描述

前提

就像人類一樣，植物也會生病。就像您可能因皮膚感染而出現(xiàn)皮疹一樣，植物的葉子可能會因真菌或其他病原體而變黃和/或出現(xiàn)斑點。因此，通過利用機(jī)器學(xué)習(xí)的力量，可以掃描顏色，然后用于訓(xùn)練可以檢測葉子顏色何時關(guān)閉的模型。

硬件

這個項目的大腦是 Arduino Nano 33 BLE Sense，選擇它有幾個原因。首先，它擁有豐富的強(qiáng)大傳感器，包括 9DoF IMU、APDS-9960（顏色、手勢、接近度和亮度）、麥克風(fēng)和溫度/濕度/壓力傳感器組合。為了在植物的葉子周圍移動電路板并進(jìn)行測量，一對步進(jìn)電機(jī)與一對 DRV8825 驅(qū)動板結(jié)合使用。

設(shè)置 TinyML

對于此項目，為 Arduino Nano 33 BLE Sense on Edge Impulse 列出的內(nèi)置傳感器將不起作用，因為僅列出了加速器和麥克風(fēng)。這意味著必須使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器而不是串行守護(hù)程序。首先，我創(chuàng)建了一個新項目并將其命名。接下來，我通過安裝 Node.js 和 NPM 來安裝 Edge Impulse CLI，然后運(yùn)行npm install -g edge-impulse-cli??. 如果找不到，您可能需要將其安裝路徑添加到 PATH 環(huán)境變量中。接下來，運(yùn)行edge-impulse-data-forwarder并確保它正常工作，然后使用 Ctrl+C 退出。

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閱讀顏色

APDS-9960 通過從表面反射紅外光并讀取未被材料吸收的波長來讀取顏色。要與傳感器通信，最好安裝 Arduino APDS9960 庫，它可以訪問幾個有用的功能。在代碼中，APDS-9960首先被初始化，然后程序進(jìn)入循環(huán)功能。在那里，它一直等到有顏色數(shù)據(jù)。如果讀數(shù)可用，則顏色與APDS.readColor()與表面的接近度一起被讀取。每個 RGB 分量都從 0-2^16-1 數(shù)字轉(zhuǎn)換為其值與總和的比率。

掃描裝置

掃描樹葉的顏色是通過在兩個軸上移動一個鉆機(jī)來通過板載 APDS-9960 下方樹葉的不同位置來完成的。每個軸都通過順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)導(dǎo)螺桿來移動，以在任一方向平移塊。整個系統(tǒng)是在 Fusion 360 中設(shè)計的，下面是一些設(shè)計的渲染圖：

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X 軸位于 Y 軸的頂部，讓頂部塊在兩個軸上移動。Y軸上有一個額外的V形輪來支撐步進(jìn)電機(jī)的重量。零件使用 PLA 塑料打印，填充量約為 45%。

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收集數(shù)據(jù)

當(dāng)系統(tǒng)第一次啟動時，步進(jìn)電機(jī)不知道它們在哪里，因此兩個軸通過逐步移動到原點直到它們碰到限位開關(guān)來回零。接下來，APDS-9960 被初始化。有一個邊界框，它被定義為兩個包含框的對角的二元素數(shù)組。在這兩個位置之間選擇一個隨機(jī)點，然后步進(jìn)器運(yùn)行到該位置，同時讀取其間的顏色。

處理和發(fā)送顏色信息

APDS.readColor()如前所述，使用 讀取顏色。計算總和后，通過調(diào)用該方法計算百分比，然后通過USB發(fā)送。Serial.printf()值用逗號分隔，每個讀數(shù)用換行符分隔。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器程序接收到數(shù)據(jù)時，它將作為具有給定標(biāo)簽（健康或不健康）的訓(xùn)練數(shù)據(jù)發(fā)送到 Edge Impulse 云項目。

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訓(xùn)練模型

收集完所有的訓(xùn)練數(shù)據(jù)后，是時候建立一個模型來區(qū)分健康和不健康的葉子了。我使用了由三軸時間序列、頻譜分析塊和 Keras 塊組成的脈沖。您可以看到下面的屏幕截圖，了解我是如何從數(shù)據(jù)中生成特征的：

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測試

為了測試我的新模型，我收集了一些新的測試數(shù)據(jù)，這次是不健康的葉子。該模型的準(zhǔn)確率在 63% 左右，通過一些測試特征發(fā)送后，大部分時間都能正確分類葉子。

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可以通過添加更多的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和減慢訓(xùn)練速度來提高這種準(zhǔn)確性。