均匀化育苗研究平台的设计与试验

徐立青，高建敏，崔永杰

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)



均匀化育苗研究平台的设计与试验

徐立青，高建敏，崔永杰

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

标准苗的培育是机械嫁接过程的关键技术之一。为解决日光温室内植物幼苗向光弯曲的问题，且为探究不同LED光质对幼苗外观特征的影响，设计并研制了均匀化育苗研究平台。该研究平台由4个不同光质的培养小室组成，可根据幼苗生长期的不同，调节光源距离幼苗的高度，并利用机器视觉实时检测幼苗外观特征。以“北农亮砧”嫁接砧木为研究对象，在不同光照条件下进行了验证试验。试验结果表明：在不同光照条件下均可培育出长势均匀的幼苗，株高标准差小于7mm，茎粗标准差小于0.3mm，可用于培育外观特征一致的嫁接用幼苗；系统可实现对单株幼苗的外观特征无损检测，操作简单。

育苗；外观特征；无损检测；LED光源；机器视觉

0 引言

随着设施园艺的迅速发展，温室蔬菜栽培面积不断扩大，工厂化育苗越来越受到人们的关注。为解决温室连作带来的病虫害等问题，通常对蔬菜进行嫁接[1]。人工嫁接劳动强度大、效率低，阻碍了工厂化育苗的发展，因此嫁接机械化是实现工厂化育苗的保障。但由于现阶段育苗模式的不同，培养的幼苗存在生长不均匀及幼苗茎秆弯曲等问题，造成嫁接机过度切削或者切削不足，降低了机械嫁接的成功率。因此，只有在提供的嫁接幼苗外观特征达到均匀的条件下，才可保证机械嫁接有较高的成功率及成活率[2]。

光照是影响幼苗生长的最重要因素，对植物的外观特征、光合作用、物质积累均有影响作用[3-5]。传统日光温室太阳光照射不均匀，幼苗会出现向光弯曲的问题，并且受阴雨及雾霾天气的影响，幼苗根茎生长较弱，达不到嫁接的要求。随着LED照明技术的发展，LED光源被应用到工厂化育苗生产中[6-7]。人工光型植物工厂最早是由日本提出的，千叶大学的古在丰树等人成功开发出研究型密闭式植物工厂[8]；魏灵玲等人利用不透光材料搭建了人工光型密闭植物工厂[9]，利用常规方法测量光环境对幼苗生理指标及形态的影响；北京京鹏环球科技股份有限公司等人开发了一种闭锁型育苗系统[10]，系统配备红蓝相间的植物生长荧光灯和LED灯两种方案提供光源，探究不同光源对生菜生长的影响。为了更好地获取植物生长外观特征参数，国内外对机器视觉无损检测进行了研究。崔永杰等人提出了一种基于机器视觉的幼苗外观特征自动检测方法[11]，该方法可实现对幼苗株高、茎粗、子叶展开角及弯曲方向等参数的无损检测；马稚昱等人设计了一套基于图像处理的幼苗生长测量及分析的系统[12]，用于反映幼苗日生长动态；杨思思等提出了一种针对植物工厂内LED人工光偏色检测失效的图像处理方法[13]。综上所述，目前光源对幼苗生长影响的研究多采用常规损坏幼苗的方法测量，对图像无损检测的研究多为图像处理方法的提出，对利用机器视觉自动采集幼苗图像的人工光型植物工厂的研究较少。

本文以南瓜幼苗为研究对象，设计并研制了一种无损检测幼苗外观特征的人工光型均匀幼苗培育研究平台。

1 试验平台的设计

1.1 功能需求

为了培育出株高、茎粗、子叶展开角等外观特征参数均匀的南瓜砧木幼苗，本文设计的幼苗培育平台需满足以下4个功能要求：

1)探讨不同LED光质处理对嫁接幼苗外观特征的影响，且可根据幼苗不同生长阶段所需光照强度调节光源与幼苗之间的距离；

2)需对培育幼苗的外观特征进行无损检测，利用机器视觉对试验平台培育的幼苗进行图像采集，进一步利用图像处理技术获取幼苗外观特征参数；

3)利用数字传感器获取幼苗生长的外界环境参数，并反馈给上位机进行部分环境参数的调节。

为满足上述功能要求，本文结合穴盘育苗方式研制了一种基于机器视觉的实现侧面连续采集幼苗图像的研究平台，如图1所示。该研究平台的生产栽培架由铝型材搭建，外围由黑色不透光的PC板围护，以保证完全隔绝外界自然光的进入。该栽培架尺寸为1 000mm×500mm×900mm，共分为两层栽培空间，适用于穴盘基质无土栽培。该育苗平台由4部分组成，主要包括栽培区、高度可调节LED光源机构、幼苗外观特征无损检测机构、环境信息采集及控制模块。

图1 人工光型育苗箱的总体结构

1.2 高度可调节LED光源机构

1.2.1 光源设置

该育苗平台设计了4个LED光源小区，分别为：L1—白色LED光源小区；L2—单色红光LED光源小区；L3—红蓝光组合(红光：蓝光为8:1)LED光源小区；L4—单色蓝光LED光源小区。每个光源小区的隔层均用黑色不透光PC板进行隔断，以防止其他组光源对该试验组的影响。如图2所示，每个小区内安装一块LED光源板，光源板粘贴4条规格相同的LED灯带，每条灯带间隔距离为70mm。LED光源光照时间由定时器控制，可根据植物的需要设置不同的光照周期。一般来说，光照时间越长，越利于培育外观粗壮的幼苗[5]，但综合考虑能源消耗问题，本文设置明期、暗期各12h。

1.2.2 高度调节机构

由于作物在不同阶段的生长、光合作用和物质积累方面存在差异，导致了作物不同生长阶段所需的光照强度也不尽相同。本文根据作物生长特点设计了光源高度调节机构。图2(b)中，该机构由LED光源板、可调节长度钢丝绳及高度标尺3个部分组成。LED光源板由4条可调节长度的钢丝绳悬挂于育苗箱顶部，通过对钢丝绳长度的缩放，完成光源板高度调节。

(a)LED光源板粘贴示意图 (b)高度调节机构

1.3 幼苗外观特征无损检测机构

1.3.1 硬件设计

根据需要检测的幼苗外观特征参数、穴盘尺寸、摄像机的分辨率、摄像机活动范围等条件，综合考虑提出一种可以实现侧面连续拍摄单株幼苗的图像采集机构，如图3所示。该机构由步进电机、驱动器、丝杠、滑块、直线导轨，以及霍尔传感器Ⅰ、Ⅱ、连杆和相机组成。本研究选用德国映美精产的DFKAFU130-L53彩色相机，待测物体持续移动，仍可以精准的对焦抓取影像。相机通过CA-USB30-AMB-BLS/3连接线与计算机相连，获取分辨率为640×480pixels的图像。相机通过连杆与滑块连接，控制器通过单片机I/O口控制步进电机的旋转，实现滑块带动连杆及相机沿直线导轨水平移动，完成对幼苗图像的采集。

图3 图像自动采集装置

1.3.2 软件设计

外观无损检测流程如图4所示。结合前期基础研究，本系统软件采用C语言开发编程，便于可视化编程和调试。电机行进安全行程与初始位置原点由安装在步进电机直线导轨上的一对霍尔传感器Ⅰ、Ⅱ实现；自初始位置开始，步进电机带动相机沿直线导轨自动实现向右行进50mm的距离，控制软件控制相机对单株幼苗采集一张图像；在采集完第5株幼苗图像后，到达设置终点，步进电机带动相机反向行进250mm回到初始位置待机，等待下一个循环的开始。图像拍摄由软件IC capture2.3对相机进行控制，将直线导轨和工业相机配合后，首先根据步进电机的行进速度及幼苗之间的距离，来确定相机在两株幼苗之间的行进时间；再利用相机控制软件设置相机抓取图像时间间隔及图像储存位置，确保自动采集的图像清晰、完整；最后利用MatLab程序对幼苗图像进行图像处理，获取幼苗外观特征参数[11]。图5(a)、(b)分别为相机控制界面、采集到的单株幼苗图像；图6为MatLab图像处理得到的结果界面，包括幼苗生长状态的判断、株高和茎粗的测量值。

图4 外观无损检测流程

(a)相机控制界面 (b)原始图像

图6 MATLAB处理界面

1.4 环境信息采集及控制系统

该系统采用Arduino pro mini单片机，采用C/C++语言开发编程。育苗箱内的环境信息采集系统主要利用空气温湿度传感器AM2302、土壤湿度传感器YL-69对育苗箱内的空气温度、湿度及土壤湿度进行监测，并通过单片机将采集到的数据每隔10s传递到上位PC机。育苗箱内的控制系统主要控制人工光源光照时间、光源小区内通风机构，以及图像采集机构步进电机的行进、停止及正反向行进。单片机对采集的数据与设定值进行比较，当育苗箱内的温度过高或者湿度过大时，控制器将控制微型风扇打开，通过将育苗箱内的气体与外界空气进行交换，以达到降低温度和湿度的目的。

2 性能测试

为了检验人工光型育苗箱的光照设置、无损检测装置和整体运行效果，在育苗平台内进行了幼苗培育试验。

2.1 试验材料及方法

本试验于2015年6月1日-2015年6月9日在陕西省杨凌区西北农林科技大学南校区连栋日光温室中进行。在4种光谱能量分布的LED光源培养小区L1、L2、L3、L4内进行嫁接砧木南瓜苗的培育。试验以黄瓜专用砧木“北农亮砧”为研究对象，采用基质(蛭石：草炭：腐熟鸡粪=2:1:1)栽培，每组光源小区内栽培幼苗15株，共60株；南瓜种子经催芽后定向播种，培养条件如下：温度为白天25℃、夜间18℃，相对湿度80%，光照周期为明期/暗期=12h/12h。

幼苗图像由图像采集装置从出芽第1天开始进行采集，至幼苗生长至两叶一芯时停止。

根据前期的研究基础，测量的幼苗外观参数包括株高、茎粗及生长状态。测量结果利用SPSS-Statistics19.0进行统计分析，利用函数绘图软件Origin进行数据处理及作图。

2.2 结果及分析

2.2.1 无损检测效果

将催芽后的南瓜种子播种在穴盘内，经过48h后出芽后，开始对幼苗进行图像自动采集，直至幼苗生长到符合嫁接标准结束图像采集。图7为出芽第1天至幼苗符合嫁接期间自动采集的图像及利用MatLab程序[11]处理得到相应的图像处理效果。

以出芽后第3天的60株幼苗为对象，将手工测量的株高、茎粗与无损检测到的株高、茎粗的数值进行比较，计算其绝对误差，来衡量无损检测效果。由表1可知：株高的图像测量值与手工测量值的绝对误差小于4mm，茎粗的图像测量值与手工测量值的绝对误差小于0.6mm。

图7 幼苗原始图及图像处理结果

序号株高/mm手工测量值图像测量值绝对误差茎粗/mm手工测量值图像测量值绝对误差138.035.32.72.72.80.1246.045.30.72.72.70.0345.044.80.22.83.00.2444.042.11.92.42.90.5

续表1

2.2.2 光源设置效果判定

不同的光源环境下，幼苗的生长状态有所不同。首先根据对幼苗生长状态的判定，来确定光源设置是否均匀。幼苗根据生长状态分为直立幼苗、斜直幼苗和弯曲幼苗3种，统计3种幼苗的株数如表2所示。

表2 幼苗生长状态判定

斜直幼苗在嫁接过程中对机械嫁接的成功率影响较小，可以不予考虑；而弯曲幼苗因弯曲度较大，会造成机械嫁接中切割过度或不充分，从而导致机械嫁接的成功率降低。因此，在培育幼苗时坏苗率只考虑弯曲苗。当光源布置不均匀时，幼苗会出现向光弯曲的现象。由表2可以看出：4组幼苗中均未出现弯曲苗，因此该育苗箱光源布置均匀，适合培育用于机械嫁接的幼苗。

2.2.3 整体运行效果

根据前期调研可知：嫁接砧木株高达到70.0～80.0mm左右、茎粗达到2.5～3.0mm左右、真叶有两叶一芯、颜色为深绿色、开角平展在100°～120°之间时，就可认为是符合机械嫁接用的幼苗。如图8所示，4组LED光源处理下的幼苗株高测量值分别为75.6±6.9mm、76.8±5.8mm、68.7±4.5mm、73.1±5.9mm，而茎粗测量值分别为2.8±0.2mm、2.7±0.2mm、2.6±0.3mm、2.8±0.4mm。除红色LED小区内培养的幼苗株高值低于可嫁接株高范围外，其他3个光源小区内培养的幼苗株高和茎粗均达到了可嫁接范围。马稚昱[3]等人提出光质对植物的影响与植物种类有关，因此不同光照条件对南瓜幼苗的影响还需要进一步探讨，以培育出适合机械嫁接的均匀化幼苗。

数据为平均值，误差线的表示使用标准差。

3 结论

1)本文通过前期的试验及方法研究，确定了主要的机构参数，设计并研制了一种培育外观特征均匀的幼苗的研究平台，详细介绍了高度可调节LED光源机构、幼苗外观特征无损检测机构、环境信息采集及控制机构的各个组成部分。

2)在育苗箱内进行了育苗试验，结果表明：4组光源小区内无弯曲苗出现。该研究平台内光源设置合理，苗株长势均匀，株高标准差小于7mm，茎粗标准差小于0.3mm。该研究平台可作为不同LED光源影响试验研究平台，为培育外观均匀的南瓜幼苗提供技术支持。

3)利用图像无损检测幼苗外观生长状态，结合环境条件控制，缩短幼苗培育周期成为下一步的研究目

标。作为前期试验研究，样本数量较少，后期应该增加样本数量，对培育外观特征均匀的南瓜幼苗作进一步深入探究。

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Design and Experiment of Research Platform for Uniform Seedlings

Xu Liqing, Gao Jianmin, Cui Yongjie

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&Forestry University, Yangling 712100, China)

Abstract: Cultivation of standard seedlings is one of the key technologies in the process of mechanical grafting. A uniform seedling research platform was developed to solve the problem of bend seedlings in solar greenhouse, and study the influence of different LED lights to the external features of seedlings. It consists of 4 cultivated rooms with LED device adjusted to apply different growing periods and enables real time detection of seedling appearance characteristics by machine vision. By cultivating rootstock (Beinongliangzhen) under different LED lights in the seedling box, seedlings grew evenly under regular light with plant height standard deviation less than 7 mm and thick stems standard deviation less than 0.3 mm. These results indicate that this seedling box can foster seedling graft stocks with consistent appearance characteristics and the system may realize nondestructive testing of signal seedling’s appearance characteristics. The operation is simple.

seedlings; external features; non-destructive detection; artificial LED light; machine vision

2016-03-24

国家高技术研究发展计划项目(2012AA10A506)

徐立青(1989-)，女，山东冠县人，硕士研究生，(E-mail)xuliqing0426@163.com。

崔永杰(1971-)，男(朝鲜族)，吉林图们人，副教授，博士生导师，(E-mail)cuiyongjie@nwsuaf.edu.cn。

S223.1+3

A

1003-188X(2017)04-0088-05