基于實時數據的智能農業圖像處理系統的實現

鄧泓 楊瀅婷 劉志超 彭瑩瓊

摘要：為了使農機能夠精確、實時、快速地獲取農田及作物信息，開發出基于實時數據的智能農業圖像處理系統，通過該系統實現輔助農機智能作業，對農田中路徑規劃、農作物的自動收獲，農業植保等方面提供解決方案。

關鍵詞：實時;智能農業;圖像處理

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0160-02

0 引言

近年來隨著我國人口結構的不斷老齡化，農業作業人員的平均年齡日趨增長，農業生產面臨人力不足，土地資源利用率低，作業效率低下等問題。為了推進我國的農業現代化建設，打造以農業實時數據為支撐，包括傳感器、智能機器人、定位系統以及智能農業圖像處理技術的現代農業系統成為國內農業生產模式轉型的趨勢[1]。這種農業系統可以將農業信息技術與實際生產全面結合，對農業生產進行高精度，高效率，高便捷的現代化操作，并且對農業產業結構進行合理化升級，創造更多的經濟效益[2]。

當今，在計算機技術迅猛發展的背景下，計算機農業圖像處理技術作為新型計算機綜合性交叉學科之一，其技術特點利用計算機技術對傳感器采集到的圖像進行降噪、排除干擾、信息提取[3]。其本質上是利用計算機模擬人眼對農田系統進行初步的信息采集與篩選，將農田的實時圖像轉化成實時數據傳輸給農業系統。

在農業系統作業中，實時數據的時效性、精準性尤為關鍵，作為其系統決策的數據來源，實時圖像的提取與篩選嚴然是一個復雜的過程，必須考慮不同作業環境下，環境因素對圖像的干擾，如光線、角度、姿態位置等，因此必須采用科學合理的圖像處理技術對實時數據進行處理。

1 系統框架

農業機械裝載攝像機在作業過程中對檢測目標進行攝影，將所拍攝的實時圖片傳入至農業機械搭載的無線傳感裝置中，無線傳感裝置與云端進行實時的圖片信息傳輸，在云端服務器中對圖片進行相應的圖像處理操作，處理完成所獲得的數據信息通過云端和無線傳感裝置的傳輸通道返回，再由無線傳感裝置給智能農業機械發送相關指令完成數據傳遞和信號轉化，從而控制農業機械進行相應農業工作。客戶端接收來自云端傳輸的指導農業機械智能化作業所需的相關信息。

系統框架分為三個部分，分別是圖片采集終端、云平臺、遠程控制終端（客戶端）對智能農機進行實時圖片數據傳輸從而指導其作業。本系統靈活運用無線通信技術、傳感器技術、圖像處理技術以及控制終端集成通信技術，實現了農業機械智能化、自動化、精細化及靈活化作業性能。系統框架圖如圖1所示。

1.1 傳感器數據采集設計

本系統的數據采集終端提供了相關的光照強度采集、農作物圖像采集、行駛方向角采集，位移數據采集。其中光照強度采集使用DM7113溫濕光照度一體傳感器，農作物圖像采集使用CMOS傳感器，行駛方向角采集使用方位角傳感器，位移數據采集使用KTC直線位移傳感器。

1.2 終端控制設計

本系統為實現遠距離數據傳輸，采用的是以太網技術。為了實現控制終端與云平臺的通信，系統采用電阻網絡R-R實現電平轉換。該系統電源由高頻變壓器， 電源穩壓電路， 濾波電容和橋式整流構成，具有穩定性高的特點。LM317三端穩壓器在線性集成穩壓器中相對于其他穩壓器是使用比較廣泛的，而且其性能穩定、價格便宜的特點使其受到大多數使用者青睞。在控制端單片機中，由于I/O口輸出電流比較小， 因此無法對電機等大功率負載進行直接驅動， 需要增加一項負載驅動的功能。為了進一步的提高系統的持久耐用性， 系統隔離元件使用了光耦的方式，而晶閘管由于其體積小、器械零接觸、安裝方便等優點被選用作為驅動電路[4]。

1.3 移動物聯網云平臺的選用

本系統采用OneNET移動物聯網云平臺實現數據計算、存儲等其他相關操作。OneNET是由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺。該平臺可實現基于多類型標準協議和API開發，極大程度上可滿足多設備高并發快速連接;在對終端設備的監控管理、在線調試和實施控制等方面具有優良性能;同時在數據存儲方面OneNET也發揮超群，基于分布式的云存儲、消息對象結構以及海量的數據調用接口對數據實現高并發的讀寫操作，確保數據安全。

1.4 終端-云平臺數據傳輸

本系統的終端數據傳輸是通過ESP8266無線模塊將接收后的圖像數據信息以打包的方式發送給移動物聯網云平臺，采集終端和云端建立TCP連接后將指令轉化成二進制或十六進制，從無線模塊接收的圖像數據以HTTP協議將指令包裝成對象發送至云端，云端接收來自終端的圖像數據再對這些數據進行轉發、存儲等相關操作[5]。數據傳輸示意圖如圖2所示。

1.5 遠程控制終端

用戶小型PC端（手機APP軟件）建立網絡連接后，通過ESP8266將系統采集的圖像特征提取數據上傳至云端，用戶小型PC端（手機APP軟件）可對智能農機各個作業場景下獲取的圖片信息進行相應的圖像處理技術從而獲得智能農機所需的特征信息，用戶可實時發送控制命令給終端，從而實現遠程控制[6]。

2 結語

基于實時數據的智能農業圖像處理系統可根據農田環境和作業需求通過不同作業情況下的圖像處理算法提取相應的特征信息，它能夠指導農機在農田作業中達到精準、高效的作業目的[7];該系統還為客戶端提供了便捷、可視化的操作界面，提升了用戶的使用感;該系統不僅可在多個作業場景中應用，提供智能化解決方案，并且在智慧農業領域具備更加廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 姜忠愛，張曉輝，秦軍偉.計算機圖像處理技術及其在農業檢測中的應用[J].農機化研究，2004（06）：234-236.

[2] 張訓飛.計算機圖像處理技術及其在農業工程中的應用[J].信息與電腦（理論版），2019（13）：11-12.

[3] 張書彥，張文毅，余山山，付宇超.圖像處理技術在信息農業中的應用現狀及發展趨勢[J].江蘇農業科學，2017，45（22）：9-13.

[4] 莊衛東，汪春.農機直線行走作業DGPS導航算法研究[J].黑龍江八一農墾大學學報，2006（06）：50-53.

[5] 郭海針，馬俊龍，徐海剛.基于機器視覺的農業機械無人駕駛系統[J].農機化研究，2009，31（06）：189-191.

[6] 馬訓鳴.基于機器視覺的農業機械無人駕駛研究[J].西安石油大學學報（自然科學版），2004（05）：71-73.

[7] 林燕，趙雪章，齊明.基于物聯網技術的智能農業大棚系統[J].湖北農機化，2019（19）：59-60.