一种基于人工气候箱的多功能植物保护装置及其使用方法与流程

本发明涉及农业测量仪器和植保机械技术领域，具体地说，涉及一种基于人工气候箱的多功能植物保护装置及其使用方法。

背景技术：

人工气候箱是一种能够模拟和创造自然环境的科学仪器，它可以根据试验需要设定相应的光照强度、光照周期、温度、湿度等环境参数，根据靶标植物需要配置光谱植物生长灯，将这些因素进行有机的组合，便可模拟出自然界可能出现的各种气象类型来研究气象因素与靶标植物特性之间的关系，最后得到规律性结果来指导生产与精密仪器的研究开发。现有人工气候箱仅能提供植物生长所需要的环境，不能对培养的靶标植物进行病虫害监测及进行相应的管理措施。

随着务农人员的减少以及人力成本的增加，传统的主要依靠人力的农业模式越来越难以为继，减少人力在种植过程中的工作量，增加农业自动化程度，提高生产效率，已经是当前农业继续发展的迫切需求。现在的温室大棚能够有效地调节农林作物生长的环境参数(温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等)，提高了温室大棚的自动化程度。但温室大棚的智能化、自动化、以及网络化水平较低。传统的农林病虫害监控预测主要是靠人工记数或目测观察的方法获取，速度慢、主观性强、误判率高、实时性差、劳动强度大，而且某些特征难以定量描述，严重制约了信息管理技术的发展。我国植保机械发展落后、传统施药方式和灌溉方式不科学造成农药利用率低、农产品农药残留超标、环境污染、水资源严重浪费等问题。同时传统的通过农林业生产者根据主观经验确定用水量的灌溉方式，造成严重的水资源浪费。

技术实现要素：

1、要解决的问题

针对现有温室大棚技术智能化水平低、环境污染严重、作物养护效率低的问题；本发明提供一种基于人工气候箱的多功能植物保护装置及其使用方法，通过对监控系统的二次开发，实现了基于图像处理技术的在线实时监测，针对在人工气候箱中规模化培养的靶标植物的生长状况和病虫害发生情况，利用图像处理技术可对靶标植物进行无损、快速、实时监测，不仅可以检测靶标植物的叶片面积、叶片周长、茎秆直径、叶柄夹角等形态结构参数，获取不同生长阶段靶标植物形态结构特征，促进研制适宜其各生长阶段施药的智能植保机械；还可以根据叶片空洞及叶片边缘的残缺，来测定靶标植物虫害的受害程度，以及通过叶片的颜色(枯黄、失绿等)、形状(枯萎、卷曲等)和叶片纹理的变化来监测靶标植物病害的发生情况，为建立靶标植物病虫害诊断的专家系统提供理论数据，利用土壤湿度传感器监测培养土水分信息，分析靶标植物在不同生长阶段的需水量，为实际种植生产灌溉提供理论依据，并通过精准喷雾系统实现定点定量精确喷施农药和适时适量的科学灌溉供水，提高农药和灌溉用水的利用效率，减小农药在靶标植物上的过量残留，并显著地节约灌溉用水量。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种基于人工气候箱的多功能植物保护装置，包括人工气候箱，还包括机器视觉系统、土壤湿度传感系统、喷雾系统和滚珠直线导轨组件；

所述的人工气候箱包括样品实验室和托板支撑架，所述的托板支撑架安装固定于所述的样品实验室侧壁上；所述的托板支撑架设置有种植靶标植物的花盆；

所述的机器视觉系统包括摄像机和监控计算机；所述的摄像机设置在所述的样品实验室的内壁顶部及侧部；所述的摄像机通过无线wifi与所述的监控计算机连接；

所述的土壤湿度传感系统包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块；所述的传感器模块设置于所述的花盆的土壤中；所述的处理器模块一端与所述的传感器模块连接，单向接收来自传感器模块的信息，另一端与所述的无线通信模块双向连接；所述的无线通信模块通过无线wifi与所述的监控计算机连接；所述的能量供应模块分别与所述的传感器模块、处理器模块以及无线通信模块连接，为三者提供能量；

所述的喷雾系统包括喷头；所述的喷头设置在所述的滚珠直线导轨组件上；

所述的滚珠直线导轨组件固定在所述的样品实验室内、所述的托板支撑架的上方。

优选地，所述的喷雾系统还包括喷雾台架、水管、软管、集水槽、供液箱和泵；

所述的喷雾台架固定在所述的人工气候箱底部；所述的供液箱固定在所述的喷雾台架上；所述的集水槽上设置有滤网，集水槽固定在所述的托板支撑架的下方、所述的喷雾台架的上方；所述的集水槽底部通过所述的软管与所述的供液箱连接；所述的泵设置在所述的喷雾台架上、所述的供液箱一侧，与所述的供液箱相连；所述的喷头通过所述的水管与所述的泵连接；

所述的供液箱包括水箱和药箱；所述的泵通过两根管道分别与水箱和药箱相连；两根所述的管道汇合处设置有换向阀；

所述的水管上还设置有压力变送器、压力表、电动调节阀以及传感器；所述的电动调节阀、换向阀和传感器均通过plc与监控计算机连接。

优选地，所述的滚珠直线导轨组件包括横向导轨和纵向导轨；所述的纵向导轨包括平行的两根；两根所述的纵向导轨上均设置有纵向滑块；所述的横向导轨两端分别固定在所述的纵向滑块上；所述的横向导轨上设置有横向滑块；所述的喷头固定在所述的横向滑块上。

优选地，所述的监控计算机与设定的邮箱网络连接，所述的设定的邮箱与手机app连接，当所述的设定的邮箱收到来自所述的监控计算机发来的报警图片和信息时，能推送至手机app。

优选地，所述的横向滑块上固定设置有喷头底座；所述的喷头固定在所述的喷头底座上。

优选地，所述的横向滑块和所述的纵向滑块均通过电机驱动。

优选地，所述的滚珠直线导轨组件还包括运动控制卡，所述的运动控制卡与驱动所述的横向滑块和所述的纵向滑块的电机连接，并通过wifi控制接口、路由器与监控计算机连接。

优选地，所述的横向导轨和纵向导轨上均设置有螺栓盖；所述的横向滑块和纵向滑块两端均设置有端盖，端盖上设有刮油片和油嘴。

优选地，所述的横向导轨和纵向导轨上均设置有滑槽，所述的滑槽内设置有钢珠，所述的横向滑块和所述的纵向滑块的两侧套在所述的钢珠上；所述的钢珠上下侧设置有钢珠保持器。

上述一种基于人工气候箱的多功能植物保护装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1，将靶标植物置于托板支撑架上的花盆中，设定靶标植物生长所需的温度、湿度、光照强度、光照周期等生长环境参数；

步骤2，通过摄像机实时监测靶标植物的长势，并将获取的图像信息发送至监控计算机；通过传感器模块实时监测所述的花盆中不同培养土深度的水分信息，将该信息发送至监控计算机；

步骤3，步骤2中所述的监控计算机对接收的图像信息通过图像处理技术提取靶标植物的形态结构参数及病虫害发生信息、对接收的不同培养土深度的水分信息进行分析；

步骤4，上述步骤3中监控计算机所接收信息若表明靶标植物发生了病虫害，监控计算机将病虫害发生信息反馈至plc和运动控制卡，所述的运动控制卡触发电机驱动横向滑块和纵向滑块，所述的纵向滑块带动横向导轨纵向移动，所述的横向滑块带动喷头移送至靶标植物发生病虫害区域上方，所述的plc控制换向阀打开与药箱连接的管道、控制电动调节阀开启水管、控制泵启动，实现喷雾系统对病虫害区域进行定点定量喷施农药，所述的传感器用于反馈农药流量，促使plc对喷施量进行实时调节；

步骤5，通过集水槽收集步骤4中滴落的药液，并将收集的药液过滤后通过软管导入到供液箱中，对药液进行重复利用，实现绿色节约型试验；

步骤6，上述步骤3中监控计算机所接收信息若表明培养土水分含量低于靶标植物生长所需要的含水量，监控计算机将上述信息反馈至plc和运动控制卡，所述的运动控制卡触发电机驱动横向滑块和纵向滑块，所述的纵向滑块带动横向导轨纵向移动，所述的横向滑块带动喷头移送至干枯缺水区域上方，所述的plc控制控制换向阀打开与水箱连接的管道、控制电动调节阀开启水管、控制泵启动，实现喷雾系统对干枯缺水区域进行喷雾灌溉。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明在现有人工气候箱的基础上，集成机器视觉系统和精准喷雾控制装置，实现全程定期跟踪测量靶标植物各器官的全生命生长周期，利用机器识别技术可对靶标植物进行无损、快速、实时监测，获取靶标植物形态结构特征，可促进研制适宜其各生长阶段施药的智能植保机械；对靶标植物生长过程中的病虫害发生情况进行监测并进行相应的管理；并在培养土中布控土壤湿度传感器，对培养土中的水分信息进行长期连续测量，分析靶标植物不同生长发育阶段的需水规律和不同生长阶段的灌溉水量；

(2)由于人工气候箱是一个密闭的环境，不易发生病虫害，因而可以在靶标植物生长过程中，有针对性地对其进行有关病虫害的侵染，提取有关病虫害发生时靶标植物的叶片空洞及叶片边缘的残缺，相关器官的颜色(枯黄、失绿等)、形状(枯萎、卷曲等)和叶片纹理图像等数据，为构建靶标植物病虫害专家诊断系统提供理论数据，更好地为农业生产实践服务；本发明在现有人工气候箱的基础上集成机器视觉系统和精准喷雾系统，主要完成靶标植物长势和病虫害的实时在线监测以及靶标植物病虫害的精准施药，可为在密闭空间实现农林植物生长环境的调节、生长过程中病虫害发生情况的实时在线监测以及进行相应的精准病虫害防治提供理论依据，并逐步将该技术推广应用于现有的温室大棚，使温室大棚不仅具有调节农林植物生长环境的功能，还能够监测农林植物的病虫害发生情况，并进行病虫害的精准防治，构建智能化、自动化的温室大棚，推动我国温室大棚技术的发展；

(3)本发明装置中螺栓盖、刮油片均属于滚珠直线导轨防尘系统部分；端盖可以避免粉尘或异物积聚在导轨上，从而可以防止由于异物出现金属磨损；油嘴属于滚珠直线导轨润滑系统部分，油嘴上安装有连接供油装置的油管接头；

(4)本发明装置中压力变送器、压力表均通过三通接头连接于水管上；换向阀通过自身的螺纹孔和管道进行连接；电动调节阀通过接收plc的信号来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数，实现自动化调节功能；

(5)本发明传感器模块负责培养土水分信息的采集和转换数据，在采集培养土水分信息时，将传感器模块放置在培养土中，根据放置位置的不同，即可采集不同位置处的水分信息如将传感器放置在培养土不同深度，可采集不同深度处的水分信息；

(6)本发明的方法中利用集水槽收集滴落的药液，并将收集的药液过滤后通过软管导入到供液箱中，对药液进行重复利用，实现绿色节约型试验；

(7)农林植物病虫害机器识别是信息农林业的重要组成部分，利用机器识别技术可对植物进行无损、快速、实时监测，不仅可以检测植物的叶片面积、叶片周长、茎秆直径、叶柄夹角等外部生长参数，还可以根据叶片空洞及叶片边缘的残缺，来测定植物虫害的受害程度，以及通过叶片的颜色(枯黄、失绿等)、形状(枯萎、卷曲等)和叶片纹理的变化来监测靶标植物病害的发生情况；本发明对已有的人工气候箱进行改进，将机器视觉系统和精准喷雾控制装置以及精准灌溉系统集成于人工气候箱，通过设定运行参数即可进行试验，同时用图像处理技术对靶标植物进行在线实时监测分析，如果靶标植物发生病虫害，则可快速作出响应，对发生病虫害的靶标植物进行施药管理，同时根据土壤湿度传感器对每一培养器皿中培养土的水分含量进行长期连续定时监测，获取数据信息来指导作业者进行适时适量的科学灌溉。

附图说明

图1为本发明的基于人工气候箱的多功能植物保护装置整体结构示意图；

图2为土壤湿度传感系统连接图；

图3为本发明装置中喷雾系统的结构图；

图4为本发明装置中喷雾系统的喷雾台架结构图；

图5为图4的俯视图；

图6为本发明装置中滚珠直线导轨组件的结构图；

图7为本发明装置中喷雾系统的集水槽的俯视结构图。

图中：1、人工气候箱；101、样品实验室；102、托板支撑架；

201、摄像机；202、监控计算机；

301、传感器模块；302、处理器模块；303、无线通信模块；304、能量供应模块；

4、喷雾系统；401、喷头；402、喷雾台架；403、水管；404、软管；405、集水槽；406、供液箱；407、泵；408、压力变送器；409、压力表；410、电动调节阀；411、传感器；

5、滚珠直线导轨组件；501、横向导轨；502、纵向导轨；503、纵向滑块；504、横向滑块；505、螺栓盖；506、刮油片；507、端盖；508、油嘴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种基于人工气候箱的多功能植物保护装置，包括人工气候箱1、机器视觉系统、土壤湿度传感系统、喷雾系统4和滚珠直线导轨组件5；

所述的人工气候箱1包括样品实验室101和托板支撑架102，所述的托板支撑架102安装固定于所述的样品实验室101侧壁上；所述的托板支撑架102设置有种植靶标植物的花盆；

所述的机器视觉系统包括摄像机201、摄像机支架和监控计算机202；所述的摄像机支架通过螺栓固定在所述的样品实验室101的内壁顶部及侧部；所述的摄像机201设置在所述的摄像机支架上；所述的摄像机201通过无线wifi与所述的监控计算机202连接；

本实施例中所述的监控计算机202与设定的邮箱网络连接，所述的设定的邮箱与手机app连接，当所述的设定的邮箱收到来自所述的监控计算机202发来的报警图片和信息时，能推送至手机app；

本实施例中机器视觉系统用于在线实时监控植物长势及病虫害发生情况，可对靶标植物进行手机远程监控，实时观察靶标植物生长状况，同时通过机器视觉系统实现基于图像处理技术的植物形态结构特征参数提取和基于图像处理技术的植物病虫害识别，并将实时获取的靶标植物生长参数和病虫害发生情况反馈到客户端，实现试验人员实时了解靶标植物具体情况；当摄像机监测到发生病虫害的靶标植物时系统自动拍照上传至设定的邮箱，邮箱及时收到报警图片和信息，实时将报警消息推送至手机app提醒用户；

如图2所示，所述的土壤湿度传感系统包括传感器模块301、处理器模块302、无线通信模块303和能量供应模块304；所述的传感器模块301设置于所述的花盆的土壤中；所述的处理器模块302一端与所述的传感器模块301连接，单向接收来自传感器模块301的信息，另一端与所述的无线通信模块303双向连接；所述的无线通信模块303通过无线wifi与所述的监控计算机202连接；所述的能量供应模块304分别与所述的传感器模块301、处理器模块302以及无线通信模块303连接，为三者提供能量；

本实施例中传感器模块负责监测区域内信息的采集和转换数据，控制整个传感系统节点的操作，存储本身采集的数据以及其它节点传输的数据；所述无线通信模块主要完成与其它系统节点的无线通信任务；所述能量供应模块负责系统节点运行时供应能量；所述传感器模块对每一培养器皿中的培养土的水分含量进行长期连续定时监测，并将这些数据信息通过无线通信模块传递给用户的手机客户端，由其做出灌溉决策；

上述数据信息通过无线通信模块传递给用户的手机客户端的具体流程是：所述的监控计算机与设定的邮箱网络连接，所述的设定的邮箱与手机app连接，当所述的设定的邮箱收到来自所述的监控计算机发来的报警图片和信息时，能推送至手机app；

如图3所示，所述的喷雾系统4包括喷头401、喷雾台架402、水管403、软管404、集水槽405、供液箱406和泵407；

所述的喷雾台架402固定在所述的人工气候箱1底部；所述的供液箱406固定在所述的喷雾台架402上；所述的集水槽405上设置有滤网，集水槽405固定在所述的托板支撑架102的下方、所述的喷雾台架402的上方，集水槽405的俯视结构如图7所示；所述的集水槽405底部通过所述的软管404与所述的供液箱406连接；所述的泵407设置在所述的喷雾台架402上、所述的供液箱406一侧，与所述的供液箱406相连；所述的喷头401通过所述的水管403与所述的泵407连接；

所述的供液箱406包括水箱和药箱；所述的泵407通过两根管道分别与水箱和药箱相连；两根所述的管道汇合处设置有换向阀；

如图4和图5所示，所述的水管403上还设置有压力变送器408、压力表409、电动调节阀410以及传感器411；所述的电动调节阀410、换向阀和传感器411均通过plc与监控计算机202连接；

如图6所示，所述的滚珠直线导轨组件5包括横向导轨501和纵向导轨502；所述的纵向导轨502包括平行的两根；两根所述的纵向导轨502上均设置有纵向滑块503；所述的横向导轨501两端分别固定在所述的纵向滑块503上；所述的横向导轨501上设置有横向滑块504；所述的横向滑块504和所述的纵向滑块503均通过电机驱动；在电机的驱动下实现横向滑块504和纵向滑块503分别沿横向导轨501和纵向导轨502方向移动，带动喷头沿横向导轨501和纵向导轨502方向移动，进而实现喷头的平面移动；

两根所述的纵向导轨502固定在所述的样品实验室101内、所述的托板支撑架102的上方；

如图3所示，所述的横向滑块504上固定设置有喷头底座；所述的喷头401固定在所述的喷头底座上；

所述的滚珠直线导轨组件5还包括运动控制卡，所述的运动控制卡与驱动所述的横向滑块504和所述的纵向滑块503的电机连接，并通过wifi控制接口、路由器与监控计算机202连接；

本实施例中喷雾系统通过plc获取监控计算机反馈的信息，即接收来自机器视觉系统反馈的靶标植物病虫害信息及位置信息，监控计算机对接收到的靶标植物病虫害进行分析，判断是否需要喷施农药以及需要施药靶标植物的坐标位置参数等信息，通过运动控制卡控制滚珠直线导轨进行平面移动，带动喷头移动到需要施药靶标植物的上方，同时根据病虫害的发生情况确定施药量，利用plc控制系统对相关各阀门发出开/关指令，控制精准喷雾系统工作以实现对发生病虫害的靶标植物进行定点定量喷施农药，减少了农药使用量和在靶标植物上的残留量；所述集水槽通过螺栓安装固定于人工气候箱的样品试验室侧壁，用于收集喷雾过程中滴落的药液以及飞溅到人工气候箱室内侧壁上滑落的药液，集水槽底部开一出口，通过软管和供液箱连通，将收集的药液引流到药箱中循环重复利用，节约农药，实现绿色环保节约型试验；

上述运动控制卡是一种基于pc机及工业pc机、用于各种运动控制场合包括位移、速度、加速度等的上位控制单元，通过改变脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置；运动控制卡接收监控系统反馈的病虫害情况、干枯缺水情况和位置信息，控制滑块在横向和纵向移动的距离，快速移动到发生病虫害、干枯缺水植物的上方，对发生病虫害/干枯缺水的靶标植物进行定点定量喷施农药/供水；

本实施例中，如图6所示，所述的横向导轨501和纵向滑块502上均设置有螺栓盖505；所述的横向滑块504和纵向滑块503两端均设置有端盖507，端盖507上设有刮油片506和油嘴508；螺栓盖、刮油片均属于滚珠直线导轨防尘系统部分；端盖可以避免粉尘或异物积聚在导轨上，从而可以防止由于异物出现金属磨损；油嘴属于滚珠直线导轨润滑系统部分，油嘴上安装有连接供油装置的油管接头；

所述的横向导轨501和纵向导轨502上均设置有滑槽，所述的滑槽内设置有钢珠，所述的横向滑块504和所述的纵向滑块503的两侧套在所述的钢珠上；所述的钢珠上下侧设置有钢珠保持器，能使滚珠直线导轨组件5运行更加稳定。

一种上述基于人工气候箱的多功能植物保护装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1，将靶标植物置于托板支撑架102上的花盆中，设定靶标植物生长所需的温度、湿度、光照强度、光照周期等生长环境参数；

步骤2，通过摄像机201实时监测靶标植物的长势，并将获取的图像信息发送至监控计算机202；通过传感器模块301实时监测所述的花盆中不同培养土深度的水分信息，将该信息发送至监控计算机202；

步骤3，步骤2中所述的监控计算机202对接收的图像信息通过图像处理技术提取靶标植物的形态结构参数及病虫害发生信息、对接收的不同培养土深度的水分信息进行分析；

步骤4，上述步骤3中监控计算机202所接收信息若表明靶标植物发生了病虫害，监控计算机202将病虫害发生信息反馈至plc和运动控制卡，所述的运动控制卡触发电机驱动横向滑块504和纵向滑块503，所述的纵向滑块503带动横向导轨501纵向移动，所述的横向滑块504带动喷头401移送至靶标植物发生病虫害区域上方，所述的plc控制换向阀打开与药箱连接的管道、控制电动调节阀410开启水管403、控制泵407启动，实现喷雾系统4对病虫害区域进行定点定量喷施农药，所述的传感器411用于反馈农药流量，促使plc对喷施量进行实时调节；

步骤5，通过集水槽405收集步骤4中滴落的药液，并将收集的药液通过软管404导入到供液箱406中；

步骤6，上述步骤3中监控计算机202所接收信息若表明培养土水分含量低于靶标植物生长所需要的含水量，监控计算机202将上述信息反馈至plc和运动控制卡，所述的运动控制卡触发电机驱动横向滑块504和纵向滑块503，所述的纵向滑块503带动横向导轨501纵向移动，所述的横向滑块504带动喷头401移送至干枯缺水区域上方，所述的plc控制换向阀打开与水箱连接的管道、控制电动调节阀410开启水管403、控制泵407启动，实现喷雾系统4对干枯缺水区域进行喷雾灌溉。