一种用于食用菌生长期三维表型参数获取的自动化种植箱

摘要

一种用于食用菌生长期三维表型参数获取的自动化种植箱，包括箱体、温湿度控制模块、传感器模块、食用菌种植台，还包括主控模块、无线通信模块、食用菌三维形态获取模块；箱体内部安装有传感器模块、食用菌三维形态获取模块、食用菌种植台、温湿度控制模块，箱体外部安装有主控模块、无线通信模块；食用菌三维形态获取模块包含电动环状导轨组件、电动直线导轨组件、电动云台模块和摄像头模块；使用时，箱体内部各模块按照既定的程序，定时、定角度采集食用菌种植台上所种植的食用菌的外形数据、计算表型参数并存储记录。本发明减少人力看管和干预，极大提高了对食用菌表型参数的采集效率和准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及食用菌表型获取与分析的自动化设备技术领域，更具体地说，一种用于食用菌生长期三维表型参数获取的自动化种植箱。

背景技术

食用菌是人们日常生活中青睐的美食，它除了味道鲜美之外对人体的健康也十分有益。食用菌的品质和产量与其生长环境密切相关，为了明确食用菌生长受环境的影响程度，长期以来食用菌种植者们依靠手工方式获取食用菌的各种表型参数，如菌柄长度采用直尺测定，菌柄粗细、菌盖厚度采用游标卡尺测定，菌盖面积采用离体摘取后的方格计数法计算，菌盖颜色采用标准比色卡进行估计，菌盖背面菌褶长度、间隔采用人工计数等，而对应环境参数，如温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等同样通过人工读取，最后再把上述所有采集到的数据手工输入到计算机中存储后与当时测量的表型参数对应。显然，这种传统的手工测量和记录食用菌表型参数及对应环境参数的方法存在着规模小、效率低、精度差、误差大、连续性不高等诸多缺点。

为了克服目前食用菌表型参数获取过程中存在的上述问题，发明创造名称为一种光学成像辅助食用菌育种自动化筛选优化装置的中国专利文件(申请号2020110898632)设计了一种包含有主导轨、副导轨以及各种相机的食用菌菌体表型自动化监测筛选设备，通过该装置可以实现定时对载物台上的食用菌进行拍照，获取其表型信息并传输到上位机中。但在食用菌子实体生长阶段，菌盖容易相互遮挡，上述方式只能实现固定角度的拍摄，无法获取被遮挡部分的信息，也没有办法获取菌柄不同位置的直径及菌盖的角度。因此，该方案所获取的仅仅是食用菌生长阶段的部分图像，且没有与当时的环境信息对应，不能获取食用菌的三维表型参数。

发明内容

为了能够实现在可控的环境下对食用菌的生长情况进行自动化的监测与跟踪，本发明提供了一种用于食用菌生长期三维表型参数获取的自动化种植箱，包括箱体、温湿度控制模块、传感器模块、食用菌种植台、主控模块、无线通信模块、食用菌三维形态获取模块；箱体内部安装有传感器模块、食用菌三维形态获取模块、食用菌种植台、温湿度控制模块，箱体外部安装有主控模块、无线通信模块；食用菌三维形态获取模块包含电动环状导轨组件、电动直线导轨组件、电动云台模块和摄像头模块。

进一步地，所述箱体包含顶板和底板，在所述顶板和所述底板之间分别设置有左侧板、右侧板、前面板和后板，所述食用菌三维形态获取模块和无线通信模块固定于顶板，食用菌种植台固定于电动环状导轨组件中的环状导轨在底板投影的中心位置。

进一步地，所述摄像头模块固定在电动云台模块上，依靠电动云台模块实现摄像头模块拍摄角度的改变；所述电动云台模块与电动直线导轨组件滑动配合，实现电动云台模块直线移动；电动直线导轨组件的与电动环状导轨组件滑动配合，实现电动直线导轨组件环状移动。

进一步地，主控模块通过控制食用菌三维形态获取模块中的电动云台模块、电动直线导轨组件、电动环状导轨组件改变摄像头模块的位置和角度，对食用菌种植台上的食用菌进行各个角度、各个方向的拍摄，获取图像信息。

进一步地，所述无线通信模块包括WiFi通信模块、NBIOT模块、LoRa模块或GPRS模块中的一种或多种，主控模块通过无线通信模块与上位机程序进行数据交换。

进一步地，所述传感器模块包含温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器和光照强度传感器，主控模块通过传感器模块获取当前种植箱内的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度。

进一步地，所述温湿度控制模块包含风扇、发热器和加湿器，主控模块通过温湿度控制模块改变当前种植箱内的温度、湿度、二氧化碳浓度。

进一步地，按照以下步骤实现对食用菌整个生长周期内不同时期的三维形态的获取：

步骤1：将食用菌种植在食用菌种植台上，用户在上位机设定好温湿度、二氧化碳浓度、拍照时间点、环状导轨拍照间隔、直线导轨拍照间隔、云台拍照间隔参数后，上位机通过无线通信模块将数据传送给主控模块，主控模块控制电动环状导轨组件、电动直线导轨组件、电动云台模块到达初始位置，主控模块控制种植箱开始工作；

步骤2：当到达设定的拍照时间点后，主控模块控制电动环状导轨组件工作，使电动直线导轨组件沿环状导轨围绕食用菌种植台走行一周；

步骤3：在步骤2中电动直线导轨组件沿环状导轨走行过程中，当每次到达所设定的环状导轨拍照间隔时，主控模块控制电动直线导轨组件工作，使得电动云台模块沿直线导轨滑动直至达到电动直线导轨组件最大行程后返回初始位置；

步骤4：在步骤3中电动云台模块沿直线导轨滑动过程中，当每次到达所设定的直线导轨拍照间隔时，主控模块控制电动云台模块工作使得摄像头模块改变拍摄角度直至电动云台模块工作至最大行程后返回初始位置；

步骤5：在步骤4中电动云台模块工作过程中，当每次到达所设定的云台拍照间隔时，主控模块控制摄像头模块拍摄一张食用菌种植台上的食用菌图片，按照顺序命名；

步骤6：重复上述步骤2~步骤5，得到食用菌整个生长周期过程中不同时间点的多张食用菌图片，并存储；

步骤7：取出同一拍照时间点的所有图片，对每张图片去除噪声，利用边界提取算法从中分割出食用菌的图区后提取出特征点并计算特征点对应的描述子；

步骤8：利用步骤7中所得的食用菌的图区及特征点，根据特征点对应的描述子进行图区匹配，得到食用菌种植台上的食用菌不同区域像素点在同一三维坐标系下的坐标值，形成食用菌点云模型；

步骤9：利用步骤8得到的食用菌点云模型计算食用菌三维表型参数，包括：菌盖的厚度、菌柄的长度、食用菌的高度、菌柄的直径、菌盖的直径、菌盖的角度；

步骤10：重复步骤7~步骤9，得到不同拍照时间点的食用菌三维表型参数。

本发明的用于食用菌生长期三维表型参数获取的自动化种植箱，由于设置了无线通信模块、传感器模块、温湿度控制模块和食用菌三维形态获取模块，与现有装置相比有益效果为：

一、对食用菌种植台上的食用菌从各个方向、各个角度进行拍摄，结合主控模块实现了对同一食用菌拍摄的多张照片进行特征提取形成完整的点云数据后进行表型参数测量，有效避免了现有装置由于遮挡无法拍摄到食用菌完整形态，从而无法准确测量所有表型参数的缺陷；

二、对食用菌种植台上的食用菌拍摄间隔时间可以由用户自行设定；

三、种植箱内的环境可以根据用户需要进行设置，主控模块通过传感器模块自动获取当前种植箱内的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度，并根据用户设置值调节温湿度控制模块使当前种植箱内的温度、湿度、二氧化碳浓度与用户设置值保持一致；

四、在获取食用菌表型参数的同时记录环境参数，使得表型参数与环境参数一一对应。

附图说明

图1是食用菌种植箱的外部结构示意图。

图2是食用菌种植箱的内部结构示意图。

图3是温湿度控制模块内部结构示意图。

图4是传感器模块的内部结构示意图。

图5是食用菌三维形态获取模块的内部结构示意图。

图中：1–主控模块；2–无线通信模块；3–后板；4–右侧板；5–前面板；6–左侧板； 7–箱体； 8-顶板； 9–传感器模块； 10–食用菌三维形态获取模块； 11–食用菌种植台；12-底板；15–温湿度控制模块；16–发热器；17–风扇；18–加湿器；19-光照强度传感器；20–温度传感器；21–湿度传感器；22–二氧化碳传感器；31–电动环状导轨组件；32–电动直线导轨组件；33–电动云台模块；34-摄像头模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明创造，但并不构成对本发明创造的限定。此外，下面所描述的本发明创造的各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在食用菌研究过程中，建立食用菌表现型、基因型及环境参数之间的关系非常重要，为了验证不同环境参数对食用菌表现型的影响程度，通常将食用菌种植在环境可调的培养箱中，每天定时用手工方式记录下培养箱中的温湿度、二氧化碳等数据的同时测量食用菌的表型参数，这种方法采集数据工作量大、误差高。采用本发明创造能够实现全自动的对食用菌生长过程中的环境数据、表型数据进行准确实时的采集，具体实施方式如下：

注：以下以黑皮鸡枞生长期三维表型参数获取为例进行说明。

将食用菌种植在食用菌种植台（11）上，给系统供电，用户在上位机设定好系统工作所需参数（温度25度，湿度85%、二氧化碳浓度500ppm、拍照时间点60分钟、环状导轨拍照间隔角度36°、直线导轨拍照间隔10mm、云台拍照间隔角度18°）后，上位机通过无线通信模块（2）将数据发送给主控模块（1）。在整个食用菌生长期间，主控模块（1）根据用户设定自动调节种植箱内环境：周期性采集传感器模块（9）内光照强度传感器（19）、温度传感器（20）、湿度传感器（21）、二氧化碳传感器（22）的信号，当检测到箱体（7）内温度低于当前食用菌所处的生长阶段所需要的温度时自动打开发热器（16）来提高箱体（7）内温度；当箱体（7）内温度高于所设置的温度时自动打开风扇（17）并关闭发热器（16）来降低箱体（7）内温度；当箱体（7）内湿度低于所设置的湿度时开启加湿器（18）；当箱体（7）内湿度高于所设置的湿度时打开风扇（17）并关闭加湿器（18）来降低湿度；当箱体（7）内二氧化碳浓度高于所设置的二氧化碳浓度时打开风扇（17）来给箱体（7）通风。

根据用户设定的拍照时间点，主控模块（1）控制电动环状导轨组件（31）、电动直线导轨组件（32）、电动云台模块（33）、摄像头模块（34）工作，按照下面步骤通过拍摄多张不同角度的照片完成对食用菌种植台（11）上的食用菌的一次360度全方位拍摄并计算表型参数：

S0：系统初始化，电动环状导轨组件（31）、电动直线导轨组件（32）、电动云台模块（33）到达初始位置；

S1：主控模块（1）控制电动环状导轨组件（31）工作，使得电动直线导轨组件（32）沿环状导轨移动，当到达与前一个位置相差36°的角度后，停止移动；

S2：主控模块（1）控制电动直线导轨组件（32）工作，使得电动云台模块（33）沿直线导轨移动，当到达与前一个位置相差10mm后，停止移动；

S3：主控模块（1）控制摄像头模块（34）拍摄一张食用菌图片并按照拍摄时间存储后，再控制电动云台模块（33）转动，当到达与前一个位置相差18°的角度后，停止动作；

S4：回到S3，直至电动云台模块（33）工作至最大行程后，回复到最初位置，并进入S5；

S5：回到S2，直至电动直线导轨组件（32）工作至最大行程后，回复到最初位置，并进入S6；

S6：回到S1，直至电动环状导轨组件（31）绕食用菌种植台（11）走行一周后，完成一次拍摄，得到食用菌在同一拍照时间点拍摄的多张图片；

S7：取出同一拍照时间点拍摄所得的所有图片，对每张图片利用数值滤波算法去除噪声，利用图像处理SOBEL算子提取食用菌边界，从每张图片中分割出食用菌的图区后提取出食用菌的特征点并计算特征点对应的描述子；

S8：利用S7中所得的食用菌的图区及特征点，根据特征点对应的描述子进行图区匹配，得到食用菌种植台上的食用菌不同区域像素点在同一三维坐标系（x,y,z）下的坐标值，形成食用菌点云模型，其中x坐标表示宽度，y坐标表示深度、z坐标表示高度，食用菌种植台（11）处z坐标为0；

S9：利用S8得到的食用菌点云模型，根据菌柄与菌盖的形状不同，利用霍夫变换识别出菌盖与菌柄，将食用菌点云分割为菌盖部分和菌柄部分后，计算食用菌三维表型参数，包括：菌盖的厚度、菌柄的长度、食用菌的高度、菌柄的直径、菌盖的直径、菌盖的角度；具体的，将菌盖点云数据将最高处的像素点的z坐标减去最低处像素点的z坐标，得到菌盖的厚度；将菌柄点云数据将最高处的像素点的z坐标减去最低处像素点的z坐标，得到菌柄的长度；将菌盖的厚度与菌柄的高度相加得到食用菌的高度；在菌柄点云数据中，至少计算5处z坐标不同时x坐标的最小值与最大值之差、y坐标的最小值与最大值之差并平均，得到菌柄的直径；将菌盖点云数投影到xy坐标系中，取x坐标的最小值与最大值之差、y坐标的最小值与最大值之差并平均得到菌盖的直径；在菌盖点数据中，取x坐标最小值时的点x

通过摄像头模块（34）拍摄的所有食用菌图片以及计算得到食用菌生长期三维表型参数，通过传感器模块（9）得到的温度、湿度、二氧化碳浓度等数据经由无线通信模块（2）发送给上位机，便于用户保存与查询；另外，在食用菌生长过程中，为了让用户体验食用菌种植的乐趣，用户可以随时通过上位机查看当前箱体（7）中的温度、湿度、二氧化碳浓度，手动打开或关闭风扇（17）、发热器（16）以及加湿器（18）。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。