低功耗儲(chǔ)糧害蟲圖像采集裝置設(shè)計(jì)

顏永彪， 張璇璇， 程雯婷， 李曉輝

(安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

隨著糧食產(chǎn)量的提高，儲(chǔ)糧過(guò)程中糧蟲造成的糧食損失也與日俱增，糧蟲的高效、快速檢測(cè)刻不容緩。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)儲(chǔ)糧害蟲的方法有聲測(cè)法、事物引誘、近紅外法和圖像識(shí)別法等[1]，其中圖像識(shí)別法因具有高辨識(shí)率、操作簡(jiǎn)易、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)糧蟲防治領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和主要技術(shù)手段[2～4]。

文獻(xiàn)[5,6]中設(shè)計(jì)了一種儲(chǔ)糧害蟲檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)糧害蟲誘捕，采集糧蟲圖像，并遠(yuǎn)程傳輸功能。這些設(shè)計(jì)雖然減輕了大量人工，但由于其電容檢測(cè)電路需要一直掃描，另外采集到的圖像數(shù)據(jù)都是直接上傳到終端，未經(jīng)任何處理,包含了大量冗余信息，通過(guò)無(wú)線模塊上傳時(shí)會(huì)帶來(lái)巨大的能量消耗，甚至造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。因此，本文設(shè)計(jì)了一種高效率、低功耗的儲(chǔ)糧害蟲圖像采集裝置，通過(guò)無(wú)線模塊將采集到的圖像數(shù)據(jù)上傳到終端供分析、識(shí)別處理。

1 糧蟲采集裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)

糧蟲圖像采集裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。該裝置主要是通過(guò)放置在集蟲漏斗中的誘蟲劑，引誘糧食中的糧蟲從蟲洞入口進(jìn)入該裝置，通過(guò)光滑斜口式漏口掉落到光滑落板上，其中,光電傳感器會(huì)檢測(cè)到糧蟲落入信號(hào)，并通知單片機(jī)(microcontroller unit,MCU)從睡眠狀態(tài)切換為正常工作模式，驅(qū)動(dòng)攝像頭模塊采集圖像。對(duì)采集后的圖像進(jìn)行背景減法，將提取出來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到終端后，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，并采集1次光滑落蟲板背景色，存入到存儲(chǔ)器中，供下次背景減法時(shí)使用，至此1次采集過(guò)程結(jié)束，MCU重新回到睡眠模式，除光電傳感器外，其他模塊全部掉電。

圖1 裝置內(nèi)部

1.1 MCU模塊

文獻(xiàn)[7]驗(yàn)證了STM32系列芯片在圖像采集中的優(yōu)越性能，因此，本設(shè)計(jì)的MCU控制單元選用STM32F407ZG芯片，其自帶了一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像頭(DCMI)接口，該接口是一個(gè)同步并行接口，可以接收外部 8，10，12，14位CMOS攝像頭模塊輸出的高速數(shù)據(jù)流。

1.2 糧蟲落入檢測(cè)模塊

本文設(shè)計(jì)通過(guò)反射式光電傳感器來(lái)檢測(cè)糧蟲落入信號(hào)，光電傳感器輸出引腳接至MCU的外部中斷1處，正常情況下，接收端可以接收到反射紅外光，接收三極管導(dǎo)通，輸出高電平；當(dāng)有糧蟲從漏口落下時(shí)，接收端接收不到反射光，此時(shí)輸出低電平，并將該信號(hào)提供給MCU的I/O口，MCU被喚醒，并執(zhí)行后續(xù)的操作。電路如圖2(a)所示。

1.3 圖像采集模塊

使用的ATK-OV5640攝像頭是由ALIEBTEK公司推出的高性能500萬(wàn)像素高清攝像頭。該模塊集成有源晶振，且集成了自動(dòng)對(duì)焦(auto-focusing,AF)功能，自帶2個(gè)1W的可程序控制高亮發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)閃光燈。通過(guò)攝像頭時(shí)序的分析[8]，在設(shè)計(jì)中控制該模塊幀內(nèi)圖像掃描方式為從左至右、從上到下，輸出分辨率為640×480的RGB565格式數(shù)據(jù)。其與MCU的硬件連接電路如圖2(b)所示。

圖2 光電傳感器檢測(cè)電路與圖像采集模塊硬件連接

1.4 旋轉(zhuǎn)控制模塊

步進(jìn)電機(jī)受MCU控制，其旋轉(zhuǎn)軸和光滑落蟲板的中間軸相連，當(dāng)每采集完1次糧蟲圖像后，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)而將光滑落蟲板翻轉(zhuǎn)180°，此時(shí)糧蟲落入到集蟲漏斗中，防止對(duì)下次采集產(chǎn)生干擾。

由圖3(為了便于觀察圖像縮小顯示)可以看到該圖像數(shù)據(jù)包含了糧蟲和落蟲板背景色，如果不進(jìn)行任何處理，通過(guò)無(wú)線模塊傳送的字節(jié)數(shù)為共600 kB(640×480×2)，即使使用JPEG壓縮編碼仍然有70 kB大小，顯然不適合運(yùn)用于低功耗應(yīng)用中的低速網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2 糧蟲數(shù)據(jù)區(qū)域提取

對(duì)采集到的RGB565數(shù)據(jù)進(jìn)行背景減法。每次MCU控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°后，會(huì)驅(qū)動(dòng)圖像采集模塊采集背景色，也將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，其中第1次背景色的采集是在模塊上電初始化完成后，如圖4所示。

圖3 糧蟲圖片 圖4 光滑落蟲板背景色

在該裝置中，每次拍照都在同樣的光照下，基本處于一個(gè)穩(wěn)定的監(jiān)控場(chǎng)景,因此使用背景減法，將采集到的糧蟲圖像數(shù)據(jù)和背景色圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的像素相減，之后將差值圖像進(jìn)行閾值化處理，通過(guò)連通性分析后提取出圖像中前景像素點(diǎn)即糧蟲像素點(diǎn)。背景減法算法簡(jiǎn)單描述如下：

假設(shè)f(i,j)，g(i,j)分別為從存儲(chǔ)器中提取出來(lái)的糧蟲落入后采集到的圖片序列和光滑落蟲板背景色圖像序列，則差分序列為

D(i,j)=|f(i,j)-g(i,j)|

(1)

式中 (i,j)為離散圖像坐標(biāo)，對(duì)差分后的序列利用選取的閾值T來(lái)進(jìn)行二值化處理，當(dāng)差分后的序列中某一像素值大于給定的閾值T時(shí)，此時(shí)認(rèn)為該像素為前景像素，即有用的糧蟲像素點(diǎn)，反之則認(rèn)為是背景像素，即背景色像素點(diǎn)

(2)

對(duì)采集的600 kB RGB565數(shù)據(jù)流，按行讀取再差分,便于單片機(jī)直接處理。對(duì)差分后的序列每2個(gè)1組(RGB565數(shù)據(jù)一個(gè)像素點(diǎn)由2個(gè)字節(jié)表示)求2個(gè)數(shù)的均值,此時(shí)組成序列長(zhǎng)度縮短為原來(lái)的1/2，同樣按照式(2)找出前景像素和背景像素。循環(huán)至最后1行，依次找到可能的前景像素從而提取完整的糧蟲所在區(qū)域。

由于可能會(huì)存在噪聲干擾，最后對(duì)提取的區(qū)域進(jìn)行連通性分析，當(dāng)某一連通的區(qū)域面積大于給定的閾值時(shí)，認(rèn)為采集到有效糧蟲數(shù)據(jù)并提取出各個(gè)區(qū)域所在的最小行、最大行、最小列、最大列。當(dāng)區(qū)域面積小于閾值時(shí)，認(rèn)為是噪聲干擾。通過(guò)對(duì)上述兩幅圖進(jìn)行背景減法得到糧蟲所在區(qū)域的最小行為第185行，最大行為第212行，最小列為第412列，最大列為第433列，然后將該信息代入到糧蟲落入后采集到數(shù)據(jù)中進(jìn)而提取出糧蟲所在區(qū)域的數(shù)據(jù)。此時(shí)無(wú)線模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量?jī)H為(212-185)×(433-412)×2僅1 134 B，大大減少了無(wú)線模塊需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，節(jié)省傳輸耗時(shí)。通過(guò)背景減法后得到有效糧蟲圖像如圖5所示。

圖5 有效圖像

3 功耗分析

通過(guò)查閱STM32F407數(shù)據(jù)手冊(cè)，可知在3.3 V供電條件下，使用72 MHz時(shí)鐘時(shí)，芯片正常工作電流為69 mA，而停機(jī)模式下，所有時(shí)鐘停止，電流僅為0.38 mA。使用電容檢測(cè)電路檢測(cè)糧蟲落入信號(hào)時(shí)，僅MCU一天的耗電量為69 mA×24 h=1 656 mA·h，另外電容電路也持續(xù)耗電，且即使將圖像采集模塊設(shè)置為JPEG輸出格式，在640×480的分辨率下，通過(guò)無(wú)線模塊需要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)為70 kB。當(dāng)使用光電傳感器作為檢測(cè)電路時(shí)，光電傳感器的工作電流為50 mA，光電傳感器和MCU一天的耗電量為50.38 mA×24 h=1 209 mA·h，另外本裝置雖然需要通過(guò)背景減法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但是通過(guò)無(wú)線模塊傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)僅為1 134 B，大大降低了系統(tǒng)的功耗。

4 結(jié) 論

糧蟲圖像采集裝置能夠保證系統(tǒng)在低功耗下實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)是否有糧蟲落入，背景減法通過(guò)對(duì)糧蟲落入后采集到的圖片和背景色做差不需要其他復(fù)雜的計(jì)算即可快速提取出糧蟲所在區(qū)域，并通過(guò)無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，減輕了網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，同時(shí)更便于終端進(jìn)行相關(guān)的識(shí)別、分類操作。