融合三维结构光和叶绿素荧光的植株光合表型成像系统

[目的/意义]植株光合表型研究在把握植株生理特性和解析植株形态结构上起着至关重要的作用,通过传统叶绿素荧光成像方法难以对植株光合作用三维空间异质性进行分析。为提高植株表型检测效率,满足高通量植株光合表型分析需求,本研究构建了一套经济实用、融合三维结构光和叶绿素荧光的植株光合表型成像系统。[方法]提出了一种自动化植株图像采集并建立植株可视化模型的方法,并进行图像分析获取植株光合效率信息。通过搭建结合叶绿素荧光激发的结构光条纹投影装置,先用LED (Light-Emitting Diode)白光与蓝光分别照射植株样本,再用投影仪对植株样本投射相移条纹,电动滤光轮配合相机同步采集不同光照条件下特定波段的植株图像;通过数字图像处理获取植株三维图像和对应的叶绿素荧光图像,并分析植株的三维形态结构及光合效率,将植株叶绿素荧光图像逐像素渲染到其三维结构上,便可推测出植株光合在三维空间中分布情况。[结果和讨论]该方法及系统能够高效多样化采集植株图像,快速重构出植株三维形态,其整体重建准确率可达到96.69%,整体误差仅为3.31%,重构时间仅需1.11s,同时能够满足植株光合效率评估需求。[结论]该研...     

一种叶绿素实时检测的新方法

介绍了一种基于MINIPAM荧光仪调制脉冲式荧光检测技术的LED辐照叶绿素荧光参数的实时检测方法。该方法利用可编程电源为LED列阵提供恒流输出驱动,LED列阵作为激发叶绿素产生荧光的光化光,利用MINIPAM荧光仪对植物光系统II的稳态荧光Fs、光适应下最大荧光Fm’进行检测,并结合环境测控系统的测量,综合分析环境因素对实际量子效率、实际电子传递速率等参数的影响。MINIPAM荧光仪通过与上位机通信,可以进行实时在线监控。     

基于夫琅和费暗线原理的太阳诱导叶绿素荧光

叶绿素荧光技术是探知植物生理状态及其与环境关系的理想方法.太阳诱导叶绿素荧光可以利用夫琅和费暗线原理进行提取.阐述了夫琅和费暗线探测自然光条件下光合作用荧光的基本原理和方法,以及波长760nm叶绿素荧光探测仪的光学系统、仪器硬件组成及其各部分功能、仪器的软件设计.通过与ASD地物光谱仪器的对比试验表明,研制的太阳诱导叶绿素荧光测量的数据与地物光谱仪测量的数据相关系数都大于0.9.基于夫琅和费暗线原理的太阳诱导叶绿素荧光探测仪器提供了一种低成本、实时测量作物冠层太阳诱导叶绿素荧光的方法和仪器.     

荧光成像技术在植物病害检测的应用研究进展

植物病害阻碍植物正常生长,对蔬菜产品品质安全造成威胁,病害检测可以有效控制植物病害发展,是提高果蔬品质安全和可持续生产能力的一个重要途径。所有的绿色植物在受到紫外光或可见光激发时,都会发出可见光波段的荧光。基于植物荧光的成像技术,是利用计算机模拟人眼的视觉功能,在不破坏植株外观且不影响其生长的情况下,获取植物的荧光图像,并通过图像处理算法,对植物的健康状况做出判断。本文对荧光成像技术及其在植物病害检测中的研究进行了综述,介绍了荧光成像的原理,分别从叶绿素荧光和其他色素荧光两方面总结了国内外研究现状。与可见光成像、高光谱成像、多光谱成像以及热成像技术相比,该技术具有可获取植物内部信息、受温湿度影响小、不局限于晴天采集、价格合理等优点。     

基于动态荧光指数的草莓干旱胁迫分析

为了探究干旱胁迫与草莓幼苗荧光图像参数的关系,设计了草莓幼苗叶绿素荧光图像采集系统,研究利用460 nm波长LED光源主动激发不同胁迫组分下的草莓幼苗,采集从激发开始到稳态阶段的荧光图像.提出基于最大类间方差法的阈值分割及图像去背景方法进行图像预处理,并根据每幅图像的像素均值绘制荧光淬灭曲线,分析荧光衰减比率、动态荧光指数与胁迫天数相关关系.结果表明:离体叶片的荧光淬灭曲线衰减变化较大,荧光衰减比率与干旱胁迫时间高度相关,决定系数R²=0.98;活体草莓幼苗荧光衰减比率在干旱胁迫7 d内相比对照组存在较明显变化,荧光淬灭曲线550 s处的动态荧光指数与干旱胁迫天数存在较高相关性(决定系数R²=0.84),可以作为模型分析草莓幼苗干旱状况;经过数字处理的荧光图像可以直观地分析叶片荧光二维分布、进行不同胁迫天数之间的荧光比对,结合图像的叶绿素荧光分析相较传统的荧光检测手段更加经济直观,可以作为一种农业生产监测手段来实现干旱胁迫预警.     

基于上位机控制的喷雾成像装置的研制

研制出一种喷油嘴喷雾成像系统,该系统利用PC机作为上位机,用PC机的串口通信系统发送指令到单片机,单片机接收指令并利用单片机的内部资源和控制电路对外部成像系统的闪光灯和数码照相机进行自动控制,闪光灯闪光时刻是相对于同一基准信号不同循环的延时,可得不同喷雾时刻的图像,从而获得油束发展过程的全部图像。     

结合图像的叶绿素荧光动力学植物水分胁迫探测方法

为了准确、直观探测植物水分胁迫及生长状态信息,融合了叶绿素荧光动力学参数及荧光图像对不同干旱胁迫条件下的植物进行了实验观测。以460 nm蓝色LED作为激发光源,EMCCD加装690 nm带通滤光片进行荧光图像采集,对4种不同采样周期下的各1 000幅图像求每幅图的像素平均值,按时间序列绘制荧光强度,可得到信息更全面的叶绿素荧光动力学曲线,并计算得出各个动力学参数。同时,对不同时间产生的荧光图像进行降噪、乘除等运算,并用伪彩色显示,可直观分析各类因素导致的荧光分布不均匀性。对易失水叶片和非易失水叶片分别进行快速水分胁迫和缓慢水分胁迫实验,结果表明,荧光比Rfd及动力学曲线上次峰值出现的时间随着胁迫的加剧均发生相应变化,且与叶片含水率之间具有较高的拟合决定系数。因此,将叶绿素荧光动力学特征和图像信息相结合,可提高植物干旱胁迫早期预测的准确度和直观性,为现场连续无损地监测植物生长状态、各类胁迫信息、病虫害检测等提供了一种快速的遥测手段。     

基于叶绿素荧光传感器的植物LED补光测控系统

针对目前温室植物补光无法针对植物生长状况实时反馈控制的问题,以LED补光系统为基础,设计了基于FluorMonitor叶绿素荧光传感器的植物补光测控系统。通过SDI-12和MODBUS通信协议实现对叶绿素荧光参数和光温参数的采集;并根据叶绿素荧光参数F_t、F_m、光化学量子效率Yield的测量流程和采集周期,设计了自动采集模式和手动采集模式;通过PWM调光模块的设计,完成对LED发光强度的精确调控;通过设计人机接口,实现了对光温参数和叶绿素荧光参数的显示和人机交互操作。以生菜为研究对象,进行了不同调光方式的补光调控试验,试验结果表明,基于叶绿素荧光的LED补光控制系统可以实现对光强、ETR和Yield的稳定控制,增加生菜对光能的利用效率,实现了基于作物生理信息的反馈控制。     

喷播机自动导航控制系统设计及其性能仿真

以嵌入式触摸屏为开发平台,编写了GPS、电子罗盘和超声波传感器Lab VIEW数据采集程序;根据传感器采集的数据,用阶跃信号模拟上位机给喷播机的信号,喷播机以14.4、10.8、7.2、3.6km/h的速度分别在MatLab环境下对该自动导航控制系统进行了模拟测试。经过多次仿真,校正PID参数,结果显示:喷播机运行速度在7.2~10.8km/h,喷播机跟踪上位机信号时间为3~4s。其中,检测信号时间为1~2s,速度最大偏差量在0.36~0.9 7 km/h之间,符合针对草原地形下喷播机作业的要求。     

基于机器视觉和PLC的猕猴桃分级控制系统设计

针对传统的猕猴桃采摘后人工分级费时费力、效率较低的问题,基于S7-300 PLC控制器、MATLAB图像处理以及组态软件实时监控等技术,设计基于面积的猕猴桃大小分级控制系统。系统采用USB摄像头对输送带上的猕猴桃进行图像采集,在PC端用MATLAB对采集的猕猴桃图像实时处理,并通过OPC将处理结果传送给组态王开发的上位机监控系统中,上位机通过PLC控制分级执行系统。经试验测试,该分级控制系统执行效率高,平均分级速率可达2.5 s/个,正确率可达100%,能够满足猕猴桃果实分级要求。     

微咸水灌溉对冬小麦光合及荧光动力学参数的影响

以冬小麦为研究对象,通过设计不同微咸水浓度和不同灌水量的灌溉方案,采用桶栽试验,通过叶绿素含量、光响应曲线及荧光动力学参数的变化规律,探究微咸水灌溉下水盐胁迫对冬小麦的影响。结果表明:3 g/L的微咸水对叶绿素含量的影响较小,5 g/L的微咸水则会使得叶片叶绿素含量降低。在拔节期采用3 g/L的微咸水进行灌溉,可以促进冬小麦的生理生长,适当的盐分胁迫会促进作物的光合作用;盐分胁迫会改变作物对有效光辐射的利用方式,采用3 g/L的微咸水灌溉会促进冬小麦对低有效光辐射的利用效率。采用5 g/L的微咸水进行灌溉会影响冬小麦的叶片结构,降低叶片对高有效光辐射的响应,最终导致光合作用下降。另外,盐分胁迫会增加作物的初始荧光,使叶片的最大荧光产量降低,还会降低内禀光能转换效率。3 g/L的微咸水在可以一定程度上缓解作物的水分胁迫,并能增加作物在盐分胁迫下的生理生长。     

马铃薯叶片光化学吸收与反射光谱关联分析及检测

为开展马铃薯叶片PSⅡ叶绿素荧光参数无损检测研究,利用高光谱成像系统采集200个感兴趣区域样本点的光谱图像并提取反射率,使用封闭式叶绿素荧光成像系统采集相应样本点的qP值。采用SPXY算法将总样本按照2∶1的比例划分为建模集(135个样本)和验证集(65个样本),采用联合区间偏最小二乘法(Synergy interval partial least squares,si-PLS)和随机蛙跳(Random frog,RF)算法各筛选出18个敏感波长,并用选择的特征波长建立偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)模型。结果表明：si-PLS-PLSR模型的建模集决定系数R2c为0.6285,验证集决定系数R2v为0.6103;RF-PLSR模型的建模集决定系数R2c为0.7093,验证集决定系数R2v为0.6872。结果表明利用RF算法筛选的特征波长对马铃薯叶片qP值检测的解释性优于si-PLS算法,特征波长在518.72~640.64nm、650~800nm和850~1000nm范围,体现了荧光发射信号是马铃薯作物光化学吸收qP值的重要响应特征,且叶片光化学吸收与叶绿素含量、叶片结构、水分含量等属性紧密关联。绘制叶片qP值分布图为分析马铃薯叶片光化学吸收和光合作用动态提供了直观的分析手段,可为马铃薯作物光合活性评价及复杂生理生化动态监测提供支持。     

基于荧光法的溶解氧传感器研制及试验

溶解氧含量的测量对水产养殖具有极其重要的意义，但目前中国市面上的溶解氧传感器存在价格昂贵、不能持续在线测量及更新部件维护困难等问题，难以在水产养殖物联网中大规模推广和发挥作用。本研究基于荧光淬灭原理，利用水中溶解氧浓度与荧光信号相位差的关系进行低成本、易维护溶解氧传感器的研发。首先利用自制备溶氧敏感膜，经激发光照射后产生红色荧光，该荧光寿命可由溶解氧浓度调节；然后利用光信号敏感器件设计光电转化电路实现光信号感知；再以STM32F103微处理器作为主控芯片，编写下位机程序实现激发光脉冲产生，利用相敏检波原理以及快速傅里叶变换（FFT）计算激发光与参照光的相位差，进而转化为溶解氧浓度，实现溶解氧的测量。荧光探测部分与系统主控部分采用分离式设计思想，利用屏蔽排线直接插拔连接，便于传感器探测头的拆卸、更换、维护以及实现远距离在线测量。经测试，本溶解氧传感器的测量范围是0~20 mg/L，响应延迟小于2 s，溶氧敏感膜使用寿命约1年，可以实时不间断地对溶解氧浓度进行测量。同时，本传感器具有测量方便、制作成本低、体积小等特点，为中国水产养殖低成本溶解氧传感器的研发与市场化奠定了良好的基础。     

基于机器人的盆栽作物生长环境智能监控系统设计

针对作物育/选种过程中,采用人工操作方式对作物样本植株个体的生理指标和生长环境参数进行高频次采集,存在数据采集精度低、生产效率低、劳动强度大等问题,设计一种以AGV为采集终端的盆栽作物生长环境智能监控系统。系统以FPGA控制器为硬件核心,结合传感器、采集装置、导航、定位和Wi-Fi传输模块将采集的环境参数和图像信息传至上位机,上位机根据预先设定指令控制AGV执行终端依次对选取样本植株个体的图像和生长环境信息进行自动采集,并结合设定参数实现执行机构的远程控制功能,提高了育/选种过程中的智能化管理水平。试验结果表明,该系统采集盆栽作物的生长环境参数精度高、图像信息完整清晰、采集样本位置精度误差为25 mm、停车定位精度误差为±10 mm,无走偏和脱轨现象。该研究有利于技术人员快速、准确获取作物的生长环境和生长态势信息,为培育出更优质的农作物品种提供科学依据。     

基于SD卡的拖拉机数据采集系统的开发

为了评价拖拉机在不同工作条件下的运行情况,设计了一款基于SD卡的数据采集系统,由开发板、信号调理板及上位机监测软件3部分组成。系统选用MSP430进行信号调理,采用LabVIEW软件进行上位机监控。试验验证表明:该数据采集器可以在脱机时完成数据的自动采集与保存;在线监测状态时与上位机的LabVIEW软件相配合,完成实时监测、采集并保存试验数据;采集信号的精度满足使用要求。     

农业环境多路图像采集系统设计与实现——基于ARM和Linux

与视频采集卡等传统图像采集系统相比,嵌入式图像采集系统具有体积小、成本低、可靠性高等优点,在智能交通、远距离监控和计算机视觉等领域应用广泛。为此,主要研究了嵌入式Linux的数字图像采集技术在农业环境中的应用,详细讨论了s3c2440-Linux2.6.30.4平台下的多路图像采集终端设计和实现方法。系统下位机利用NandFlash模拟U盘存储介质,通过用户采集程序和USB图像采集设备采集现场农业环境;上位机采用VC++界面实现图像显示和保存。     

基于LED激发光源的叶绿素荧光强度检测与分析

采用了650nm红色发光二极管(LED)的矩阵(6×8)作为激发光源,构建了一种基于MINI-PAM荧光仪的调制脉冲式在线检测叶绿素荧光系统。利用该系统分别对番茄苗期、花期、果期活体叶片的荧光强度与激发光源(LED)光强关系进行试验研究。通过对可编程电源来调节LED光强(在0～1 700μmol/m2.s之间),以50mA为步进值依次增加,并利用Excel软件对测得的荧光值F进行分析。结果显示:电流值在3 700mA以下,每一时期植株叶片的荧光强度与恒流源输出电流强度具有显著的线性关系,决定系数R2>0.97。以此研究为基础,建立了荧光强度与激发光强度的关系模型,模型可靠性高,能够比较真切地反映出荧光强度与激发光强之间的关系。     

运动仿真系统中嵌入式计算机技术应用

设计了一种嵌入式运动仿真系统,通过该系统采集运动信号,以无线网络传送上位机并控制运动仿真器实现运动在线仿真。阐述了该嵌入式运动仿真系统的结构和特点、运动信号采集方法、嵌入式计算机与上位机通信方法及其应用软件设计方法。实验结果证明,所开发的嵌入式运动仿真系统的设计是可行的,其应用软件运行可靠。     

基于AVR单片机的发动机转速采集系统的开发

自主开发了一套简单方便的发动机转速采集系统,该系统以AVR单片机为核心,应用ATmega32L单片机进行开发,通过转速传感器输出转速信号,由发动机转速采集系统下位机进行捕捉,并保存在单片机内部,待连续采集900个转速数据点后,通过串行通讯接口将采集到的转速数据回传给上位机,并保存在Excel文件内;同时,发动机转速采集系统上位机可对下位机的数据采集时刻进行控制。下位机软件程序采用C语言进行编写,上位机采用Visual Basic 6.0软件进行开发。结果表明:自主开发的发动机转速采集系统能够实时地采集发动机的转速信号,对发动机的台架试验起到良好的辅助测试作用。     

嵌入式运动信号采集系统研究

介绍了一种嵌入式运动数据采集系统,通过采集运动信号,以无线网络传送到上位机并控制运动模拟器实现运动在线模拟。阐述了该嵌入式运动数据采集系统的结构和特点,运动信号采集方法和嵌入式系统与上位机通信方法及其应用软件设计方法。实验结果证明,嵌入式运动数据采集系统的设计是可行的,其应用软件的运行是可靠的。