基于LabVIEW和MATLAB的叶绿素荧光图像采集分析系统研制

摘要

叶绿素荧光技术作为研究植物光合作用的天然探针，具有无损、高效、准确等优点。在设施农业中，通过叶绿素荧光技术能够快速、有效地提取植物生理信息，为植物生长环境和肥水灌溉的控制提供决策支持。
　　为了在温室中能够快速、便捷地获取植物生理生态信息，本文设计了一套基于LabVIEW和MATLAB的叶绿素荧光图像采集分析系统。该系统能够对植物生理信息进行无损分析，具有操作简便、分析迅速、性价比高等优点。
　　本文主要的研究工作如下:
　　(1)根据作物生长现场状况及实际硬件条件，确定了系统总体软硬件架构及技术方案。
　　(2)根据技术方案，本系统主要由PC（上位机）、控制器（下位机）、相机、光源、滑轨平台等设备构成。通过对比分析完成了硬件设备选型及整体硬件系统的搭建，并进行系统测试优化硬件系统。
　　(3)根据系统功能需求选定软件实现方案，进行软件设计。在PC上位机端，通过LabVIEW软件及VISA、VDM、VAS等组件实现了基于虚拟仪器的仪器控制和机器视觉功能。并选定适合本项目的LabVIEW和MATLAB软件混合编程方式，根据应用需求设计了基于MATLAB的图像处理软件。在控制器下位机端，使用Keil uVision5软件进行程序设计，实现了动作机构的控制。
　　(4)为了获得最优系统参数设定方案，本文以相机与被测物的距离、光源输出功率、相机曝光时间三个参数为变量，以温室常见作物辣椒为试验对象进行试验。试验结果表明，在本系统调节范围内，相机与被测物的距离越小，光源输出功率越大，在叶片处的光功率也越高，叶绿素荧光激发效果也就越好。相机曝光时间越长，系统采集的叶片荧光亮度就会越高。但过长的曝光时间会导致图像亮度过高，使获取的数据无法正常表述荧光图像特征。因此通过试验数据分析最终设定的方案为:当相机与被测物的距离为20cm，光源输出最大功率(此时叶片处的光功率为9.9mW)，相机曝光时间为200ms时，获取的荧光图像特征参数为最大有效数据。
　　(5)本文利用叶绿素荧光仪及本文设计的叶绿素荧光图像采集分析系统分别对相同试验对象辣椒叶片进行特征参数采集，并将获取的叶绿素荧光参数与荧光图像特征参数矩阵均值进行显著性和相关性分析。结果表明，叶绿素荧光图像特征参数与qL、 NPQ、FM、 FV/FM显著相关，其中R分量和G分量与qL间相关系数为0.845属于高度相关，G分量与NPQ间相关系数为0.548，B分量与FM间相关系数为0.566，R分量和G分量与FV/FM间相关系数为0.658均属于中度相关。根据试验数据建立相关参数的回归模型。在进行植物生长状态诊断时，即可通过参数间的线性回归方程预测叶绿素荧光参数，从而对植物的生理状态、生长环境胁迫程度等信息进行分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 机器视觉技术及叶绿素荧光技术研究现状

1．2．1 机器视觉技术在植物信息采集方面的研究现状

1．2．2 叶绿素荧光技术研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究内容

第二章 叶绿素荧光图像采集分析系统硬件设计

2．1 系统整体设计方案

2．2 硬件设备选型

2．3 硬件系统搭建

2．4 本章小结

第三章 叶绿素荧光图像采集分析系统软件设计

3．1 PC上位机软件设计方案选择

3．2 LabVIEW开发介绍及具体功能实现

3．2．1 LabVIEW编程环境介绍

3．2．2 基于LabVIEW的仪器控制实现方法

3．2．3 基于LabVIEW的机器视觉实现方法

3．2．4 LabVIEW与MATLAB混合编程设计

3．3 MATLAB简介及图像处理功能实现

3．3．1 MATLAB简介

3．3．2 基于MATLAB的图像处理实现方法

3．4 下位机STM32开发环境介绍及具体功能实现

3．4．1 下位机STM32开发环境介绍

3．4．2 下位机具体功能实现方法

3．5 系统使用简介

3．6 本章小结

第四章 叶绿素荧光图像采集分析系统试验验证

4．1 叶绿素荧光图像采集系统参数设定试验

4．1．1 试验内容

4．1．2 试验结果与分析

4．1．3 试验总结

4．2 叶绿素荧光图像特征参数与叶绿素荧光参数分析试验

4．2．1 试验内容

4．2．2 试验结果与分析

4．2．3 建立模型

4．2．4 试验总结

4．3 本章小结

第五章 总结及展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢