帶有內(nèi)置壓力監(jiān)測系統(tǒng)的低成本CEA室

描述

目前，由于植物脅迫和疾病造成的食物浪費對作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)實踐的可持續(xù)性產(chǎn)生了重大影響。植物的壓力會對植物的健康和整體產(chǎn)量產(chǎn)生重大影響。早期識別受控環(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)價值，同時減少食物浪費和提高能源效率。

目前，關(guān)于如何減少或逆轉(zhuǎn)壓力對 CEA 種植作物的影響的研究有限。需要進一步的研究來加深我們對植物用來應(yīng)對這些環(huán)境中的壓力的??復(fù)雜信號網(wǎng)絡(luò)的理解。早期識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抗壓力，確保最大的作物質(zhì)量、產(chǎn)量和營養(yǎng)價值，同時減少食物浪費和提高能源效率。

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，并且可以在實驗室中占據(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，以幫助進一步調(diào)查這些關(guān)鍵信號事件，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)備有四個主要特點：

• RGB 和 IR 相機
• 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都需要自己的系統(tǒng)和技術(shù)，并且每個功能都有自己的問題要實現(xiàn)。

系統(tǒng)總覽

該設(shè)備由兩個腔室組成：一個用于種植和監(jiān)測植物，另一個用于容納電子設(shè)備。

生長室具有可控生長燈、熱板和各種傳感器（溫度、濕度、光）。這些植物生長在實驗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的焦點上。門用閉孔泡沫和磁性閂鎖密封。

電子室裝有一個 Raspberry Pi (RPi)、一個 Arduino、一個 Peltier 熱泵、兩個觀察植物的攝像機以及各種控制電路和電源。

RPi 控制攝像機和 arduino。arduino 控制燈和 Peltier，并從傳感器接收數(shù)據(jù)，并在需要時將其傳輸回 RPi。

在測試過程中，可以改變不同顏色的溫度和光強度，并且可以在整個過程中以指定的時間間隔（低至每 10 秒）記錄數(shù)據(jù)和照片。

隨著數(shù)據(jù)的收集，它會從本地存儲實時移動到云端（現(xiàn)在是 Google Drive）。一旦在云上，圖像就會準(zhǔn)備好并通過預(yù)制的 AraDEEPopsis 機器學(xué)習(xí)模型運行，以識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“中央計算機”。這些是精簡的低成本計算機，可用于運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)了一個串行協(xié)議以允許 RPi 在運行測試時生成請求并從 Arduino 接收數(shù)據(jù)。

選擇 Arduino Uno 與傳感器和電子元件進行接口是因為它與 RPi 具有出色的電子接口，并且可以減輕 RPi 的一些高速處理負載（用于控制高級電子設(shè)備），而不會產(chǎn)生太多的額外成本.

RPi 運行測試的代碼是用 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)由另一個系統(tǒng)自動檢測，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

為了監(jiān)測植物的生長和對刺激的反應(yīng)，將在可見光譜和中紅外光譜中重復(fù)拍攝圖像。

Raspberry Pi Camera V2 被選為可見光圖像的低成本、高分辨率解決方案，因為它可以輕松連接到 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)像素值計算溫度）而被選擇用于紅外攝像機。然而，這款相機確實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）。

這兩個攝像頭將由 RPi 使用PiCamera 模塊和 FLIR 提供的驅(qū)動程序直接控制。

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。

為了達到最高溫度±15°C的環(huán)境溫度，選擇了輕型珀爾帖模塊，因為它尺寸緊湊、操作簡單，并且能夠加熱和冷卻。這意味著在運行中，它將有一個“熱側(cè)”和一個“冷側(cè)”——哪一個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 H 橋（一個由四個電子開關(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，因為循環(huán)可能會干擾植物的反應(yīng)或在拍照時干擾它們。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，從而被動地加熱或冷卻室。該板還可以作為生長燈的散熱器（在運行中會變熱），使它們與腔室同時冷卻。

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，每一種都可以獨立控制。選擇 LED 是因為它們具有窄波長輸出和高效率。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)建一個由 400 個小型 LED 組成的陣列，這可能會提供更多關(guān)于波長的定制，但簡單的替代方案是購買一個（或兩個）大功率 LED 陣列。為避免損壞這些陣列，它們由恒流 LED 驅(qū)動器供電，該驅(qū)動器將準(zhǔn)確提供 LED 所需的電流。

每個顏色的 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)動器，可以為所有 LED 使用單一類型的驅(qū)動器。

設(shè)計了許多控制方案來單獨操作每種 LED 顏色，但最終為每種波長配備一個單獨的可調(diào)光 LED 驅(qū)動器被證明是最有效的。可調(diào)光驅(qū)動器可以使用脈寬調(diào)制 (PWM) 根據(jù)單獨的電子信號來控制提供的電流（以及亮度）。

我們需要的可調(diào)光驅(qū)動器（48V，700mA）通常每個 >20 英鎊。然而，基于 ILD6070 芯片的定制驅(qū)動程序最終成本約為 4 英鎊。這確實需要手工焊接電路，但對于少數(shù)驅(qū)動器來說，這并不太費力，而且效果很好。

細枝末節(jié)

輕子接口

為了讓 Lepton 3.5 正常工作，請遵循本指南或 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，請使用另一臺計算機將映像刷入 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）。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的低級協(xié)議。

幸運的是，在入門教程的最后，有一個命令允許用戶通過運行驅(qū)動程序附帶的預(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額外的數(shù)字來表征它是 50 個圖像中的哪一個。使用 pythonos庫，此命令（或類似命令）可以由程序自動運行。編寫這樣的腳本來運行以下命令：

./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。

云存儲和處理

Microsoft Sharepoint 是理想的云存儲解決方案（由于大學(xué)附屬機構(gòu)提供了較大的存儲空間），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 存儲空間更為直接。

當(dāng)設(shè)備運行測試時，它將創(chuàng)建一組新的文件夾，根據(jù)將記錄第一個數(shù)據(jù)點的日期/時間進行唯一命名。這通常采用 YYYY-MM-DD-HH_MM_SS 的形式。

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）。擴展名為 .tmp 的文件不包括在內(nèi)，因為在執(zhí)行測試時數(shù)據(jù)會不斷寫入這種類型的文件。測試結(jié)束時，將填寫好的tmp文件的副本保存為txt文件（上傳到驅(qū)動器），并刪除tmp文件。

珀耳帖熱泵

珀爾帖模塊是一種熱泵，由半導(dǎo)體結(jié)的扁平網(wǎng)格組成。當(dāng)電流流過這個網(wǎng)格時，熱量會從模塊的一側(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，因為副產(chǎn)品加熱最終會抵消任何冷卻效果。請查閱 Peltier 數(shù)據(jù)表以獲得最佳電流使用 - 根據(jù)經(jīng)驗，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 就會再次啟動并將其提高一點，但它會再次回落。這導(dǎo)致 Peltier 在目標(biāo)溫度附近快速打開和關(guān)閉，這基本上就像我們試圖避免的 PWM。為了克服這個問題，需要引入滯后。這意味著何時打開 Peltier 的規(guī)則與何時關(guān)閉不同。

上述數(shù)字是藝術(shù)家對此類控制系統(tǒng)如何運行的再現(xiàn)。簡單的方法在目標(biāo)溫度附近波動非?？欤恍柽M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，因為 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，這會導(dǎo)致更廣泛的溫度變化 - 但實際上最多為 ± 0.5 度。

LED 和 LED 驅(qū)動器

LED 通過電流工作 - 每個通過 LED 的安培都會產(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，該電流才會流動。這個閾值電壓意味著 LED 存在兩種狀態(tài)。低于這個電壓，它們可以被認為是非常大的電阻器，作用很小。在閾值電壓以上，它們會變成非常小的電阻，如果不加以檢查，將允許非常大的電流流動。通常使用恒流驅(qū)動器/電源，因為它們會主動控制它們提供的電流。這是更常見的恒壓驅(qū)動器（如電池）的替代方案。使用恒壓驅(qū)動器的風(fēng)險在于，在電壓略高于閾值時，大多數(shù) LED 會消耗大量電流以致于損壞自身。

可調(diào)光 LED 驅(qū)動器使用脈寬調(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?？焖俚亻W爍燈。

每個周期有兩個部分，一個是有電流流過，燈亮，一個是沒有電流流過，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)整這兩個持續(xù)時間的比例，隨著燈光保持的總時間比例發(fā)生變化，燈光會顯得更暗或更亮。這也直接控制了燈發(fā)出的功率（因為功率是一段時間內(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。

死后

建造

最終系統(tǒng)安裝了攝像頭和燈，但由于空間限制，難以將所有電子設(shè)備安裝在分配的空間中。實驗室千斤頂被證明是不穩(wěn)定的，但足以進行粗略的高度調(diào)整。由于高壓端子暴露給用戶，因此需要安裝漫射器/防護裝置以覆蓋光陣列。

攝像機也需要防護，因為它們暴露在下面的元素中。這些防護裝置必須允許可見光和/或中程紅外光通過，攝像機才能正常運行。

數(shù)據(jù)記錄和控制

RPi 和 Arduino 之間的鏈接已經(jīng)建立并且運行良好。將數(shù)據(jù)記錄到 Google Drive 也很有效。該設(shè)備需要單獨的顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)來控制。需要手動創(chuàng)建運行測試的配方文件。

相機

Picamera 產(chǎn)生清晰的照片并且易于使用。由于燈光的 PWM 控制，它會出現(xiàn)圖像偽影——它可以在拍攝圖像時檢測到閃爍。可以調(diào)整相機中的設(shè)置以糾正此問題。

Lepton 3.5 分線板非常難以使用，并最終通過錯誤的布線殺死了腔室 Raspberry Pi。由于界面受限，遙測（溫度值）沒有從圖像中提取出來，但可能需要更多時間。

溫度控制

溫度控制方法效果很好。在實踐中，熱泵無法在全功率下有效地冷卻燈，但在 <20% 的運行 (~100umol/m^2/s) 下可能就足夠了。需要進行更多測試以了解冷卻溫度的限制。

需要大量開發(fā)來設(shè)計與 Peltier 設(shè)備一起使用的足夠高電流的 H 橋，一種更精簡但成本更高的方法是購買大功率可變電流驅(qū)動器，盡管這些并不常見。

種植燈

燈和定制驅(qū)動器工作得很好，在峰值強度下產(chǎn)生高達 610umol/m^2/s。在沒有風(fēng)扇的情況下，在這些強度下散熱成為一個問題。

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