CN105652923B - 一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统 - Google Patents

一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，包括依次连接的图像采集模块、图像处理与分析模块和自适应调光控制系模块，图像采集模块包括CCD工业相机、植物培养箱和图像采集卡，所述的图像处理与分析模块包括图像处理单元和神经网络控制单元，自适应调光控制模块包括LED驱动器和LED面板灯，CCD工业相机的输出端与图像采集卡的输入端连接，CCD工业相机安装在植物培养箱上，图像采集卡的输出端和图像处理与分析单元的输入端连接，神经网络控制单元的输出端与自适应调光控制系模块连接，LED驱动器输出端与LED面板灯连接。本发明具有提高了植物培养中调光的精准度和自适应能力等优点。

Description

一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统
技术领域
本发明涉及一种植物培养调光控制系统，尤其是一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，该自适应植物培养调光控制系统采用机器视觉与自适应神经网络控制策略相结合的方法对植物的生长高度进行测量，根据植物的生长高度对LED灯的光照和光质比进行自适应控制，使其更利于植物的生长。
背景技术
LED灯的光强和光质比对植物的生长具有很大的影响，一方面，不同的光强影响到植物的光合作用，过高或过低的光强都对植物的生长有不良的影响，这就要求提供合适的光强。另一方面，植物对不同颜色的光的吸收能力不同，植物对蓝光、红光、白光和紫光的吸收能力很强，而对其他颜色的光吸收能力则较弱，这就要求提供合适的光质比。在植物培养箱内进行植物培养时，LED光源一般被固定在植物上方，并在一定的高度上为植物的生长提供光强和光质比。然而，随着植物的不断生长，植物的高度不断增加，植物与LED光源之间的距离不断减小，此时植物对光强和光质比的需求将发生变化。而目前所知的植物培养方式一般仅提供固定的光强和光质比，更专业的方式一般也是按照植物的几个生长周期提供相应的光强和光质比，在各个生长周期中光强和光质比并不改变，且光强和光质比的设置大多也是凭借经验。综上所述，目前所知的植物培养中的调光控制系统，未考虑植物生长过程中高度变化的因素，且光强和光质的设置大多依据经验，缺乏精准性和自适应性，这些因素都会对植物的生长造成不利的影响。
发明内容
为了克服现有的植物培养调光控制系统缺乏精准性和自适应性的不足,本发明提供一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，该自适应植物培养调光控制系统采用了机器视觉与自适应神经网络控制相结合的方法进行自适应调光控制，实现光强和光质比随植物的高度自适应变化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案可以是：一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，包括：一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，包括依次连接的图像采集模块、图像处理与分析模块和自适应调光控制系模块，所述的图像采集模块包括CCD工业相机、植物培养箱和图像采集卡，所述的图像处理与分析模块包括图像处理单元和神经网络控制单元，所述的自适应调光控制模块包括LED驱动器和LED面板灯，所述CCD工业相机的输出端与图像采集卡的输入端连接，所述CCD工业相机安装在植物培养箱上，所述CCD工业相机的镜头对准植物培养箱中的植物，所述图像采集卡的输出端和图像处理与分析单元的输入端连接，所述神经网络控制单元的输出端与自适应调光控制系模块连接，所述LED驱动器的输出端与LED面板灯连接，所述LED驱动器用于驱动LED面板灯。
所述基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统还包括PWM调光控制单元，所述的PWM调光控制单元与LED驱动器的输入端连接，所述的神经网络控制单元与PWM调光控制单元的输入端连接，所述的CCD工业相机安装在植物培养箱的内侧面，所述的CCD工业相机的镜头水平放置以对准植物培养箱中的植物。
所述的LED面板灯包括红光贴片LED灯珠条、蓝光贴片LED灯珠条、白光贴片LED灯珠条和紫光贴片LED灯珠条，每种颜色的贴片LED灯珠条都各自由一路LED驱动器输出的PWM脉冲信号独立进行驱动。
对所述的图像采集卡通过CCD工业相机采集到的植物图像进行坐标转换，使转换后的植物图像的坐标与图像处理与分析单元中所设定的坐标系相匹配，以建立植物的高度坐标系。
转换后的植物图像的坐标与图像处理与分析单元所设定的坐标系相匹配后，再由所述的图像处理与分析模块对图像采集卡所采集的植物图像进行处理，计算出植物图像的中轴线的像素坐标值，并由所述的图像处理与分析模块计算植物在垂直方向上所占的像素点数目，所述的图像处理与分析模块通过像素点与植物的真实高度的对应关系确定植物的高度，最后图像处理与分析模块计算植物高度的平均值得到植物实际的平均高度。
所述的自适应调光控制模块通过LED驱动器输出的PWM脉冲信号控制红光贴片LED灯珠条、蓝光贴片LED灯珠条、白光贴片LED灯珠条和紫光贴片LED灯珠条的光强及光质比。
所述的自适应调光系统采用训练好的自适应神经网络控制策略对LED面板灯进行控制，自所述适应神经网络控制策略的训练是基于事先获得的植物高度、光强和光质比的数据样本，通过训练，得到合适的神经网络权值，以获得植物高度与光强和光质比的对应关系。
所述自适应调光系统采用训练好的自适应神经网络控制策略对LED面板灯进行控制，所述自适应神经网络控制策略的训练以植物高度作为输入量，以光强和光质比作为输出量，在训练过程中不断调整自适应神经网络的权值，直至植物高度作为输入量经自适应神经网络计算得到的实际所需光强和光质比与期望的光强和光质比的误差在允许的范围内为止；所述的PWM调光控制单元根据自适应神经网络控制单元输出的光强和光质比控制信号，输出对应的PWM脉冲信号至LED驱动器，以对LED面板灯的光强和光质比进行自适应调节。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案也可以是：一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，包括：CCD工业相机、图像采集卡、图像处理与分析模块、PWM调光控制单元、LED驱动器以及LED面板灯顺序连接构成一个完整的控制系统，一个CCD工业相机安装在植物培养箱的内侧面，镜头水平放置，镜头的视野面积和分辨率可从厂家直接获取，由此可知拍摄的图像中每个像素所代表的真实高度。LED面板灯由红光、蓝光、白光以及紫光四色贴片LED灯珠条构成，PWM调光控制单元拥有多路PWM脉冲输出端口，LED驱动器拥有相同路数的PWM脉冲信号输入端口，用于接收PWM脉冲信号。在此基础上，图像采集模块采用一个图像采集卡，通过CCD工业相机拍摄植物的图像，图像中包含数棵植物的清晰图像，图像处理与分析模块通过对图像进行滤波、二值化变化等图像预处理，再利用边缘检测算法获得植物的边缘轮廓，由于植物图像具有一定的宽度且形状不规则，故以植物图像的中轴的最高点的非零像素的坐标值作为植物图像中植物的高度。再利用一个标准图像模板，以此标准图像模板在图像处理与分析单元所设定的坐标系中的非零像素坐标值作为参照与测量得到的像素坐标值进行对比，测算出每一棵植物的实际高度，为了能够得到一个更合理的高度值，系统采用植物的平均高度值作为最终的植物高度值。自适应调光控制模块采用自适应神经网络控制策略进行调光控制，自适应神经网络控制策略采用BP神经网络，输入层包含一个神经元，输出层包含四个神经元，为了兼顾控制精度和学习速度，隐含层神经元数目设为四个。首先采用事先获得的植物的高度与光强、光质比的数据样本进行训练，将神经网络权值调整到合适的值。训练完成后，获取的植物高度值作为输入量，神经网络的输出量为四色贴片LED灯珠条的光强和光质比控制信号，PWM调光控制单元根据PWM脉冲控制信号输出对应的PWM脉冲信号，通过改变每一路PWM脉冲信号的占空比实现对四色贴片LED灯珠条的光强和光质比的自适应控制。
本发明相对于现有技术具有如下的优点与有益效果：本发明通过机器视觉测量植物的高度，并采用自适应神经网络控制策略，根据植物的生长高度自适应调整LED灯的光强和光质比，提高植物培养中调光的精准度和自适应能力。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
图2是本发明的系统示意图；图中，1表示培养箱；2表示培养槽；3表示LED面板灯；4表示CCD工业相机；5表示图像采集卡；6表示图像处理与分析模块；7表示LED驱动器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，包括：图像采集模块、图像处理与分析模块以及自适应调光控制模块，其中，图像采集模块包括一个CCD工业相机，一个植物培养箱和一个图像采集卡，图像处理与分析模块包括图像处理与分析单元和神经网络控制单元。自适应调光控制模块包括自适应调光控制单元、LED驱动器以及LED面板灯。所述的调光控制模块设置PWM脉冲输出端口，通过改变PWM脉冲信号的占空比控制LED面板灯的光强和光质比。
如图2所示，植物培养箱1是上、下两层的结构，上层垂直向下安装有LED面板灯3，下层放置培养槽2，培养槽内栽培一列一列植物，LED面板灯3由红光、蓝光、白光以及紫光四色贴片LED灯珠条构成，CCD工业相机4安装在植物培养箱1的内侧面，镜头保持水平，CCD工业相机4与图像采集卡5连接，图像采集卡5通过CCD工业相机4采集植物图像，图像采集卡5的图像数据输出端与图像处理与分析模块6的图像数据输入端连接，图像数据传送至图像处理与分析模块6进行处理和分析，然后将测得的植物高度数据作为输入量传送至图像处理与分析模块6的神经网络控制单元输出光强和光质比控制信号，最后由PWM调光控制单元根据控制信号输出PWM脉冲信号至LED驱动器7，由LED驱动器7驱动LED面板灯3产生所需的光强和光质比。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，包括依次连接的图像采集模块、图像处理与分析模块和自适应调光控制模块，所述的图像采集模块包括CCD工业相机、植物培养箱和图像采集卡，所述的图像处理与分析模块包括图像处理单元和神经网络控制单元，所述的自适应调光控制模块包括LED驱动器和LED面板灯，其特征在于，所述CCD工业相机的输出端与图像采集卡的输入端连接，所述CCD工业相机安装在植物培养箱上，所述CCD工业相机的镜头对准植物培养箱中的植物，所述图像采集卡的输出端和图像处理与分析单元的输入端连接，所述神经网络控制单元的输出端与自适应调光控制模块连接，所述LED驱动器的输出端与LED面板灯连接，所述LED驱动器用于驱动LED面板灯。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，其特征在于，所述基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统还包括PWM调光控制单元，所述的PWM调光控制单元与LED驱动器的输入端连接，所述的神经网络控制单元与PWM调光控制单元的输入端连接，所述的CCD工业相机安装在植物培养箱的内侧面，所述的CCD工业相机的镜头水平放置以对准植物培养箱中的植物。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，其特征在于，所述的LED面板灯包括红光贴片LED灯珠条、蓝光贴片LED灯珠条、白光贴片LED灯珠条和紫光贴片LED灯珠条，每种颜色的贴片LED灯珠条都各自由一路LED驱动器输出的PWM脉冲信号独立进行驱动。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，其特征在于，对所述的图像采集卡通过CCD工业相机采集到的植物图像进行坐标转换，使转换后的植物图像的坐标与图像处理与分析单元中所设定的坐标系相匹配，以建立植物的高度坐标系。
5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，其特征在于，转换后的植物图像的坐标与图像处理与分析单元所设定的坐标系相匹配后，再由所述的图像处理与分析模块对图像采集卡所采集的植物图像进行处理，计算出植物图像的中轴线的像素坐标值，并由所述的图像处理与分析模块计算植物在垂直方向上所占的像素点数目，所述的图像处理与分析模块通过像素点与植物的真实高度的对应关系确定植物的高度，最后图像处理与分析模块计算植物高度的平均值得到植物实际的平均高度。
6.根据权利要求3所述的基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，其特征在于，所述的自适应调光控制模块通过LED驱动器输出的PWM脉冲信号控制红光贴片LED灯珠条、蓝光贴片LED灯珠条、白光贴片LED灯珠条和紫光贴片LED灯珠条的光强及光质比。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，其特征在于，所述的自适应植物培养调光控制系统采用训练好的自适应神经网络控制策略对LED面板灯进行控制，所述自适应神经网络控制策略的训练是基于事先获得的植物高度、光强和光质比的数据样本，通过训练，得到合适的神经网络权值，以获得植物高度与光强和光质比的对应关系。
8.根据权利要求2所述的基于机器视觉的自适应植物培养调光控制系统，其特征在于，所述的自适应植物培养调光控制系统采用训练好的自适应神经网络控制策略对LED面板灯进行控制，所述自适应神经网络控制策略的训练以植物高度作为输入量，以光强和光质比作为输出量，在训练过程中不断调整自适应神经网络的权值，直至植物高度作为输入量经自适应神经网络计算得到的实际所需光强和光质比与期望的光强和光质比的误差在允许的范围内为止；所述的PWM调光控制单元根据自适应神经网络控制单元输出的光强和光质比控制信号，输出对应的PWM脉冲信号至LED驱动器，以对LED面板灯的光强和光质比进行自适应调节。
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