林宏偉 陳澤興 劉明杰 陳俞秀 陳琪媚 李月權

摘 要：為了智能檢測植物的生長狀態(tài)，達到植物無人培養(yǎng)的目的，文中采用嵌入式開發(fā)平臺和物聯網云技術設計一種無人植物培護系統。在此選擇睡蓮作為實驗標本，完成植物識別，數據處理，多方式提醒和植物陪護，實現植物監(jiān)控和管理。實驗結果表明系統結構簡單，成本低，可行性高，穩(wěn)定性強，有利于大規(guī)模使用和設計，應用前景廣闊。

關鍵詞：物聯網;嵌入式;植物識別;檢測植物;植物監(jiān)控;植物無人培護

中圖分類號：TP399文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-0-03

0 引 言

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，大家對無人植物培護系統的需求越來越大，同時也對無人植物陪護系統提出了更高的要求。無人植物陪護系統需要解決的問題主要有以下三個：系統如何知道植物的生長狀態(tài)—識別;給植物提供所需生長要素時系統該如何操作—實操;系統如何反饋數據給用戶—交互。目前，解決如何識別植物生長狀態(tài)的方法有很多，比如可以采用OpenMV直接對植物的生長狀態(tài)進行識別、也可以調用OpenCV庫函數來配置普通的攝像頭進行識別，但是這些方法存在數據處理量大、識別精度要求高的缺點，且成本也非常高。

因此，本文提出一種基于物聯網技術和嵌入式技術的無人植物陪護系統。該系統是一個集數據庫數據處理、圖像識別與硬件操控等多功能議題的綜合性系統，由機械結構、控制系統、傳感器和攝像頭等組成的。該系統調用MySQL數據進行圖像識別、混合各種植物生長數據后，系統能夠進行大數據處理及分配，可以同樣實用各種植物的生長識別，豐富識別庫。實驗結果表明，該系統可以通過自己創(chuàng)建的MySQL數據庫，即植物生長狀態(tài)數據庫保存的數據。當系統識別植物時，會上傳植物數據到服務器中、調用API完成圖像識別;根據圖像識別后反饋的數據來操作硬件系統完成對植物生長的陪護;用戶可通過遠程查看無人植物陪護系統的運行狀態(tài)及植物生長狀態(tài)。

1 系統總體設計

本文系統的系統框圖如圖1所示。本系統以樹莓派和STM32作為主控機，通過USB攝像頭采集植物生長數據，實現實時監(jiān)測植物生長情況。攝像頭獲取到植物的生長圖片后，會請求服務器上傳植物圖像信息到數據庫，并將獲取植物的生長狀態(tài)顯示在樹莓派搭建的UI界面上。云端接收到植物的生長狀態(tài)后會調用API分析植物的生長狀態(tài)并將相關處理的關鍵字發(fā)送到本地監(jiān)控系統，本地監(jiān)控系統根據獲取到的關鍵字后，操作機械部分做出相應的措施，例如給植物澆水、補光等操作。另外，STM32通過溫度傳感器讀取周圍環(huán)境溫度以及音頻轉換器定時播放音樂，云端部分可以實現對植物圖片信息的儲存和分析。

1.1 機械部分

為了保證在安裝過程簡易的情況下支架的承受力大、重量輕，本設計的支架使用線密度為0.51 kg/m，兩端有M6紋絲的歐標鋁型增高柱，連接處采用三角鍵結構固定，使其更為牢固?？勺兏叩奶攸c使得調節(jié)高度、增減模塊等更方便，提高了系統機械上的可擴展性和適應性，可靈活應對不同植物的不同成長最高度。

本設計的電路放置采用分層設計，縮小了系統的占地面積，大幅提升了空間利用率，其靈活性和舒適度相比單層式結構都有了提升。其UI用戶屏幕界面放置于側面，而最上層表面有電源開關、充電接口，操作按鍵等便于用戶操作和查看。設計中底部采用交叉十字放置盆栽，更具穩(wěn)定性和美觀性。

本設計的無人植物培養(yǎng)系統實物和總體框架構建尺寸如圖2、圖3所示。

1.2 硬件部分

本系統硬件部分主要包括溫度傳感器、音頻模塊和水泵驅動模塊。溫度傳感器模塊用于獲取植物環(huán)境的溫度;音頻模塊播放音樂，可促進植物生長;水泵驅動模塊用于驅動水泵抽水澆灌植物，給植物供給水分。系統硬件框架如圖4所示。

1.2.1 水泵驅動模塊

這里考慮到系統控制水泵抽水的水量需要很精準的自動控制，所以采用L298N模塊作為系統的驅動。L298N作為驅動芯片，具有很高的工作電壓范圍和很強大的驅動能力，而且還具有低功耗的特性。常用水泵的工作電壓7～12 V，系統主控I/O腳不能輸出7 V左右的電壓，即無法驅動水泵，所以系統搭建了L298N的驅動模塊，搭建的模塊可以驅動15 V電壓的設備。

1.2.2 音頻轉碼模塊

為了幫助植物生長得更加茂盛，本系統設計有音頻轉碼器，通過這個模塊可以實現遠程播放音樂。音樂可以讓植物的孔徑放大，植物孔徑放大促進呼吸作用消耗體內葡萄糖，進而促進光合作用生產葡萄糖，從而加快植物的健康生長。

1.2.3 溫度傳感器模塊

系統需要實時檢測植物周邊的溫度信息，防止溫度過高或者過低。溫度傳感器獲取植物環(huán)境的溫度，通過數/模轉換將溫度值數字量后發(fā)送給主控，主控獲取溫度后采取相應措施，溫度過低或者過高時會提醒用戶，溫度適宜則繼續(xù)檢測溫度。

1.3 植物識別部分

1.3.1 USB攝像頭抓取植物圖片

攝像頭是本系統識別植物狀態(tài)的主要外部識別設備，在此選用500萬像素USB攝像頭。主機通過USB攝像頭抓取植物生長狀態(tài)圖，并將抓取到的圖片轉碼為Base64格式，然后上傳數據到服務器。

1.3.2 圖像識別判斷出植物生長狀態(tài)

本系統的圖像識別裝置是調用百度AI圖像搜索API，還可以通過自己建立的搜索庫對圖片進行分類并填寫其說明。通過這個接口可以將需要對比的圖像放進去與庫中的圖片進行對比，該庫內含大量數據，可以提供相當多數據源，能讓識別率更高。識別之后可得到各圖片的相似度，通過排序得到識別率最高的圖片，再通過圖片的摘要得到相應的信息，然后將其信息放到數據庫中，方便界面提取信息。

1.4 UI界面設計部分

本系統帶有一套UI界面，可以給用戶更加直觀的視角，用戶通過UI界面可以直觀地了解到植物地生長情況，如圖5所示。

該界面使用HTML，CSS完成它整個頁面的布局，采用JS和JQ實現頁面的各種特效動畫，應用Ajax實現前后端交互。通過Ajax發(fā)出異步請求，PHP就會連接MySQL數據庫，將它所需要的信息發(fā)到前臺，前臺再將信息進行處理。通過配置Nginx實現服務器的負載均衡，并將所有的圖片在輸出前都進行壓縮來減少訪問流量，以及設置訪問頻率的限制，使服務器到達穩(wěn)定，進而使整個UI界面更加的穩(wěn)定快速。

利用樹莓派的chromum-browser訪問特定的URL，將界面信息顯示browser 。通過訪問的域名來對接到UI界面，可通過樹莓派3代B+接口進行UI界面與顯示屏對接。用Python爬取百度百科植物的信息HTML，將植物生長的信息通過UI界面顯示，可以實時顯示植物生長的階段和需要的培養(yǎng)環(huán)境，而且還可通過回放的功能回調實時截取植物的圖片，供培養(yǎng)者觀看，讓培養(yǎng)過程更加可視化。

1.5 云端部分

云端服務器上運行著學習-識別系統和植物生長同步系統兩套系統，如圖6、圖7所示。學習-識別系統通過大量的植物生長樣本進行學習，經過不斷學習能夠識別出植物當前的生長狀態(tài)。硬件系統的每一次識別，就是一次學習的過程，意味在不斷訓練里面的模型，使得系統的識別植物精度不斷提高。植物生長同步系統從學習-識別系統中得到當前植物的生長狀態(tài)，將UI上的寵物同步生長，并且能夠通過當前植物的狀態(tài)智能推薦當前植物養(yǎng)殖的流程。

2 系統測試與分析

本文建立了一個可以應用于家居培養(yǎng)名貴花草的智能無人植物培護系統，其目標客戶是家里種植有名貴花草或有意愿種植名貴花草的人員，但由于學生資源有限，在此應用于實驗的植物選擇為睡蓮。

前期，培養(yǎng)不同時間段的生長狀態(tài)和缺某種生長要素的睡蓮，以供實驗。睡蓮不同時間段的生長狀態(tài)如圖8所示實際測試發(fā)現，將不同時間段生長狀態(tài)的睡蓮或生長過程出現缺乏某種生長要素的睡蓮移到識別區(qū)，一一識別后系統做出了相應的操作措施，例如攝像頭截取的圖片與數據庫的圖片對比，檢測到此特征與葉片發(fā)黃的數據吻合度比較高，屬于植物缺水狀態(tài)，需要及時補水，系統就會及時驅動硬件，及時采取補水措施。在實際測試時發(fā)現部分問題需要進一步改進。

（1）識別精度不高。實驗采用的攝像頭像素不夠，而且需要補光，需要將攝像頭光圈增大，把植物的生長狀態(tài)圖變得更清晰。加上植物的生長狀態(tài)多種多樣，病變的情況也多種多樣，如對植物生長狀態(tài)的識別，不能夠精準到樹葉上面的葉脈及細小的蟲洞。另外，構建的識別數據庫圖片資料有限，導致有些特殊病變沒有識別出來，后續(xù)還需要更新數據庫的資料，以便于提高識別精度。

（2）水泵設計不當。在補取每個階段相應濃度的營養(yǎng)液時，由于設計時水泵的位置擺放不當，有壓強差，導致水泵在抽取時不受控制，水流很快。水泵應該設計成噴灑型，利用壓強差來噴灑植物營養(yǎng)液。

3 結 語

本系統基于物聯網技術設計了一款人性化十足的無人植物培養(yǎng)系統，采用嵌入式技術和數據庫應用技術，通過實地測試，系統較好地實現了期望目標，完成了植物圖像信息獲取，上傳植物數據到數據庫和對植物監(jiān)控和管理。本系統結構簡單，成本低，可行性強，適用場景多且操作簡單，有較好的市場應用前景。

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