基于機(jī)器視覺和無線網(wǎng)絡(luò)的作物監(jiān)測系統(tǒng)

張健 劉嘉麟

【摘要】 傳統(tǒng)采用LVDT等接觸式測量法檢測作物器官微小變化的方法具有一定的局限性，尤其不適用于柔嫩的花卉作物。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于機(jī)器視覺和無線網(wǎng)絡(luò)的檢測系統(tǒng)，通過對視頻圖像的處理獲得被測目標(biāo)的數(shù)據(jù)，初步實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)器視覺 無線 作物監(jiān)測

一、引言

作物器官的微變化反映了植物的生長及生理情況，傳統(tǒng)的人工測量方法操作粗略、精度低[1]，通常采用LVDT來測量植株的莖直徑微變化[2]。但是采用LVDT也具有一定的局限性：1、LVDT的回彈力會(huì)對作物本身造成傷害，尤其是質(zhì)地柔嫩的作物莖干，如花卉作物等。2、LVDT量程有限。3、LVDT無法準(zhǔn)確測量不光滑的莖干，尤其是無法描述不規(guī)則對象的全貌。本文結(jié)合視頻處理技術(shù)和圖像分割技術(shù)，采用機(jī)器視覺無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對作物生長情況的檢測。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)首先要完成對作物圖像的數(shù)據(jù)采集，之后為了獲取需要的目標(biāo)數(shù)據(jù)要取出環(huán)境影響，然后要使用圖像分割技術(shù)分離出目標(biāo)的圖形數(shù)據(jù)并通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

檢測系統(tǒng)使用S5PV210作為圖像處理核心，其他包括圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)處理、無線傳輸?shù)饶K。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

2.2 各模塊簡介

S5PV210處理器負(fù)責(zé)完成對圖像數(shù)據(jù)的處理、顯示以及保證無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。它是一個(gè)基于ARM Cortex-A8的32處理器。

無線模塊RTL8188是一款低功耗，高線性輸出功率，符合IEEE802.11B/G/N 支持IEEE 802.11i 安全協(xié)議，以及IEEE 802.11e 標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)質(zhì)量的150 USB 無線網(wǎng)卡，無線傳輸速率高達(dá)150M，最大傳輸距離可達(dá)300米。

考慮到CCD攝像頭的成本高于CMOS攝像頭，并且CCD卻為被動(dòng)式，必須外加12V以上電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)至傳輸通道，為了保證本設(shè)計(jì)的低成本和低功耗性，所以使用CMOS攝像頭作為本次設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺基礎(chǔ)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)。首先需要對Linux內(nèi)核進(jìn)行配置和裁剪：解壓Linux訥河源碼，清除源碼配置文件和目標(biāo)文件、make menuconfig進(jìn)行內(nèi)核配置與裁剪，make zImage生成內(nèi)核。

3.1 ARM平臺服務(wù)程序

主程序通過調(diào)用各子程序模塊完成初始化工作，初始化完成后啟動(dòng)無線傳輸和視頻采集并建立網(wǎng)絡(luò)通信，對采集的視頻信號進(jìn)行處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到PC機(jī)。

3.2 攝像頭模塊

由于在Linux系統(tǒng)用戶空間無法直接采集攝像頭圖像數(shù)據(jù)，需要將視頻數(shù)據(jù)拷貝到緩沖區(qū)，在提取到輸入隊(duì)列，才能在系統(tǒng)中進(jìn)行圖像信息數(shù)據(jù)處理。

ioctl（vd->fd， VIDIOC_STREAMON，&type）；//攝像頭開始抓取視頻數(shù)據(jù)

ioctl（vd->fd， VIDIOC_DQBUF，&vd->buf）；//拷貝到緩沖區(qū)

memcpy（vd->tmpbuffer， vd->mem[vd->buf.index]；//拷貝到用戶空間vd->tmpbuffer

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

在arm板上建立WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，將圖像處理數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上，使PC機(jī)上可以接受到生理監(jiān)測的數(shù)，值建立TCP網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，使用SOCKET套接字建立數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，讓圖像視頻數(shù)據(jù)傳輸可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C機(jī)上，部分關(guān)鍵代碼如下：

socket（PF_INET， SOCK_STREAM， 0）；//建立socket套接字

setsockopt（pcontext->sd，SOL_SOCKET，SO_ REUSEADDR，&on， sizeof（on）；

bind（pcontext->sd，（struct sockaddr*）&addr，sizeof（addr）；

listen（pcontext->sd， 10）；

accept（pcontext->sd，（struct sockaddr*）&client_addr，&addr_ len）；

pthread_create（&client， NULL， &client_thread， pcfd）；

3.4 圖像處理

從用戶空間中讀取圖像數(shù)據(jù)再進(jìn)行圖像處理，在圖像中設(shè)置一個(gè)單位標(biāo)志物作為監(jiān)測數(shù)值單位，對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值分割后計(jì)算單位像素值從而計(jì)算出目標(biāo)對象的實(shí)際數(shù)值。

3.5 PC端客戶程序

PC端接首先建立其TCP客戶端網(wǎng)絡(luò)，向ARM平臺發(fā)送數(shù)據(jù)請求，將接收到的數(shù)據(jù)行進(jìn)圖像和檢測數(shù)值分離后導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。PC端直接利用Linux系統(tǒng)的Socket套接字建立客戶端網(wǎng)路接受數(shù)據(jù)。用戶界面使用Qt編寫，使用SQLite建立小型嵌入式數(shù)據(jù)庫。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本系統(tǒng)分別使用花卉和水果進(jìn)行了運(yùn)行測試，將攝像頭安置在水平位置并且距離監(jiān)測物體距離20cm通過無線WiFi接收到PC機(jī)上，表1為測量數(shù)據(jù)。

五、結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于機(jī)器視覺和無線傳輸?shù)淖魑锷頇z測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明平均誤差<1mm，考慮到花朵在實(shí)際測量時(shí)可能的測量誤差，本系統(tǒng)的誤差是可以容忍的。

本設(shè)計(jì)對圖像處理比較簡單，需要進(jìn)一步對背景噪聲的濾波、圖像分割算法進(jìn)行研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 郭天太，郭沖沖，李東升等. 植物器官尺寸變化的傳感器測量技術(shù)綜述[J].機(jī)床與液壓，2012，40（13）：184-186；

[2] 高峰，俞立，張文安等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物水分狀況檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2009，25（2）：107-112