基于機器視覺的黃瓜大棚農藥自動噴灑裝置設計

朱晨曦

（唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299）

目前，黃瓜種植以溫室大棚種植形式為主，尤其是在華北地區，大棚種植是農產品種植的主要形式之一。在黃瓜種植過程中，利用農藥來防治病蟲害是農戶的重要任務之一。之前很長一段時間內，農藥噴灑都是由農戶人工來進行。近年來，隨著種植規模的不斷擴大，以及農業新技術的大量應用，機械噴灑、自動噴灑裝置逐步發展成為黃瓜大棚農藥噴灑的主要方式，其實際應用效果也比較理想，不僅在一定程度上減少了防治次數，而且提高了黃瓜的種植質量。

1 基于視覺系統的農藥自動噴灑技術的必要性分析

農業是一個國家得以持續發展的基礎，農業是我國的第一產業，我國歷來非常關注農業生產和農業技術，并且也充分意識到農業技術裝備水平的高低會直接影響到國家的綜合實力與競爭力。之前較長一段時間內，我國農業領域普遍采用傳統施藥技術，傳統施藥技術不僅在專業層面上存在著很多問題和漏洞，而且隨著社會的發展與進步，傳統施藥技術已經無法跟上現代農業的發展步伐，逐漸被淘汰?，F階段，我國的農業機械化發展已經成功駛入了快車道，越來越多先進的農業種植和生產技術被引入和應用，大大提升了現代農業的自動化和智能化水平。但單從農作物施藥技術這一層面來看，目前還是有很多地區農戶仍采用粗放式施藥方式，這種粗放式施藥方式不僅存在著嚴重的農藥浪費問題，而且還可能導致農戶出現中毒的情況。此外，因為粗放式施藥方式會出現過量用藥的問題，所以會導致多余的農藥殘留到農作物中，或者侵蝕到土壤和地下水中，這種危害是持久且難以逆轉的。這與現代化農業發展的目標和要求是背道而馳的，長此以往，必將威脅和破壞人類賴以生存的環境。根據權威部門的調查研究，如果對農作物精準施藥，那么大約可以節省40%～60%的農藥量。不僅有效改善了農戶的作業環境，降低了農戶的勞動強度，而且還大大提高了農藥的使用效率，節省了農藥用量，進而起到保護環境的目的。因此，應用基于視覺系統的農藥自動噴灑技術完成農作物的農藥噴灑工作有著非常強的必要性[1]。

2 棚室黃瓜用藥要求和注意事項

在農作物生產過程中，農藥是不可或缺的一種生產資料。施用農藥主要是為了減少病蟲害、抑制病菌等，以保證農作物的產量和質量。但在實際農作物施藥過程中，因為受到溫度、技術、用藥劑量等因素的影響，很多農作物特別是敏感農作物發生藥害的概率是非常高的。就大棚黃瓜而言，其對農藥本身就較其他農作物更為敏感一些。因此，針對大棚黃瓜使用農藥的情況更需要給予高度關注和嚴格控制，具體表現在以下幾個方面：

1）對農藥的濃度以及配藥劑量要給予嚴格控制，要保證藥劑混用的科學性與合理性。對大棚黃瓜施藥時，需要使用干凈的水，如果水是硬水則需要進行軟化處理。在對黃瓜植株進行噴藥時，一定要保證噴灑的均勻性、細致性以及周到性，盡可能避免局部用藥過多情況的發生[2]。

2）基于大棚黃瓜的生長規律，用戶必須嚴格按照黃瓜所出現的癥狀明確農藥的具體使用部位，要做到對癥下藥，以保證農藥效果得以充分發揮。在使用農藥時要充分考慮到大棚黃瓜的用藥需求，要考慮到病蟲害的不同特點，保證用藥部位的精準度。例如，大棚黃瓜出現了輪紋病或者葉枯病等，需要將農藥噴灑在黃瓜植株的葉面；大棚黃瓜出現了白粉病、疫病等，需要將農藥噴灑到黃瓜植株的葉背[3]。

3 基于機器視覺的黃瓜大棚農藥自動噴灑裝置的設計

3.1 棚內農藥自動精確噴霧系統設計

3.1.1 棚內農藥自動精確噴霧系統設計的要求

綜合考量研究目標以及黃瓜大棚對農藥噴灑的具體要求，在對棚內農藥自動精確噴霧系統進行設計時，需重點考量以下幾點：

1）重點關注施藥器材與黃瓜植株二者之間的相對運動規律。

2）借助先進的機器視覺技術對黃瓜植株的圖像進行實時采集，以采集到的圖像資料作為參考依據，進一步制定出相應的處理方案和對策。

3）根據圖像處理的結果制定更具針對性和實效性的施藥計劃。

4）上位機和下位機單片機數據交換之后，把最終的結果轉化成為噴霧指令，通過對噴霧執行系統進行控制來保證噴霧結果的精確度[4]。

3.1.2 棚內農藥自動精確噴霧系統硬件組成部分

棚內農藥自動精確噴霧硬件系統總體可以劃分為三大組成部分，即運動模擬裝置、圖像采集裝置、自動精確施藥裝置。棚內農藥自動精確噴霧系統硬件的組成部分如圖1所示。

圖1 棚內農藥自動精確噴霧系統

關于棚內農藥自動精確噴霧系統硬件三大組成部分，進行如下闡述：

1）運動模擬裝置。在運動模擬裝置中，設計重點在于傳輸帶式的模擬運動試驗臺。在該試驗臺中，主要內容是對施藥器械與施藥目標的相對運動規律進行模擬，同時，借助機器視覺系統來同步對連續目標的運動圖像進行精準合理的采集。

2）圖像采集裝置。圖像采集裝置主要包含圖像采集卡、CCD攝像頭、PC機等核心元件。目前市面上使用頻率比較高的圖像采集裝置當中的CCD攝像頭多為Panasonic WV-CP450 ColorCCTV Camera，配套鏡頭多為Panasonic Auto IrisLens LA9C3AE。在采集圖像時，攝像頭會置于三腳架上面，整體會放置在距離傳輸帶1.12 m左右的位置，鏡頭需要保持和黃瓜植株一樣高的位置，基線和傳輸帶運動方向保持垂直。圖像采集卡的型號一般是Miro Video DC30Plus，該型號的圖像采集卡最大分辨率是712×534像素，基本上可以滿足黃瓜植株圖像的采集需求。至于PC機，采集卡會插在PC的PCI插槽上，卡上的視頻復合端子接收CCD攝像頭采集到的模擬視頻信號，并將信號數字化，供系統后續使用。當傳輸帶帶動黃瓜植株轉動時，配合開發的軟件，機器視覺裝置便可采集到連續的黃瓜植株運動圖像[5]。

3）自動精確施藥裝置。自動精確施藥裝置的核心組成部件主要有單片機、噴霧臺架和噴頭系統等。自動精確施藥裝置之所以能夠保證施藥精確性，其中的原理如下：噴霧架橫梁上面所布置的多個噴頭可以測試圖像處理和噴霧決策結果的正誤情況[6]。自動精確施藥裝置中所使用的噴頭多是由一個二位二通電磁閥來對開閉情況進行控制的。電磁閥的控制信號由單片機的I/O端口提供。電磁閥工作電壓為220 V，單片機發出的控制指令為5 V，因此，在電磁閥和下位機之間接中間繼電器，噴頭連同電磁閥和繼電器一同安裝在盒子上。噴頭控制原理圖如圖2所示。

圖2 噴頭控制原理圖

3.2 黃瓜大棚農藥自動精確噴霧系統設計核心內容

3.2.1 精準采集黃瓜植株圖像是基本前提

科學應用相應技術和系統來連續采集模擬運動黃瓜植株的圖像。一般情況下，視頻流中幀圖像的格式是由其所使用的PC機顯示卡以及圖像采集卡共同決定的，其多會選擇設備無關位圖這一格式。利用關鍵幀提取功能，從視頻流中提取到關鍵幀，進而進行分析處理，這樣一來CPU的負擔便可以得到有效減輕[7]。

3.2.2 對采集到圖像信息進行分割處理

對采集到的圖像進行分割處理，把目標黃瓜植株逐一從背景當中分割開來?；陬伾指钏惴?，把獲取到的圖像由RGB模型轉化為HSI模型，如此一來便可以起到削弱光照強度的目的?；陬伾姆指钏惴ǎ赐ㄟ^轉換色彩模型來完成圖像分割的方式，需要耗費很長時間，而且對于一些實時性比較強的場合，圖像分割算法便不再適用。在不同的光照條件下，直接用RGB值來進行識別會導致錯誤的結果。而利用簡單的算術操作來組合RGB分量形成相對色彩因子（relative color indices）進行彩色圖像分割，可以大大降低光照強度的影響[8]。

結合光線實際條件，包括實驗室可控光和室外自然光，盡可能拍攝更多黃瓜綠色植株和葉子的圖像，用于RGB各分量的分析。其規律是，圖像中的G分量值普遍較高，B分量值和R分量值則相對要低一些。但是，圖像中的背景則與之相反。以此為依據來設計2G/(R+B)和(R+B+G)/3這一組相對色彩因子，保證分割黃瓜植株圖像和背景的效果。在此過程中，設計者需要結合實際情況適時適當加入(R+B+G)/3，以保證圖像擁有充足的光照強度，如此便可以有效減少因光線不足導致圖像暗區發生分割錯誤的情況。在完成圖像分割之后，還需要進一步考慮如何排除隨機噪聲的干擾，需要對圖像進行中值濾波處理，以保證最終分割結果的準確性，進而實現精準施藥的目標。關于這一步驟，可以采取的具體方式是把CCD攝像頭的可見視野均勻劃分成為多個控制區，每一個控制區都要配置一個噴頭。以分割之后的黃瓜植株圖像為準，對每一個區域的情況進行精準檢測，如果控制區中有目標出現，那么就打開噴頭噴灑農藥，如果沒有目標，噴頭就會處于關閉狀態[9]。

3.2.3 保證信息發送的順利和高效

利用PC機主板上的COM口將施藥決策的結果發送至單片機，用MSComm控件來進行串口編程。由于PC是RS232電平，而單片機是TTL電平，因此必須在它們之間使用一個電平轉換電路[10]。

4 結束語

綜上所述，基于機器視覺的黃瓜大棚農藥自動噴灑裝置不僅解放了勞動力，不再需要人工來完成黃瓜農藥噴灑作業，而且有效保證了黃瓜大棚農藥噴灑的精準度，有效防治了病蟲害，這是智慧農業中農藥噴灑技術創新和突破的重要表現。