周 懿,陳愛軍,冷國強(qiáng)

(中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

隨著人類社會和各類工業(yè)的飛速發(fā)展,大量的二氧化碳被排入大氣中,導(dǎo)致溫室效應(yīng)越來越嚴(yán)重。而將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物主要還是靠植物的固碳作用。氣孔作為植物葉片進(jìn)行氣體交換的窗口,氣孔的形態(tài)特征和行為動態(tài)是植物光合生理和水分生理研究的一個重要方面[1-3],植物在其生長發(fā)育過程中,其各種重要的生理生化活動都與氣孔運(yùn)動息息相關(guān),所以對植物氣孔的研究顯得十分重要[4],要想實(shí)現(xiàn)對葉片氣孔的進(jìn)一步研究就必須先獲取葉片氣孔圖像。

目前,對植物葉片的氣孔進(jìn)行觀測的手段一般都是采用滲入法、印跡法、固定法和電鏡掃描法、水裝片法、透明膠帶法等[5-7]。以上方法存在不同程度的缺點(diǎn)如操作難度大、程序復(fù)雜、效率低、使用藥劑多和儀器要求較高等,且上述所有方法均打斷了植物葉片正常進(jìn)行的生理活動。其中,滲入法、印跡法、固定法、水裝片法、透明膠帶法等這些采用普通生物顯微鏡觀測氣孔的方法均將植物葉片制成標(biāo)本在普通生物顯微鏡下觀察氣孔,葉片已脫離植物本體,只適用于觀測氣孔外形輪廓,不能對氣孔尺寸測量做進(jìn)一步研究;而電鏡掃描法等這些采用傳統(tǒng)顯微系統(tǒng)與機(jī)器視覺相結(jié)合的方法雖然不破壞葉片,但因需要將葉片從植株上摘下,從而無法觀測氣孔的正常生理活動,而且這類方法由于場地以及條件的限制無法對葉片進(jìn)行長期、連續(xù)地觀測;姚靜遠(yuǎn)等[8]用自制電子金相顯微放大系統(tǒng)采集活體植物葉片氣孔圖像,但是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷和采用PC機(jī)顯示被采集的圖像,所以觀測地點(diǎn)、時長、植物高度都受到了限制。

綜上,針對目前國內(nèi)外對室外活體植物葉片氣孔的觀測方法和儀器的不足,我們采用自制金相顯微系統(tǒng)將葉片氣孔放大后,再通過嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行葉片氣孔圖像的采集和存儲。供電系統(tǒng)利用太陽能電池板與鉛蓄電池相結(jié)合的方式,能夠?qū)崿F(xiàn)室外連續(xù)、長時間對葉片進(jìn)行觀測。

1 儀器結(jié)構(gòu)及工作原理

活體植物葉片氣孔成像儀的整體結(jié)構(gòu)如圖1。主要由主體結(jié)構(gòu)1、輔助結(jié)構(gòu)2以及電源系統(tǒng)3組成。

圖1 儀器整體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the overall structure of the instrument

由于葉片的氣孔位于葉片背面,在不影響葉片正常生理活動的情況下將葉片利用夾具固定,顯微鏡頭朝上并利用緊固旋鈕固定在立柱上,采集到葉片氣孔的圖像信息后,通過光纖傳像束發(fā)送到輔助結(jié)構(gòu)中,輔助結(jié)構(gòu)對光纖傳像束傳送的圖像信息進(jìn)行提取后進(jìn)行圖像文件的保存。利用太陽能以及蓄電池組成的供電系統(tǒng)對整個系統(tǒng)進(jìn)行能源供應(yīng),可實(shí)現(xiàn)戶外長期觀測工作。

為滿足實(shí)際使用需求,對活體植物葉片氣孔成像儀的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要定為如下幾個方面:

1)裝置系統(tǒng)放大倍率不小于300倍;

2)顯微物鏡視場觀測范圍不小于160 μm×120 μm;

3)裝置可拆卸、易組裝;

4)植物葉片觀測高度不小于2 m;

5)裝置分辨力為1 μm。

2 總體方案設(shè)計(jì)

本儀器選用STM32F103ZET6芯片作為MCU,配合晶振時鐘電路、JTAG接口以及復(fù)位電路等形成最小系統(tǒng)。儀器的設(shè)計(jì)主要分為硬件和軟件。硬件的設(shè)計(jì)包括儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及控制電路的設(shè)計(jì)等;軟件設(shè)計(jì)主要是圖像采集程序的設(shè)計(jì)。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2 活體植物葉片氣孔成像儀結(jié)構(gòu)框圖Figure 2 Structure block diagram of live plant leaf stomata imager

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)以及控制電路三個部分。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中提出的可觀察2 m高度的葉片的要求,且保證滿足可拆卸、易組裝的要求,機(jī)械設(shè)計(jì)選型時盡量選取現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)件,一方面可縮短儀器研制周期,另一方面有利于更換、維修機(jī)械部件。機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要組成如圖3。

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)框圖Figure 3 Mechanical structure block diagram

由于植物葉片表面氣孔尺寸不一,通常在6～25 μm之間,需在高倍顯微系統(tǒng)下觀察[9]。植物葉片氣孔主要分布在葉背,葉綠素主要分布在葉面[10],故需要將顯微系統(tǒng)倒立以進(jìn)行葉片氣孔的觀測。此外植物葉片有一定的透光性,不同種類植物的葉片透光強(qiáng)度不同,且透光的強(qiáng)弱隨著外界自然光的增強(qiáng)而增加。由于金相顯微系統(tǒng)的照明方式為同軸照明,所以葉片的透光性會影響采集圖像的像質(zhì);為消除這一影響,在對氣孔圖像信息進(jìn)行采集之前,通過安裝在被測葉片上方,由舵機(jī)進(jìn)行控制的遮光板來完成遮擋外界光源干擾的任務(wù),而這一過程只需要3 s左右的時間,不影響葉片氣孔的生理活動。

3.2 光學(xué)系統(tǒng)

為了能夠順利采集所需的圖像信息,需要利用光學(xué)系統(tǒng)將葉片氣孔進(jìn)行放大,便于嵌入式系統(tǒng)的圖像采集。光學(xué)系統(tǒng)主要由金相顯微系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)組成。

3.2.1 金相顯微系統(tǒng)

金相顯微系統(tǒng)主要由金相物鏡、同軸照明器、中繼透鏡、調(diào)焦系統(tǒng)、CMOS攝像頭、機(jī)械外殼組成。加入的放大倍率為1倍的中繼透鏡保證成像質(zhì)量,同軸照明器保證光源充足。圖4為金相顯微系統(tǒng)光路傳輸示意圖。

圖4 光路傳輸示意圖Figure 4 Schematic diagram of optical transmission

金相物鏡的倍率根據(jù)使用需求選用,而顯微物鏡與中繼透鏡之間的參數(shù)可通過相應(yīng)的設(shè)計(jì)手冊中推薦選用。根據(jù)手冊中的推薦可確定中繼透鏡距離像端面尺寸為151.2 mm,中繼透鏡與金相顯微物鏡之間的距離在100～200 mm之間,為減小系統(tǒng)的體積,將金相顯微物鏡與中繼透鏡之間的距離固定為最小值即100 mm,考慮到安裝誤差等問題,應(yīng)留有一定的裕量,所以最終距離確定為103 mm。圖5為設(shè)計(jì)加工完畢后的金相顯微系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖。為防止外界光源、灰塵進(jìn)入金相顯微系統(tǒng)內(nèi),須增加機(jī)械外殼予以保護(hù),此外為減小機(jī)械外殼內(nèi)壁有雜光反射,內(nèi)壁均做發(fā)黑處理。光學(xué)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)接件連接,再通過轉(zhuǎn)接件上的緊固旋鈕固定在主體儀器三腳架上的延長桿上。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖Figure 5 Picture of the optical system

3.2.2 調(diào)焦系統(tǒng)

調(diào)焦系統(tǒng)由葉片夾具、微調(diào)焦機(jī)構(gòu)組成。在觀察過程中為防止葉片脫離植物體,設(shè)計(jì)了葉片夾具用于裝夾固定葉片,能夠最大程度上減少由于各類突發(fā)情況導(dǎo)致葉片脫離植株。為最大限度地減小對葉片進(jìn)行正常光合作用的影響,采用壓片夾將葉片固定,葉片裝夾如圖6。

圖6 葉片裝夾圖Figure 6 Leaf clamping diagram

由于光學(xué)系統(tǒng)放大倍率較大,必須要對物鏡進(jìn)行調(diào)焦。微調(diào)焦機(jī)構(gòu)如圖7,通過粗、細(xì)調(diào)以實(shí)現(xiàn)葉片氣孔圖像的最清晰化。

圖7 微調(diào)焦機(jī)構(gòu)Figure 7 Fine focusing mechanism

葉片夾具與微調(diào)焦機(jī)構(gòu)通過直角形緊固件連接,微調(diào)焦機(jī)構(gòu)通過緊固旋鈕固定在主體儀器三腳架上的延長桿上。舵機(jī)和遮光擋板固定在葉片夾具上。調(diào)焦系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)裝配如圖8。

注:1—遮光擋板;2—葉片夾具;3—光學(xué)系統(tǒng);4—轉(zhuǎn)接件;5—調(diào)焦機(jī)構(gòu)圖8 調(diào)焦系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)裝配圖Figure 8 Assembly drawing of focusing system and optical system

3.3 硬件電路系統(tǒng)

硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖9。散熱器與溫度傳感器主要用于儀器機(jī)箱內(nèi)部降溫防止溫度過高影響其正常工作;增加電壓監(jiān)測電路時刻監(jiān)測電池狀態(tài);遮光擋板用于消除在圖像采集時外界自然光的干擾;人機(jī)交互利用觸摸屏實(shí)現(xiàn);USB轉(zhuǎn)串口用于程序調(diào)試和后期固件升級;外部SRAM用于增加軟件程序內(nèi)存空間;硬件看門狗預(yù)防程序出錯或跑飛;TF卡用于儲存UI界面功能圖標(biāo)和采集到的葉片氣孔圖像;CMOS攝像頭用于采集放大后的葉片氣孔圖像;DS1302時鐘芯片用于為系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn),也便于為后續(xù)新建文件夾和BMP文件命名;蜂鳴器用于聲音報警以及觸摸提示。

圖9 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Figure 9 Block diagram of the hardware circuit

硬件電路在滿足儀器功能的前提下,為增強(qiáng)其抗干擾能力,在感性負(fù)載、鉛蓄電池電壓的監(jiān)測與控制器之間增加光電隔離電路。

4 軟件設(shè)計(jì)

儀器的軟件程序基于μCOS-Ⅱ嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)進(jìn)行編寫,通過對任務(wù)合理劃分將任務(wù)主要分為監(jiān)測任務(wù)、觸摸任務(wù)、APP運(yùn)行任務(wù)。監(jiān)測任務(wù)主要用于監(jiān)測儀器當(dāng)前是否處于正常狀態(tài),如程序是否正常運(yùn)行、工作環(huán)境溫度是否正常、蓄電池電量是否正常、更新儀器的日期、時間以及儲存的氣孔圖像的數(shù)量等。觸摸任務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互,通過判斷用戶觸點(diǎn)執(zhí)行下一步操作;在用戶選擇所需要執(zhí)行的任務(wù)后,APP運(yùn)行任務(wù)開始運(yùn)行所選擇的任務(wù)。該儀器程序中共設(shè)計(jì)有5個子任務(wù),不同的圖標(biāo)與不同的功能相對應(yīng)。為保證系統(tǒng)正常有序的運(yùn)行,根據(jù)實(shí)際情況將各任務(wù)的優(yōu)先級順序安排如下:觸摸任務(wù)優(yōu)先級最高,APP運(yùn)行任務(wù)次之,監(jiān)測任務(wù)最低。圖10為軟件程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖10 軟件程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure 10 Structure diagram of software system

5 氣孔成像觀測試驗(yàn)

儀器的實(shí)地測試地點(diǎn)選擇在校園內(nèi),對校園內(nèi)的香樟樹、桂花樹、樺樹葉片氣孔進(jìn)行了觀察。通過調(diào)節(jié)可升降三腳架高度可實(shí)現(xiàn)對高2 m內(nèi)的葉片氣孔的觀察,圖11為儀器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場。

圖11 儀器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Figure 11 Instrument experiment site

儀器的數(shù)字放大倍率為14倍,更換不同倍率的金相物鏡可變化不同的系統(tǒng)放大倍率。儀器能夠在不影響植物葉片正?；顒拥那闆r下對葉片背部的氣孔進(jìn)行圖像采集。但是由于不同種類植物葉片的柔軟度以及平整度存在差異,這些因素會導(dǎo)致觀察不同植物葉片其獲取的氣孔圖像也會存在一定的差異,即使是觀察同一片葉片,其背部的平整度不一可能會導(dǎo)致圖像局部模糊。圖12為桂花樹葉片氣孔,圖13為香樟樹葉片氣孔,圖14為樺樹葉片氣孔,這些氣孔圖像均在系統(tǒng)放大倍率為280倍時獲取的。

圖12 桂花樹葉片氣孔Figure 12 Stomata of osmanthus tree leaf

圖13 香樟樹葉片氣孔Figure 13 Stomata of Cinnamomum camphora leaf

圖14 樺樹葉片氣孔Figure 14 Stomata of birch leaf

從圖12～14中可得,葉片的清晰度較好,葉片氣孔較為明顯,能夠?qū)崿F(xiàn)在不影響植物葉片進(jìn)行正常生理活動的情況下對葉片氣孔的圖像信息進(jìn)行采集的功能。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并研制了一種可在不影響植物葉片正常生理狀態(tài)下對葉片氣孔圖像進(jìn)行采集的儀器。以STM32單片機(jī)作為MCU并輔以相應(yīng)的采集電路,配合可應(yīng)對各類情況的機(jī)械結(jié)構(gòu)和太陽能電源,能夠長時間、連續(xù)地對葉片氣孔的工作狀態(tài)進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)表明采集到的氣孔圖像效果較優(yōu),為后續(xù)通過圖像計(jì)算被測葉片氣孔的開度值,進(jìn)一步研究氣孔的活動機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。