監(jiān)測植物的壓力2.0開源分享

葉綠素?zé)晒獬上?(CFI) 是分析葉片中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的有效方法。植物吸收光能并將其用于光合作用，或者如果它們不能使用它，則必須將其作為熱量釋放或以光的形式重新發(fā)射。最后一個選項稱為熒光。通過用強(qiáng)光照射植物并用光度計或照相機(jī)記錄熒光，可以非侵入性地測量葉綠素的存在。當(dāng)用可見光照射時，植物通常會發(fā)出從紅色到近紅外波長（大約 630-740nm）的熒光：

上面的數(shù)據(jù)不僅顯示了熒光的預(yù)期位置，還顯示了如何最好地產(chǎn)生熒光，因為植物必須首先吸收光能。葉綠素 (Chl) A 在 450nm（藍(lán)色）和 665nm（紅色）處有較大的吸收峰，而 Chl B 在 430nm（紫外線）和 645nm（紅色）處有較大的吸收峰，因此這些是為植物提供盡可能多能量的目標(biāo)波長盡可能。困難在于確保熒光燈不會在更亮的刺激光中丟失。因此，我們不能提供紅色光譜中的光，而必須使用藍(lán)色（紫外線也是可能的，但更危險）。許多高功率 450nm LED 用于瞄準(zhǔn) Chl B 吸收峰，并使用近紅外相機(jī)尋找熒光。該相機(jī)還配備了 715nm 長通濾光片（阻擋715nm以下的所有光線 ) 阻擋任何其他可能干擾的光線。

大多數(shù)熒光指標(biāo)需要使用飽和脈沖(SP)，這是植物接收到如此多的光而無法使用所有光的地方，并被迫將大部分光發(fā)回。這需要在一次藍(lán)色爆炸中達(dá)到 4000umol/m^2/s 以上。這是項目中最困難的部分，因為很少有供應(yīng)商提供以 umol/m^2/s 為單位的數(shù)字。確保足夠輸出的最佳方法是購買樣品，并在腔室本身使用讀取 umol/m^2/s 的光傳感器對其進(jìn)行測試，然后再購買滿足 4000 所需的數(shù)量。

NDVI成像

歸一化差分植物指數(shù)是植物的度量標(biāo)準(zhǔn)，將其紅光反射率與其近紅外 (NIR) 光反射率進(jìn)行比較。植物吸收紅色，但反射紅外線，因此在這兩種燈光下比較時會從背景物體中突出顯示。衛(wèi)星通常使用這種技術(shù)從太空估計森林的生物量。

在 660nm（左）和近 IR 730nm（右）下照亮的幼苗 - 使用 NoIR 相機(jī)拍攝。

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使用 Raspberry Pi NoIR 相機(jī)，可以拍攝這些圖像并進(jìn)行比較以估計葉片大小。大多數(shù)相機(jī)已經(jīng)可以檢測到 NIR，但解釋是紅色，因此為了阻止圖片看起來過于紅色，制造商安裝了 NIR 濾光片來阻擋人眼看不到的任何東西。NoIR 相機(jī)與 Raspberry Pi 相機(jī)相同，但移除了此過濾器，以便它可以檢測 NIR 光。

熱成像

此版本的 CEA 中還包含熱成像，但使用 Lepton 3.5 的純熱 2 板可以省去很多麻煩和接線問題。Purethermal 2 板通過 USB 電纜連接，因此在計算機(jī)上顯示為普通網(wǎng)絡(luò)攝像頭。

通過 Purethermal 2 板使用 Lepton 3.5 拍攝的手相當(dāng)冷的照片。

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加強(qiáng)溫度控制

為了擴(kuò)展最后一個室的微弱溫度控制，這將在床本身中進(jìn)行主動冷卻/加熱。這將通過使用兩個 Peltier 熱泵加熱一個大鋁板來完成（有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參閱以前的黑客），并使用溫度傳感器來監(jiān)測床溫。

這些 Peltier 將像以前一樣使用定制的 H 橋電路單獨(dú)控制。

審查

腔室和以前一樣由 6 毫米 PVC 板構(gòu)成，并包含所有設(shè)計的新功能。這也意味著房間的重量要大一些。

加工 5 毫米鋁板以安裝所有 66 個 LED（60 個藍(lán)色、2 個紅色、2 個紅外、2 個白色），并使用 4 個珀爾帖模塊對其進(jìn)行冷卻。它還通過帶有用于熱像儀的中紅外窗口的丙烯酸屏幕（和用于氣密密封的硅膠墊圈）從操作員那里進(jìn)行篩選。還購買了焊接安全眼鏡，供用戶在打開腔室時佩戴，以減少危險光照射的風(fēng)險。

設(shè)備背面，顯示了四個冷卻 LED 的珀爾帖散熱器風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。

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為了給所有東西供電，有一個用于 LED 的 48V 大電源、一個用于風(fēng)扇的 12V 電源和一個用于所有 Peltier 模塊的 5V 電源。樹莓派由主電源集線器中的 USB 插座供電。

即使后面有更大的電氣柜空間，接線仍然非常凌亂且擠壓得很緊。在未來的設(shè)計中，更多的空間和時間應(yīng)該用于整潔的布線和整潔的布局。

葉綠素?zé)晒獬上?/font>

盡管難以采購和驅(qū)動足夠的高功率 LED，但該腔室能夠產(chǎn)生超過 2000 umol/m^2/s（光傳感器的上限），并且估計全時產(chǎn)生 3000-4000umol/m^2/s力量。

最終的 LED 陣列，攝像頭安裝在中心。

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這些 LED 中的每一個都由預(yù)制 LED 驅(qū)動器驅(qū)動，因為手工生產(chǎn) 15 多個定制 LED 驅(qū)動器是不可行的，并且由電路板制造商制造它們大大增加了成本（由于 SMD 組裝成本）。NIR 相機(jī)仍需要調(diào)整才能按要求運(yùn)行，并且需要完成工作以識別和完成對腔室將運(yùn)行的 CFI 機(jī)制的編程。

培養(yǎng)皿中種子的近紅外圖像。

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但是，所有硬件都存在并且可以繼續(xù)進(jìn)行。

NDVI 成像

盡管沒有對該設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，但一些初步測試似乎很有希望。NoIR 相機(jī)當(dāng)然能夠以合適的分辨率對紅色和 NIR 進(jìn)行成像，并且植物反射率的差異很明顯。需要更多的測試和圖像分析來驗證這種方法。

熱成像

熱像儀很容易連接到 Raspberry Pi，并立即生成圖像。但是，尚不清楚是否可以輕松修改參數(shù)，因為樹莓派沒有立即提供的接口。此外，除了定量圖像之外，還需要進(jìn)行研究以提供定性溫度讀數(shù)。

加強(qiáng)溫度控制

安裝了 Peltier 并能夠有效地冷卻和加熱腔室的床。該系統(tǒng)的最大上限和下限還有待測試。LMT86LP 芯片用作可靠且簡單的溫度傳感器，5 個安裝在不同位置的床上。

溫度傳感器和 Peltier 散熱器風(fēng)扇組件連接到腔床。

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當(dāng)門關(guān)閉時，床下的風(fēng)扇與上面的房間密封，以避免氣流干擾植物。

在行動

20% 電量時藍(lán)燈亮。

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IR 燈以 20% 的功率亮起。

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白燈在 20% 功率時亮起。

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20%電量時紅燈亮。

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出色的工作

要讓腔室作為一個功能齊全的科學(xué)儀器運(yùn)行，還有很多工作要做，但所有功能都已到位并單獨(dú)工作。

• 熱像儀接口和遙測
• 相機(jī)位置調(diào)整
• 床位調(diào)整調(diào)整
• 觸摸屏編程
• 安全開關(guān)重置功能可更安全地使用設(shè)備
• NIR 相機(jī)編程以拍攝視頻以進(jìn)行 CFI 監(jiān)控
• 識別和編程所需的 CFI 程序
• 使用真實樣品進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)分析驗證
• 紅外窗口安裝
• 珀爾帖溫度控制驗證和極端測試

非常感謝 Mayke Santos、Alexandre Kabla、Stefan Savage 和 Mark Huntsman 為本項目提供的建議和貢獻(xiàn)。