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帶有內(nèi)置壓力監(jiān)測系統(tǒng)的低成本CEA室

48095 2022-11-02 | zip | 6.46 MB | 次下載 | 免費(fèi)

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) 生長植物中的壓力將使種植者能夠調(diào)整和優(yōu)化植物生長條件，以最大限度地提高作物質(zhì)量、產(chǎn)量和營養(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)化植物生長條件以對(duì)抗壓力，確保最大的作物質(zhì)量、產(chǎn)量和營養(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)測植物，另一個(gè)用于容納電子設(shè)備。

移除了門和頂部前面板的外殼。

生長室具有可控生長燈、熱板和各種傳感器（溫度、濕度、光）。這些植物生長在實(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。

控制層次結(jié)構(gòu)概述。

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，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)測植物的生長和對(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。

多肉植物和仙人掌的紅外（左）和光學(xué)（右）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

選擇簡單的 DHT11 傳感器來監(jiān)測室內(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 將使用簡單的滯后控制算法來控制 Peltier。

種植燈

所需的生長燈提供各種波長（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)于波長的定制，但簡單的替代方案是購買一個(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000000.jpg），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。

在 RPi 上為每個(gè)測試創(chuàng)建的文件夾結(jié)構(gòu)。

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)行測試時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)不斷寫入這種類型的文件。測試結(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。

簡單（左）和滯后（右）控制方法。滯后降低了振蕩頻率。

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)。簡單的方法在目標(biāo)溫度附近波動(dòng)非?？欤恍柽M(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。

三個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使用 PWM 控制亮度。

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。