随着我国经济的持续发展，人民生活水平的不断提高，越来越多的人开始注重盆栽植物的养殖并以此改善室内空气环境质量。然而，传统的盆栽植物主要依靠人工培育，培育过程更多依赖于工人经验，既缺乏科学性，又费时费力，并不适合大规模经济效益生产。针对这一问题，本项目设计并实现了一套 盆栽植物高通量表型监测系统 ，能够实现对盆栽植物生长状况、土壤营养情况、植株高度等生长发育关键参数的实时监测，并以 此为基础，实现水肥的动态调控。该系统主要包括三个部分，感知模块、控制模块以及人机交互模 块，其中，感知模块利用土壤传感器、光谱传感器、激光传感器以及配套自研外围功能电路及机械结构实现了对于盆栽植物高通量表型参数的实时获取。控制模块以瑞萨 RA6M5 单片机为控制核心，主要负责植物表型数据的接收、处理、传输、显示以及水肥施用的智能决策及控制。人机交互模块包括串口屏及上位机交互界面，其中串口屏通过串口通讯直接与 RA6M5 单片机进行数据交互，能够实现测试控制，基本测试结果显示等功能，上位机交互界面通过云端部署的 Vue 渐 进式 JavaScript 框架来运行，能够显示植物实时三维结构建模等复杂数据结果。该系统的初步研发及应用能够为盆栽植物的生产提 供科学且全面的指导，更好的实现农业数字经济的快速发展。
作品概述
设计背景与意义
随着我国居民生活水平的不断提高，民众对于健康、自然及生态的关注程度也日益增加。越来越多的家庭选择在室内种植盆栽植物，这不仅有助于改善室内空气质量，还能够美化居住环境。由于互联 网购物的普及以及快递送货速度的极大提升，更加激发了人们购买盆栽植物的热情。因此，盆栽植物的工业化、规模化、产业化及经济化培育需求急剧增加。然而，传统的盆栽植物培育以人工种植为 主，这种方式耗时费力，时效性较差，对于数字农业的经济化具有较大的阻碍作用。
相关工作
对于植物的光谱植被指数、土壤参数以及株高等参数的监测能够较好的对植物的实时生长状 况进行监测及诊断。已有较多研究开展了通过光谱植被指数反演植物氮含量 1 、叶绿素含量 2 、 叶面积大小 3 等参数的研究，而通过土壤参数进行变量施肥控制是我国当前信息农业发展的技术 前沿所在。此外，株高等表型参数能够从形态学角度反映植物当前的长势好坏 4 。因此，根据现 有技术情况，通过对上述参数进行高通量获取并结 合分析，能够更好的对盆栽植物的生长情况进 行监测并及时干预。
特色描述
本作品 以瑞萨 RA6M5 单片机 为控制核心，通过与 土壤传感器、光谱传感器、激光传感器以 及配套自研外围功能电路及机械结构 的结合，能够实现对于单一盆栽作物的土壤参数、光谱参数 以及三维模型的实时获取。主要特色包括以下几个方面：
- 采用多种接口及放大电路能够实现对于土壤、光谱、植物形态等不同类型数据的实时采 集，且留有接口用于接入其他传感器设备，拓展系统功能。
- 设计串口屏及上位机交互界面两种数据测试及显示方式，具备现场实地查看控制及远程 物联网交互 控制两种模式，既能够应用于家用场景，同样适用于工业化栽培场景。
应用前景分析
本作品已经基本完成预定功能，能够快速获取盆栽植物的土壤参数、光谱参数，并对植物的 三维结构进行实时建模。然而，受限于开发时间及传感器测试精度，现有系统仅能对单一盆栽植 物进行测试，但在未来场景的应用中，通过与自动化传送机构、激光雷达、深度相机、 5 G/6G 通 讯等现代化技术、装备的配合，完全能够形成一整套盆栽植物流水线栽培监测系统，极大的提升 国家农业自动化水平及数字经济效益。
作品设计与实现
本作品设计了一种盆栽植物高通量表型监 测系统，该系统能够实现对盆栽植物生长 状况、土 壤营养情况、植株高度等生长发育关键参数的实时监测，并以此为基础，实现水肥的动态调控。 系统结构主要分为三个部分：感知模块、控制模块以及人机交互模块，系统结构如图 1 所示。
感知模块主要由土壤传感器、光谱传感器和激光扫描组件组成。通过这些传感器协同工作， 详细收集关于植物及其生长环境的数据。控制模块以瑞萨 RA6M5 单片机为核心，负责控制激光 装置及步进电机执行精确的植物点云扫描。此模块还负责同步读取来自光谱传感器和土壤传感器 的数据，再进行必要的分析处理后上传云端 。人机交互模块包括 串口屏交互和上位机网页交互两 种方式 ，为用户提供 了 友好的操作界面，使用户能够实时监控数据并调整系统设置。外围辅助功 能电路则包括照明系统、电源管理和系统的总体 机械 结构设计，这些功能是确保系统稳定运行和 提高数据准确性的关键组件。
综上所述，该监测系统提供了一种高效且自动化的 盆栽植物栽培 解决方案，适用于盆栽植物 表型数据的精确监测与分析， 能够 支持植物科学研究和精准农业的发展。
图1 盆栽植物高通量表型监测系统 整体结构图
外围辅助电路及其框架
主体框架
本项目的系统框架采用角铝材料构建，外型结为高 1 米、长宽均为 0.5 米的长方体 。系统的底部安装了步进电机圆盘，此装置不仅能够支撑植物，还能实现 360 度的匀速旋转，既能够用 于三维模型扫描，还能够 确保植物全方位接受均匀的光照与灌溉。底座的左上角安装了一台 156W的 LRS 开关电源，该电源将 220V 交流电转换为 24V 直流电，为整个系统供电。
控制仓装配于系统主体框架的顶部左侧，内部集成了所有必要的微处理器芯片和串口屏，负责系统的信息显示和 实时 操作交互。框架顶部中间位置设有一盏 50W 的卤素灯和光谱传感器，这 些设备不仅提供所需光照，还能监测光谱数据，以评估 植物的健康状态。
框架的左侧安装有步进丝杆滑台，此滑台集成了测距模块，用于在 3D 建模过程中获取距离及高度数据。土壤传感器及灌溉系统设计装配于系统框架的另一侧，该土壤传感器能够自动插入 及拔出土壤，实现定时监测，同时，土壤传感器 及上端光谱传感器 的测试结果能够为灌溉系统提 供决策信息 ，用于实现实时同步灌溉。 整个系统的设计和实施考虑到了操作的便捷性与技术功能的高度整合，目的是通过精密控制和细致监测，优化植物生长环境，以期达到最佳生长效果 ，系统机械结构及外围辅助电路如图 2 所示。
图2 系统机械结构及 外围辅助电路
照明
为了实现光谱传感器的稳定准确测试，项目 采用了一颗型号为 64445U（ 24V 50W ）的卤素灯 卤素灯 具有高效 光能转换率及其较长的寿命， 能够在保证系统长期稳定运行的同时降低维护和运 营成本。该光源在一定程度上具备太阳光的光谱特性，能够提供线性全波段照明。这种照明技术 不仅为植物提供了必需的光照条件，还确保了光照的均匀性和连续性。此外，该照明方案还便于 加强 光谱传感器捕获所需波段的光谱信号 ，以便进行精确的光谱数据分析。
电源
在本项目中，为了满足各电子组件的特定电压需求并确保电源的高效分配， 设计采用了四组 DC DC 开源电源模块。这些模块从主电源明纬 350 LRS 开关电源提供的 24V 电压中分别转换为各个组件所需的不同电压。具体电压配置如下：
- 第一组 DC-DC 模块提供 1 2V 电压，专为土壤传感器 供电 。
- 第二组 DC-DC 模块输出 6V 电压，用于驱动舵机。
- 第三组 DC-DC 模块将 24V 电压降至 5V ，以供测距模块、 432 转 TTL 电路、光谱的 T 型 放大电路、水泵及串口屏使用。
- 第四组 DC-DC 模块负责将 24V 电压转换为 3.3V ，供单片机使用。
通过上述配置，系统能够确保每个组件都在其理想的电压环境下运行，从而最大限度地提高 性能和稳定性。此外，采用 DC-DC 转换技术可以提高能效，减少能耗，因为这些模块在转换电 压时的能量损耗相对较低。
感知模块
土壤传感器
由于项目 涉及 时间有限，土壤传感器并未 自行开发，而是选用了一款商用土壤传感器 JXBS 3001 TR PH 该土壤传感器能够准确测量土壤的温度、湿度、电导率、 pH 值以及氮、磷、 钾的含量。在使用过程中，单片机 采用 485 通讯协议与土壤传感器进行通信，通信过程中依靠 转 TTL 模块将 TT L 电平转化为 抗干扰能力更强 的 485 电平。接着，土壤传感器数据 将 传输 至瑞萨 RA6M5 单片机的串口 8 ，具体连接至 PA00 和 P607 两个引脚。为了确保数据传输的完整性，系 统采用 ModBus CRC16 校验机制。如果检测到数据丢失，则会自动舍弃有问题的数据。这种高效 的设计不仅确保了数据的准确性，还提高了传输的可靠性。 土壤传感器传输流程如图 3 所示。
图3 土壤传感器传输流程图
光谱传感器
项目设计了光谱传感器用于获取盆栽植物的 实时长势状况，该传感器通过 硅光电传感器捕获 经由 730nm 、 815nm 、 68 0nm 和 850nm 滤光片传输的 卤素灯 作物冠层 反射 光 ，以此 通过光电二极 管将 光谱信号 转换为 电能量信号 。 鉴于光电转换后的信号强度非常微弱，必须对信号进行必要的 放大和缓冲处理。本文采用的是 T 型偏置放大反馈电路，此电路相较于传统放大电路，在结构上 仅多添加了两个电阻。然而，它在功能上能够在减小温度漂移的同时，提供更高的放大倍数和更 优的抗干扰性能。对于那些单级放大无法满足其放大倍数需求的微弱信号，采用 T 型反馈电阻网 络结构提供了更为合理的解决方案 电路图如 4 所示。
图4 光谱传感器电路结构及实物
激光传感器
综合考虑了开发周期及成本因素，本项目的植物三维成像通过激光传感器获取点云数据实现， 激光传感器选用 STP 23 ，其测距核心技术基于 DTOF （直接时间飞行）原理，能够实现每秒高达 4545 次的测距频率。该传感器的测距精度在 0.3 至 8mm 的范围内，平均误差维持在± 45mm 之间。 测量数据由 RA6M5 单片机的 P501 和 P502 引脚上的 uart5 串口接收，并通过 CRC 校验来验证数 据的正确性。该校验 机制确保了数据传输过程中的准确性和可靠性，从而为研究提供了稳定的数 据支持。
控制模块
植物三维建模
为了更好的获取植物不同生长时期的三维外形结构，本项目采用瑞萨 RA6M5 单片机通过多 地址位 UART4 串口 分配方式，实现单一串口对 步进圆盘电机和步进丝杆滑台 电机两套电机系统 的同步控制。 系统的运行周期内包含了一个关键的通信机制：每秒向服务器发送一次心跳信号， 包含单片机当前的状态标志位。这些状态标志位包括“可扫描”、“正在扫描”和“复位中”。在系 统初始化阶段，电机会持续向下移动直至触发堵转保护机制 。一旦检测到堵转状态，系统便通过 串口发出解除堵转命令，电机随即解除堵转 保护并更新状态标志位至“可扫描”，以通知上位机系 统已准备就绪。
接收到上位机的启动扫描命令后，系统更新状态标志位，并指令土壤传感器从土壤中自动抽 出，随即启动扫描程序。在扫描过程中，步进电机首先带动圆盘上的植物旋转 360 度，单片机每 200 毫秒向上位机发送查询角度命令。随后，接收到的角度、当前高度和激光测距数据通过 ESP32 模块以 HTTP 请求的形式发送至服务器，并在前端网页上展示。每完成一轮扫描，丝杆滑台提升 0.8 厘米，此过程重复直至测距数据 连续 40 个点超过预设阈值。扫描完成后，指令丝杆滑台回到 起始位置，更新系统状态，并重新插入土壤传感器，以备下一轮命令。
此外，系统还包含一个终止扫描的程序。在扫描过程中若接收到上位机的中止命令，单片机 会等待 步进 电机完成当前循环，然后指令丝杆滑台返回终点并更新状态标志位。该植物表型监测 系统的设计考虑到了操作的灵活性与数据传输的可靠性，为植物学研究提供了有力的技术支持， 展示了其在实际应用中的高效性和适用性 ，三维建模运行流程如图 5 所示。
图5 三维建模运行流程
水肥施用系统
当系统接收到上位机的浇水 指令后，将启动一系列自动 化过程。首先，土壤传感器将从土壤 中提取出来，以准备灌溉过程。接着，灌溉系统被激活，开始对土壤进行浇水。此过程中，步进 电机也将被触发，执行一整周的旋转动作，以支持灌溉机械的操作。灌溉完成后，土壤传感器将 重新插入土壤中，以进行湿度的再次检测，确保灌溉效果达到预期标准 ，水肥施用运行流程如图 6 所示。
图6 水肥施用运行流程
光谱传感器数据处理
盆栽植物高通量表型监测系统 采用 归一化植被指数 NDVI 与 比值植被指数 RVI 作为作物生 长状态指示因子， NDVI 、 RVI 由近红外与 红色通道反射率大小决定，由于植物叶绿素发生光合作 用吸 收红光，长势越好的植物吸收红光越多，反射近红外光也越多，所以 NDVI 、 RVI 与 LAI Leaf Area Index ）、叶绿素含量相关性较高。能直观反应植物生物量的含量状况。二者的计算公式如下
NIR：近红外波段反射率值
R：红波段反射率值
人机交互界面设计
串口屏交互系统
下位机人机交互通过串口屏进行，本系统采用淘晶驰TJC8048X570_011CS 串口屏，实现了 对农业监测数据的高效显示和控制。在串口屏上，用户可以实时查看从土壤传感器中采集的氮、 磷、钾含量，以及pH 值、温度、湿度和电导率等关键参数。此外，系统也能显示由光谱传感器 处理后的数据，包括两组归一化植被指数NDVI(730,815)和NDVI(680,850)，以及两组比值植被指 数RVI(730,815)和RNV(680,850)。
系统不仅在显示功能上具备高级性，同时也支持复杂的控制功能。用户可通过串口屏控制3D 扫描的启动与中断。此外，用户还能设置自动浇水系统的工作阈值，并决定其开关状态，实现精 准控制和调节。所有这些数据和控制指令都通过串口与单片机进行通信，保证了系统的高效性和 响应速度。串口屏交互系统部分展示界面如图 7 所示。
图7 串口屏交互系统
网页和服务器端
考虑到盆栽植物培育过程中的批量化物联网栽培模式应用，本项目设计并实现了一个基于 Flask 框架的服务器端人机交互界面，用以处理前端发送的请求并提供相关服务。Flask 是一种支 持 RESTful API 风格的轻量级Web 框架，使得开发人员能够便捷地构建符合 RESTful 设计原则 的 Web 服务。我们利用 Flask 的内置 HTTP 服务器来处理网络请求，并采用 JSON 格式进行 前后端数据的交互。此外，为了解决跨域资源共享（CORS）问题，我们引入了 Flask-CORS 插 件。系统部署方面，Flask 应用可以部署在任何支持 Python 的环境中，如虚拟机或云服务器， 通过配置 host 和 port 参数以指定服务的监听地址和端口。
服务器端设计的详细实现包括以下几个关键点：
- 网络通信: 利用 Flask 内置的 HTTP 服务器来处理来自前端的网络请求。
- 数据交互 : 使用 JSON 格式进行高效的前后端数据交互。
- 跨域资源共享 : 通过 Flask CORS 插件处理可能的跨域请求，保证资源的安全共享。
- 部署方式 : 部署至任何支持 Python 的服务器环境，并通过适当的配置来启动服务。
同时，在前端设计方面，我们选用了 Vue.js 渐进式 JavaScript 框架，构建一个响应式的用 户界面。 Vue.js 的设计支持组件化开发，其 简洁的 API 和丰富的生 态系统（包括 Vue Router 、 Vuex 、 Vue CLI 等官方插件及多种第三方库）极大地提升了开发效率和应用性能。具体实现细节 如下：
- 前端框架 : 使用 Vue.js 构建动态、响应式的用户界面。
- 3D 点云展示 : 采用 Three.js 库实现 3D 点云的生成和展示，提供直观的植物数据视图。
- 图表展示 : 利用 ECharts 库对植物数据进行图形化展示。
- 网络请求 : 通过 Axios 库发送 HTTP 请求与后端进行数据交互。
- UI 组件库 : 使用 Element Plus 加速界面构建，提升用户交互体验。
此外，为了满足多平台应用的需求，我们使用 Electron 将 Vue.js 项目打包成桌面端可执行 文件，同时采用 uni app 框架将其打包为移动端应用，实现跨平台的应用开发。这一过程中， Electron 和 uni app 的强大功能为构建具有原生体验的应用程序提供了便利，从而满足不同终端 用户的需求。 上位机交互界面如图 8 所示。
图8 上位机数据展示界面
作品测试与分析
土壤测试仪测试结果
基于所设计的整套系统，进行各种传感器的结果测试，其中，土壤测试传感器测试了早上7点到下午21点不同时间节点的数据结果，如表 1 所示。
根据温度 测试结果显示，当日 14 点 温度 达到最高值 且日温 变化 结果 符合预期。除此之外，其 他环境参数如 pH 值、湿度、电导率以及氮、磷、钾的含量整体上 保持稳定，不同参数的日变化 趋势如图 9 所示。 由图可知， 上述参数在测试过程中，存在一定微小的波段，但处于可接受的误 差范围之内， 波动 产生 的原因可能与实验操作 过程中 的微小差异有关。
图9 不同参数的日变化趋势
光谱传感器数据
除了土壤数据外，采用光谱传感器获取了归一化差异植被指数（ NDVI ）和比值植被指数 RNI ），来评估植物的健康状况 ，由于光谱测试标准仪器价格较贵，且测试时间有限，项目仅针 对 盆栽 植物 天堂鸟 测试了 R V I(730,815) R V I(680,850) NDVI(730,815) NDVI(680,850) 结果，如 表 2 所示。 通过对比已有农业光 谱监测文献资料，测试结果基本处于能够反应植物营养状态的范 围之内，具体效果后期将通过与标准仪器测试对比、与室内理化分析试验的结果对比进一 步完善。
表2 光谱传感器测试结果 植物三维模型构建及测试
根据所设计的三维成像系统，对天堂鸟植物进行三维建模，建模结果如图 10 所示。由图中结果可知，所设计的系统能够较好的实现对于植物的三维形态建模，然而，由于采用开放式设计， 系统对于周边环境影响的鲁棒性并不高，容易收到环境因素的影响，该问题理论上可以通过在四周添加遮光板解决。此外，我们通过 激光测距仪测得的点云数据计算了植株高度，并将其与手动 测试结果进行了对比， 测量结果显示， 点云计算得到的植株 高度为 39.2 厘米。 而 直尺测量法得到的实际测量值为 38.5 厘米。误差仅为 0.7 厘米，完全处于科学研究所允许的误差范围之内。
图10 三维扫描点云建模结果 创新性说明
本项目 具有以下几个方面的特色与创新
- 研制 了 一套盆栽植物高通量表型监测系统， 解决了土壤传感器、光谱传感器、激光传感 器等多传感器设备的协同应用， 实现了对盆栽植物培育过程中植物生长状况、土壤营养 情况、 三维表型参数 等 多源信息的实时监 测、处理及传输 ，并以此为基础，实现 了 水肥 的动态调控 。
- 突破了盆栽植物培育过度依赖人工干预的局限性，创新性的采用串口屏下位机人机交互 界面及上位机人机交互界面两种方式实现对于系统的交互控制。拓宽了盆栽植株批量化、 经济化、物联网化的培育方式及渠道，为后续该行业的工业化发展提供了技术参考及实 际系统模型支持；
- 提出了一种基于激光传感器的植物三维模型构建方法，能够较好的应用于盆栽植物培育 及温室作物培育，降低了三维模型构建的技术成本，且该方法能够较为准确的获取植物 株高参数，根据后续开发，理论上能够进一步获取植物叶片倾斜角 度、茎秆粗细等表型 参数结果。
总结
在近一个月的开发时间中，通过本项目开发小组三位成员的协同配合，基本实现了对于 盆栽 植物高通量表型监测系统 的研制 ，具体总结如下
- 根据项目初期的讨论 结果，对 于 系统的 外围辅助电路及其 机械框架进行了设 计、搭建及 优化， 期间采用机械加工完成了基本框架结构，通过 shapr 3 D 机械设计、 3 D 打印等方式 设计并完成了多种细节化机构零件，包括但不仅限于光谱传感器的滤光电路结构、激光 传感器固定结构、盆栽植物圆盘转动结构、水肥浇灌结构等， 最终实现了不同结构间的 较好配合应用。
- 以 瑞萨 RA6M5 单片 机 为核心控制器，实现了包括传感器数据采集、数模转换、数据分析 处理、传输、步进电机驱动等 较多控制单元的编程作业，所用到的通讯方式及协议包括 但不仅限于串口、 4 85 、 H TTP ，由于系统设计的功能较多，且不同功能间需要大量的交 叉配合，在不断的差错及纠错过程，最终完成了相对稳定的系统软件编程方案。
- 针对家居单株盆栽植物培育维护以及企业级规模化、经济化盆栽植物生产等不同应用场 景，以上位机人机交互界面为主，串口屏人机交互方式为辅，设计了两种人机交互模式。 其中，串口屏交互界面具备传感器测试结果显示、测试控制等基本功能，而上 位机交互 界面除基本功能外，还能够用于显示植物三维模型实时建模结果。
- 由于开始时间及制作成本有限， 虽然 所设计的 系统 已经能够较好的完成预定的任务，但 在测试精度 及测试速度上仍有完善空间。希望该系统的研制能够对于盆栽植物规模化、 物联网化的发展提供一定借鉴意义。