论文总字数：27326字

目 录

1绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究概况 1

1.2.1 基于微控制系统的数据获取与传输 1

1.2.2 图像处理的研究 1

1.3 课题研究计划及意义 2

1.4本章小结 2

2 软硬件工具简介 3

2.1 硬件工具简介 3

2.1.1 STM32F103单片机介绍 3

2.1.2 MDK5开发环境介绍 3

2.2 软件工具简介 3

2.2.1 Matlab软件简介 3

2.2.2 Matlab GUI简介 3

2.2.3 Matlab GUI设计 3

3 STM32单片机的数据获取 4

3.1 电容型DHT11温湿度模块 4

3.1.1 电容型DHT11温湿度模块介绍 4

3.1.2 软件设计之两路温湿度数据的获取 4

3.2 光敏传感器 5

3.2.1光电二极管简介 5

3.2.2 软件设计之光照强度的获取 5

3.3 RTC实时时钟 6

3.3.1 STM32 F1 RTC时钟介绍 6

3.3.2 软件设计之日期时间实时显示 6

3.4 STM32单片机数据的显示，存储与发送 7

3.4.1 2.8寸TFTLCD屏幕介绍 7

3.4.2 软件设计之图片，汉字与字符串的显示 7

3.5 OV7725摄像头模块 7

3.5.1 OV7725摄像头模块介绍 7

3.5.2 SD卡简介 7

3.5.3 软件设计之植株叶片图像的获取与存储 8

3.6 运用Zigbee技术的2.4GHz无线收发模块 11

3.6.1 2.4GHz无线收发模块介绍 11

3.6.2 软件设计之温湿度数据与光照强度的无线传输 11

3.7 USB读卡器 12

3.7.1 USB读卡器简介 12

3.7.2 软件设计之USB读卡器 12

4 图像预处理，特征提取及判别依据 13

4.1 植株叶片图像预处理 13

4.1.1叶片图像的获取与亮度提升 13

4.1.2 噪声处理 13

4.1.3 叶片提取 16

4.1.4 叶片复原 17

4.2 植株叶片图像的特征提取 18

4.2.1 面积周长比 18

4.2.2 HSV颜色特征 18

4.2.3 纹理特征 20

4.3 综合温湿度、光照强度数据以及特征处理结果的土壤含水量判别 23

5 系统整体设计与综合测试 24

5.1 STM32单片机系统整体设计 24

5.2 Matlab系统整体设计 27

5.3 系统综合测试 29

6 总结与展望 32

6.1 总结 32

6.2 展望 33

参考文献： 33

致谢 36

多传感器融合的植株土壤含水量监测与分析系统

汪立伟

, China

Abstract:The water content of plant soil plays a key role in crop growth. Modern agriculture and information technology can monitor the growth of crops and water content of plant soil is an important data. This dissertation introduces a device for analyzing and monitoring the water content of plant soil by using STM32 micro-controller and image processing system based on Matlab. In the part of the MCU, STM32 microcontroller controls two DHT11 temperature and humidity sensors to monitor the temperature and humidity data of soil on both surface and deep area; OV7725 camera module captures leaf image. In the end, images captured by OV7725 will be transmitted to PC by using USB cable. In the part of image processing based on Matlab, the water shortage condition of plant is analyzed by analyzing the HSV color distribution of leaf, texture and the rate of area and circumstance. A comprehensive and accurate analysis of water content of plant soil is of great significance to the precise irrigation required by modern agriculture.

Key words：STM32 micro-controller;2.4GHz Wireless Communication Module;OV7725 Camera;Image Processing;SVM

1绪论

1.1 课题背景

水，是农作物的血液，土壤中水含量过多或过少都会影响农作物的生长。土壤内水分过多，会导致植株对水分的吸收超过消耗。长期水分过多，就会造成栏叶，落叶，甚至死亡。土壤内水分过少，会导致植株对水分的消耗超过吸收，植株不能进行正常的光合作用和蒸腾作用，严重时会使植株枯死。故植株土壤含水量的研究对于现代农业的发展十分重要。植物的缺水状况也为政府决策和农牧业合理抗旱提供了许多有价值的信息。我国目前仍是发展中国家，农业用水占我国水资源消耗总量的比重很大。在中国相当一部分地区，灌溉仍以人工为主，这种灌溉方式极大的浪费了水资源。21世纪以来，水资源更加紧缺，这是因为城市化进展，工业生产以及农作物灌溉等领域对水的需求日益加剧。为了避免全球水危机，农业自动化程度必需迅速提高，以满足日益增长的农产品需求的同时尽可能合理有效的利用水资源。水资源的浪费不仅成为我国农业的发展问题，也严重威胁着未来可持续发展能力。因此，对农作物土壤含水量进行监测与分析，可以为后期的适时适量灌溉提供精准的数据，从而实现节水增效和科学决策。我国现阶段人均收入仍较低，开发一种低成本、高精度并具有多传感器融合特性的植株土壤含水量监测与分析系统具有较高的实用性，也符合中国国情。

1.2 国内外研究概况

1.2.1 基于微控制系统的数据获取与传输

单片机性能的提升也使得各类嵌入式应用有了长足的发展和进步，其本身也具有低成本，简单易用等特点。单片机外接各类模块，通过编程，可以实现各类外部数据获取如温湿度、光照强度、图像等。例如2016年左现刚等以组网后的Arduino单片机为控制中心，通过串口将在农田间采集到的信息发送到由LabVIEW编写的上位机界面中进行分析 ^[1]；2012年陈天华等设计了一套以ARM920T为核心的，CS8900A为网卡芯片的GPRS远程土壤墒情监测预报系统^[2]。然而，这些系统在进行缺水判断时，数据获取手段单一，预测结果精确性较差。结合多类传感器数据以及通过计算机视觉技术分析植株的缺水状况的方法在准确性上远优于仅使用微控制器。

1.2.2 图像处理的研究

与模拟法不同，数字图像处理是一种在计算机上运用算法来进行图像处理的技术。该技术的应用使得输入数据（图像）可以采用更多样化的算法来进行预处理，并且在处理期间可以减少噪声的产生和信号失真等问题。由于农作物播种的范围通常很大，占地面积广阔，所以现阶段，在农林业领域，图像处理已在许多场合中被应用。在土壤墒情领域的应用如刘卫平等在2015年提出了一种以“物联网架构”为基础，铱星SBD（Short burst data）技术为核心的土壤墒情远程监测网络^[3]，铱星9602模块的使用使得该方案技术复杂，每月数百元的单节点通信费用成本高昂，在中国当前的国情下，推广使用困难。在农作物分拣领域的应用如顾学民等在2010年提出了一种利用HIS以及灰度平均值来分拣多种竹片色差的方法^[4]，Reichle R H等人在2007年提出基于卫星的微波传感器来分析土壤的含水量情况^[5]。通过使用计算机视觉技术，我们可以由叶片图像大致判断出植株的土壤含水量情况，结合由单片机传来的传感器数据从而获得准确的分析结果。

1.3 课题研究计划及意义

在传感器数据获取方面，课题以STM32F1系列单片机为主要载体，单片机外接两路DHT11模块以获得温湿度数据，开发板板载光敏传感器测量光照强度数据，OV7725摄像头拍摄植株叶片图像并保存在外接SD卡里，单片机通过外接zigbee2.4GHz无线通信模块发送温湿度及光照强度，运用USB数据线有线连接单片机和电脑，操作者在电脑端任意选取SD卡里所需图片。在基于Matlab的图像处理方面，通过分析植株叶片的HSV颜色分布，纹理以及面积周长比来获得叶片特征信息，最终通过判断两路温湿度数据的差值，光照强度以及由图像处理得到的三个特征值来综合分析植株的土壤含水量情况。

随着现代农业的发展，农业灌溉自动化程度也在进一步提升，以滴灌和无土栽培为代表的农业自动化新技术被越来越广泛及频繁的应用。但由于这些技术的应用成本相对较高，对前期的预报及分析精准度提出了很高的要求。这些技术许多目前仍处于实验室阶段，在发展中国家更是如此。在实际中被广泛应用的是种植情况极端的如以色列等发达国家和地区。开发普及低成本实用的植株土壤含水量分析系统对于提升农作物质量及产量，降低灌溉过量造成的水资源浪费，减轻劳动力动强度等有着重要的意义。

系统整体大致流程图如图1.1所示。

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