处理器的连接端设有用于预先存储并用作对比分析的植物生长各阶段对照影像的云端数据库B，所述云端数据库B包括对照影像数据库和植物特征数据数据库，所述微处理器的连接端还设有用于获取植物生长阶段并作出反馈的上位机，所述上位机的连接端设有用于预先存储对应植物生长各阶段所需植物生长标准环境参数的云端数据库A，所述多路传感器的信号输出端依次连接有终端控制器、开关器和多路终端设备，所述上位机与所述终端控制器通信连接、用于控制所述终端控制器。
优选的，所述植物生长影像包括关于植物根、茎、叶、花、果实、种子中的一种或其组合的大小、形态及颜色的影像。
优选的，所述多路传感器包括空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光敏传感器和CO2传感器；所述植物生长环境参数包括空气温湿度、土壤温湿度、生长灯的光照周期、光质和光强以及CO2浓度。
优选的，所述多路终端设备包括植物培养环境系统以及位于植物培养环境系统内的空气温湿度控制器、土壤温湿度控制器和LED灯管组；所述植物培养环境系统的开合门由所述终端控制器控制、用以调节植物培养环境系统内CO2浓度；所述LED灯管组包括红光灯管、蓝光灯管、红外光灯管以及蓝紫光灯管。
优选的，所述多路传感器的信号输出端通过信号放大电路连接至终端控制器，所述上位机为电脑。
优选的，所述植物培养环境系统上安装有声光报警器，所述终端控制器与所述声光报警器电连接。
一种智能化植物生长管理方法，包括如下步骤：
S1、在云端数据库A中预先存入植物生长各阶段所需植物生长标准环境参数；
S2、获取植物生长各阶段对照影像中的对照特征矢量；
S3、获取植物生长影像中的特征矢量并与对照特征矢量进行对比分析以得到植物生长阶段；
S4、上位机根据植物生长阶段信息从云端数据库A中调取相对应的所需植物生长标准环境参数并发送至终端控制器；
S5、利用多路传感器获取植物培养环境系统内植物生长环境参数，并将植物生长环境参数信息发送至终端控制器；
S6、利用终端控制器将接收到的所需植物生长标准环境参数与植物生长环境参数进行对比分析，生成相对应的控制信号并发送至开关器；
S7、开关器接收控制信号并对应控制多路终端设备。
优选的，所述步骤S2包括以下分步骤：
1)在对照影像数据库中预先存入植物生长各阶段对照影像，包括发芽期、幼苗期、开花坐果期和结果期影像；
2)将对照影像与植物生长各阶段进行关联；
3)利用微处理器将关联后的各阶段对照影像进行图像处理，提取出植物生长各阶段对照特征矢量并分组存入植物特征数据数据库中；
优选的，所述步骤S3包括以下分步骤：
4)用摄像头定时或不定时拍摄植物并得到植物生长影像；
5)利用微处理器将植物生长影像进行图像处理，提取出植物及其生长各阶段特征矢量并与步骤S2中得到的对照特征矢量进行对比分析以得到植物生长阶段，将植物生长阶段信息发送至上位机。
优选的，当所述多路传感器获取的植物生长环境参数未达到所需植物生长标准环境参数一定时长后，所述声光报警器进行报警提醒。
与现有技术相比，本发明提供了一种智能化植物生长管理系统及其方法，具备以下有益效果：
本发明系统和方法在云端数据库B中预先存入植物生长各阶段对照影像，以及在云端数据库A中预先存入植物生长各阶段所需植物生长标准环境参数，利用摄像头获取植物生长各阶段影像并和对照影像对比分析以判断植物生长阶段，再由上位机根据植物生长阶段自动获取所需植物生长标准环境参数并实现对多路终端设备进行半闭环控制，能够对植物进行无人化操作和智能化管理运行。
附图说明
图1为本发明植物生长管理系统的结构示意图；
图2为本发明植物生长管理方法的步骤图。
图中：10、摄像头；11、微处理器；12、上位机；13、云端数据库B；14、云端数据库A；15、多路传感器；16、信号放大电路；17、终端控制器；18、开关器；19、多路终端设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：请参阅图1所示，一种智能化植物生长管理系统，包括用于获取植物生长影像的摄像头10以及用于获取植物生长环境参数的多路传感器15。其中，植物生长影像包括关于植物根、茎、叶、花、果实、种子中的一种或其组合的大小、形态及颜色的影像；植物生长环境参数包括空气温湿度、土壤温湿度、生长灯的光照周期、光质和光强以及CO2浓度。
摄像头10的信号输出端连接有根据植物生长影像以分析判断植物生长阶段的微处理器11,微处理器11的连接端设有用于预先存储并用作对比分析的植物生长各阶段对照影像的云端数据库B13，云端数据库B13包括对照影像数据库和植物特征数据数据库，对照影像数据库用于预先存入植物生长各阶段对照影像以作为对比影像用的对照组，植物特征数据数据库用于预先存入植物生长标准环境参数以作为对比参数用的对照组。微处理器11的连接端还设有用于获取植物生长阶段并作出反馈的上位机12，上位机12的连接端设有用于预先存储对应植物生长各阶段所需植物生长标准环境参数的云端数据库A14。
多路传感器15包括空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光敏传感器和CO2传感器。多路传感器15的信号输出端通过信号放大电路16连接至终端控制器17，终端控制器17对信号进行模数转换和分析，具体转化为PWM信号，终端控制器17的连接端依次连接有开关器18和多路终端设备19，开关器包括驱动器和继电器，多路终端设备19包括植物培养环境系统以及位于植物培养环境系统内的空气温湿度控制器、土壤温湿度控制器和LED灯管组。其中，植物培养环境系统可以为植物培养箱、大棚或者温湿等，植物培养环境系统上安装有声光报警器，终端控制器17与声光报警器电连接；植物培养环境系统的开合门以及其内部的空气温湿度控制器和土壤温湿度控制器由终端控制器17通过继电器进行控制、分别用以调节植物培养环境系统内CO2浓度、空气温湿度和土壤温湿度；LED灯管组包括红光灯管、蓝光灯管、红外光灯管以及蓝紫光灯管，驱动器受控于终端控制器17的PWM信号，同时通过控制LED灯管组的电压及电流来控制各灯管的亮度；上位机12为电脑，与终端控制器17通信连接、用于控制终端控制器17，同时上位机12接收相应的温湿度值以及继电器的开关状态。
请参阅图2所示，一种智能化植物生长管理方法，包括如下步骤：
S1、在云端数据库A14中预先存入植物生长各阶段所需植物生长标准环境参数；
S2、获取植物生长各阶段对照影像中的对照特征矢量；
1)在对照影像数据库中预先存入植物生长各阶段对照影像，包括发芽期、幼苗期、开花坐果期和结果期影像；
2)将对照影像与植物生长各阶段进行关联；
3)利用微处理器11将关联后的各阶段对照影像进行图像处理，提取出植物生长各阶段对照特征矢量并分组存入植物特征数据数据库中；
摄像头10可选用星光级或者红外摄像头,上述摄像头10和微处理器11也可由集成化的、具有智能化图像处理功能的OpenCV或OpenMV摄像头10进行替代，将摄像头10获取的彩色图像进行预处理，利用亮度公式Y＝0.30Re+0.59Ge+0.11Be转换为灰度图像，将灰度图像分割为m×n像素的宏块，然后进行归一化校正处理，用LBP表述植物对照影像的对照特征，得到归一化校正图像的对照特征矢量，且该对照特征矢量与植物生长各阶段线性对应，如采用哈希表进行对照特征矢量的存储和查找。
S3、获取植物生长影像中的特征矢量并与对照特征矢量进行对比分析以得到植物生长阶段；
4)用摄像头10定时或不定时拍摄植物并得到植物生长影像；
5)利用微处理器11将植物生长影像进行图像处理，提取出植物及其生长各阶段特征矢量并与步骤S2中得到的对照特征矢量进行对比分析以得到植物生长阶段，将植物生长阶段信息发送至上位机12；
采用分步骤3)中的方法获取作为实验组的植物生长影像中的特征矢量，将特征矢量与对照特征矢量进行对比，获得余弦相似度，并根据预先相似度获得匹配结果R，当R大于相似阈值L时，则通过哈希表查找出该对照特征矢量所对应的植物生长阶段；否则，与下一张对照影像中的对照特征矢量进行比对。其中，相似阈值L是在识误率为0.1%时设定的阈值。然后将作为实验组的植物生长影像中对应的植物生长阶段信息发送至作为上位机12的电脑中。
S4、上位机12根据植物生长阶段信息从云端数据库A14中调取相对应的所需植物生长标准环境参数并发送至终端控制器17；
上位机12通过ZigBee协调器与终端控制器17进行通信连接并实现无线信号传输，终端控制器17选用Zigzee终端。
S5、利用多路传感器15获取植物培养环境系统内植物生长环境参数，并将植物生长环境参数信息发送至终端控制器17；
S6、利用终端控制器17将接收到的所需植物生长标准环境参数与植物生长环境参数进行对比分析，生成相对应的控制信号并发送至开关器18；
Zigzee终端将生成的控制信号通过PWM形式传送给开关器18。
S7、开关器18接收控制信号并对应控制多路终端设备19。
上述对照特征矢量和特征矢量的运算可由成熟的ASIC芯片实现，因此本发明可方便地移植使用。
当多路传感器15获取的植物生长环境参数未达到所需植物生长标准环境参数一定时长后，声光报警器进行报警提醒；该时长可由微处理器11操作设定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种智能化植物生长管理系统，其特征在于，包括用于获取植物生长影像的摄像头(10)以及用于获取植物生长环境参数的多路传感器(15),所述摄像头(10)的信号输出端连接有根据植物生长影像以分析判断植物生长阶段的微处理器(11) ,所述微处理器(11)的连接端设有用于预先存储并用作对比分析的植物生长各阶段对照影像的云端数据库B(13)，所述云端数据库B(13)包括对照影像数据库和植物特征数据数据库，所述微处理器(11)的连接端还设有用于获取植物生长阶段并作出反馈的上位机(12)，所述上位机(12)的连接端设有用于预先存储对应植物生长各阶段所需植物生长标准环境参数的云端数据库A(14)，所述多路传感器(15)的信号输出端依次连接有终端控制器(17)、开关器(18)和多路终端设备(19)，所述上位机(12)与所述终端控制器(17)通信连接、用于控制所述终端控制器(17)。
2.根据权利要求1所述的一种智能化植物生长管理系统，其特征在于，所述植物生长影像包括关于植物根、茎、叶、花、果实、种子中的一种或其组合的大小、形态及颜色的影像。
3.根据权利要求1所述的一种智能化植物生长管理系统，其特征在于，所述多路传感器(15)包括空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光敏传感器和CO传感器；所述植物生长环境参数包括空气温湿度、土壤温湿度、生长灯的光照周期、光质和光强以及CO浓度。
4.根据权利要求1所述的一种智能化植物生长管理系统，其特征在于，所述多路终端设备(19)包括植物培养环境系统以及位于植物培养环境系统内的空气温湿度控制器、土壤温湿度控制器和LED灯管组；所述植物培养环境系统的开合门由所述终端控制器(17)控制、用以调节植物培养环境系统内CO2浓度；所述LED灯管组包括红光灯管、蓝光灯管、红外光灯管以及蓝紫光灯管。
5.根据权利要求1所述的一种智能化植物生长管理系统，其特征在于，所述多路传感器(15)的信号输出端通过信号放大电路(16)连接至终端控制器(17)，所述上位机(12)为电脑。
6.根据权利要求4所述的一种智能化植物生长管理系统，其特征在于，所述植物培养环境系统上安装有声光报警器，所述终端控制器(17)与所述声光报警器电连接。
7.根据权利要求1至4任一项所述的一种智能化植物生长管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在云端数据库A(14)中预先存入植物生长各阶段所需植物生长标准环境参数；
S2、获取植物生长各阶段对照影像中的对照特征矢量；
S3、获取植物生长影像中的特征矢量并与对照特征矢量进行对比分析以得到植物生长阶段；
S4、上位机(12)根据植物生长阶段信息从云端数据库A(14)中调取相对应的所需植物生长标准环境参数并发送至终端控制器(17)；
S5、利用多路传感器(15)获取植物培养环境系统内植物生长环境参数，并将植物生长环境参数信息发送至终端控制器(17)；
S6、利用终端控制器(17)将接收到的所需植物生长标准环境参数与植物生长环境参数进行对比分析，生成相对应的控制信号并发送至开关器(18)；
S7、开关器(18)接收控制信号并对应控制多路终端设备(19)。
8.根据权利要求7所述的一种智能化植物生长管理方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：
1)在对照影像数据库中预先存入植物生长各阶段对照影像，包括发芽期、幼苗期、开花坐果期和结果期影像；
2)将对照影像与植物生长各阶段进行关联；
3)利用微处理器(11)将关联后的各阶段对照影像进行图像处理，提取出植物生长各阶段对照特征矢量并分组存入植物特征数据数据库中。
9.根据权利要求7所述的一种智能化植物生长管理方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：
4)用摄像头(10)定时或不定时拍摄植物并得到植物生长影像；
5)利用微处理器(11)将植物生长影像进行图像处理，提取出植物及其生长各阶段特征矢量并与步骤S中得到的对照特征矢量进行对比分析以得到植物生长阶段，将植物生长阶段信息发送至上位机(12)。
10.根据权利要求7所述的一种智能化植物生长管理方法，其特征在于，当所述多路传感器(15)获取的植物生长环境参数未达到所需植物生长标准环境参数一定时长后，所述声光报警器进行报警提醒。
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