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監(jiān)測(cè)植物的壓力2.0開源分享

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資料介紹

描述

有關(guān)該項(xiàng)目的背景以及更多技術(shù)概念的介紹性文本，

新設(shè)備，新目標(biāo)

這個(gè)會(huì)議室將從上一次迭代的錯(cuò)誤和成功中吸取教訓(xùn)，并瞄準(zhǔn)新的目標(biāo)：

葉綠素?zé)晒獬上?/font>

NDVI 成像

熱成像

加強(qiáng)溫度控制

東航2.0

新功能需要改變外殼的設(shè)計(jì)。

二室CAD模型

在 LED 板冷卻和攝像頭的生長(zhǎng)區(qū)域上方分配了更多空間。后面增加了一個(gè)新部分，專門用于電氣設(shè)備和接線。為了控制設(shè)備，在前面添加了一個(gè)觸摸屏。門上還增加了一個(gè)限位開關(guān)（機(jī)械觸摸傳感器），以便在門開得太遠(yuǎn)之前關(guān)閉任何危險(xiǎn)的燈。

植物床現(xiàn)在也靠在四個(gè)垂直螺栓上，可以微調(diào)高度（盡管范圍更小）。

這次使用了 Arduino Leonardo，因?yàn)樗懈嗟妮斎?輸出引腳來(lái)控制附加電路。

葉綠素?zé)晒獬上?/font>

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(gè)選項(xiàng)稱為熒光。通過(guò)用強(qiáng)光照射植物并用光度計(jì)或照相機(jī)記錄熒光，可以非侵入性地測(cè)量葉綠素的存在。當(dāng)用可見光照射時(shí)，植物通常會(huì)發(fā)出從紅色到近紅外波長(zhǎng)（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?yàn)橹参锉仨毷紫任展饽堋?/font>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(zhǎng)盡可能。困難在于確保熒光燈不會(huì)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(xiǎn)）。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(zhǎng)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(wú)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(xiàng)目中最困難的部分，因?yàn)楹苌儆泄?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(gòu)買樣品，并在腔室本身使用讀取 umol/m^2/s 的光傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，然后再購(gòu)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(shí)會(huì)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(jì)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。

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(jì)葉片大小。大多數(shù)相機(jī)已經(jīng)可以檢測(cè)到 NIR，但解釋是紅色，因此為了阻止圖片看起來(lái)過(guò)于紅色，制造商安裝了 NIR 濾光片來(lái)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(guò)濾器，以便它可以檢測(cè) 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(wèn)題。Purethermal 2 板通過(guò) USB 電纜連接，因此在計(jì)算機(jī)上顯示為普通網(wǎng)絡(luò)攝像頭。

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

加強(qiáng)溫度控制

為了擴(kuò)展最后一個(gè)室的微弱溫度控制，這將在床本身中進(jìn)行主動(dòng)冷卻/加熱。這將通過(guò)使用兩個(gè) Peltier 熱泵加熱一個(gè)大鋁板來(lái)完成（有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱以前的黑客），并使用溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)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(jì)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(gè) LED（60 個(gè)藍(lán)色、2 個(gè)紅色、2 個(gè)紅外、2 個(gè)白色），并使用 4 個(gè)珀?duì)柼K對(duì)其進(jìn)行冷卻。它還通過(guò)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(gòu)買了焊接安全眼鏡，供用戶在打開腔室時(shí)佩戴，以減少危險(xiǎn)光照射的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)備背面，顯示了四個(gè)冷卻 LED 的珀?duì)柼崞黠L(fēng)扇結(jié)構(gòu)。

為了給所有東西供電，有一個(gè)用于 LED 的 48V 大電源、一個(gè)用于風(fēng)扇的 12V 電源和一個(gè)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(lái)的設(shè)計(jì)中，更多的空間和時(shí)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(gòu)和驅(qū)動(dòng)足夠的高功率 LED，但該腔室能夠產(chǎn)生超過(guò) 2000 umol/m^2/s（光傳感器的上限），并且估計(jì)全時(shí)產(chǎn)生 3000-4000umol/m^2/s力量。

最終的 LED 陣列，攝像頭安裝在中心。

這些 LED 中的每一個(gè)都由預(yù)制 LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槭止どa(chǎn) 15 多個(gè)定制 LED 驅(qū)動(dòng)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(shí)別和完成對(duì)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。

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(méi)有對(duì)該設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，但一些初步測(cè)試似乎很有希望。NoIR 相機(jī)當(dāng)然能夠以合適的分辨率對(duì)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(cè)試和圖像分析來(lái)驗(yàn)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?yàn)闃漭蓻](méi)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(cè)試。LMT86LP 芯片用作可靠且簡(jiǎn)單的溫度傳感器，5 個(gè)安裝在不同位置的床上。