温室生长信息和环境信息多传感检测系统设计

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摘要：摘要：我国设施农业发展迅速，目前对作物长势信息检测主要依靠传统判别方法，但是传统长势信息判断存在主观性强、费时费力等弊端，因此设计了适用于温室高架栽培作物的轨道式移动检测平台，该平台通过搭载作物生长和环境信息多传感检测装置，可实现对高架植物的茎、果

　　摘要：我国设施农业发展迅速，目前对作物长势信息检测主要依靠传统判别方法，但是传统长势信息判断存在主观性强、费时费力等弊端，因此设计了适用于温室高架栽培作物的轨道式移动检测平台，该平台通过搭载作物生长和环境信息多传感检测装置，可实现对高架植物的茎、果、叶长势和冠层-空气温差等生长信息，以及环境温湿度、光照强度等气象环境因子进行监测。为了适应温室行走环境，提高行走的稳定性，移动检测平台采用轨道式移动机构设计，即利用温室加热管道作为轨道，以确保机构的稳定行走，对平台的运动功能进行验证，绝对误差最大值为 7.2 mm，相对误差为0.72%。移动检测平台采用高举升升降机构，结合5自由度机械臂系统将传感器放到所需位置，将实际测量高度值与标准高度位置值进行数据对比分析，绝对误差最大值为0.83 mm，相对误差为0.78%，因此能精准地将所要使用到的传感设备放到所需的高度和预定位姿。

　　关键词：温室作物;多传感;信息采集;设施农业;生长与环境监测

　　我国设施农业发展迅速，提高温室作物的产量和品质是我国目前设施领域发展的关键问题。作物长势和环境信息的获取对温室环境调控具有重要意义。传统长势信息的获取主要依赖专家经验，主观性强;作物养分信息可以通过化学分析方法获取，但费时费力，且难以实现基于作物信息反馈的水肥和环境优化调控。因此，研发适用于温室环境的作物生长信息检测系统，具有重要的研究意义和应用价值。

　　国内外学者对于作物生长信息检测系统的研究领域较广。其中Elvanidi等利用高光谱机器视觉系统作为非接触技术来检测无土番茄作物中的氮素缺乏[1]。Ochoa等利用机器视觉和遥感卫星图像，对大田作物进行了实时的监测和生长状况的获取[2]。

　　Bai等在温室环境信息的检测中针对无线传感网络的数据融合问题提出了分布式估计方案，提高了温室环境信息检测的准确性[3]。Ehret等通过神经网络对自动检测的温室番茄的产量、生长状况和用水进行分析，模型很好地预测了产量和生长需求，表明自动预测相关信息能够便于温室进行自动化管理[4]。Mangus等开发了高时空分辨率的作物水分胁迫监测系统，利用热红外成像技术并使用红外热像系统(thermal infrared imaging system，简称TIRIS)远程测量冠层温度得出作物缺水指数(crop water stress index，简称CWSI) 方法可以替代灌溉调度方法，为温室灌溉和管理提供了决策[5]。

　　刘茂成用光电传感器设计了一个手持式的叶片氮素诊断系统，但其还未验证不同品种、不同生育期、不同氮处理的植物[6]。程坤设计的叶绿素含量检测系统在不损伤叶片的前提下实现叶绿素含量检测以及叶片所处环境温湿度的实时检测[7]。刘青结合无线传感器技术和声发射技术，实现了对温室土壤温湿度、空气温湿度、二氧化碳浓度、光照度及反映病害状况的声发射信号的采集，该系统提高了温室自动化和智能化水平并具有很好的移植性[8]。Liang等针对温室检测系统接线复杂且容易老化的问题提出了一种基于无线保真(WIFI)的温室环境动态检测系统，实现了远程检测，为温室中自动检测提供了宝贵经验[9]。

　　综上所述，现有的设施作物生长的非接触监测技术大多为分布式的系统，且多基于光电、视觉和红外等单一传感新型系统，难以全面监测作物营养长势和温湿度、光照等环境信息，且缺少先进适用的温室检测平台，难以适应温室非结构环境下的巡航检测。本研究的设计在现有移动平台的基础上，基于美国国家仪器有限公司(NI)的LabVIEW平台，结合多传感技术设计出一种用于作物生长信息和环境信息检测的检测系统，以期实现对作物生长和环境信息的获取和巡航监测。

　　1 硬件功能设计

　　如图1所示，本研究设计的检测系统主要由运动系统、多传感器检測系统、控制系统、动力系统和导航系统组成。其中，运动系统包括用于系统行走的轨道式的移动底盘和控制底盘运动的无刷减速电机;多传感检测系统包括获取作物形态特征的可见光相机，获取冠层温度的红外传感器，检测环境温湿度的环境光照和温湿度传感器，检测作物高度信息的激光测距传感器以及用于完成检测并搭载多传感器的机械臂和末端云台;控制系统包括工控机和运动控制器;动力系统包括48 V锂电池组和充电模组;导航系统通过磁导航地标传感探测，通过电磁导航的方式控制移动平台的顺序到达检测位。该检测系统集成了自动导引车(AGV)控制、机械臂操控、图像采集、环境信息采集、热成像系统、光谱信息采集等功能，能够满足温室环境中的作物营养、水分、长势信息和环境信息的移动式数据采集和信息贮存，同时结合上位机信息分析系统可实现温室作物生长和环境信息获取(图2、图3)。

　　该系统利用温室加热管作为轨道进行自主移动检测巡航作业，利用机械臂搭载的多传感检测系统获取作物的长势综合信息。通过获取作物冠层的热红外温度结合环境温度信息，获取作物的冠层-空气温特征，并进一步提取水分胁迫信息;基于可见光相机获取作物的多视场图像结合激光测距可得到作物的冠幅、株高、茎粗等形态特征[10-11]。结合环境温湿度、光照等传感探测可以实现对环境综合信息的获取，从而实现对作物生长和环境信息的综合评价。

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