基于OpenCV 圖像識別的農業大棚消防滅火機器人*

宋振南 ，姜麗梅 ，穆春志 ，嚴 冉 ，畢瀚聰 ，李 白

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著科技的高速發展與農業智能化水平的日益提升，農業大棚出現了諸多先進的農作物生產技術。然而，新挑戰也逐漸明顯，其中包括因電氣短路、設備過熱等原因導致的農業大棚火災[1]。大棚火災的發生會對農作物產生重大影響，對人們生活構成威脅[2]。傳統的滅火方式往往需要人力投入，反應時間長，效果有限，而且存在一定的安全隱患。

為了提升處理農業大棚火災的效率與安全性，近年來越來越多的研究開始關注消防滅火機器人的開發[3]。然而，目前消防滅火機器人多數使用的是復雜傳感器設備，價格昂貴，且面臨精確識別火源與判斷滅火場景難度大、自主導航能力不足等問題。

在此背景下，課題組提出了一種基于OpenCV 圖像識別技術的農業大棚消防滅火機器人。OpenCV 作為一個開源計算機視覺庫，具有強大的圖像處理能力，優勢在于實時性強、處理速度快和識別精度高[4]。結合OpenCV 的圖像識別技術，消防滅火機器人可以迅速識別滅火環境并計算出最佳的滅火路徑。通過使用靈活可靠的攝像頭和傳感器設備，機器人可以實時獲取并分析農業大棚內的火災相關信息，如火源位置、溫度和煙霧濃度等。基于這些信息，機器人可以快速作出判斷，確定滅火方案并自主執行滅火操作[5]。

1 國內外研究現狀和發展動態

1.1 國內研究現狀和發展動態

農業大棚消防滅火機器人的研究和實驗在國內得到越來越多的關注。多所高校、科研機構和農業企業正在進行相關研發工作，探索如何利用機器人技術提高農業大棚火災處理效率和安全性[6]。

研究重點包括機器人的導航、控制系統、傳感器技術以及圖像識別算法等關鍵技術領域的創新。通過自主導航和傳感器監測火災信息，機器人能夠迅速定位火源位置，實現精準滅火。隨著人工智能和機器人技術的不斷進步，農業大棚消防滅火機器人的性能和能力也在不斷提升。應用機器學習、深度學習和自主控制等技術，提高機器人的應變能力和火災處理效率[7]。數據共享和云平臺的建設將促進農業大棚消防滅火機器人的普及。通過可靠的數據管理和分析，可以實現更高效的監測和預警，減少火災損失。

政府對農業大棚消防的重視和支持將進一步推動機器人技術在農業安全領域的應用。相應的標準和政策的制定也有助于推動行業的發展[8]。商業化進程逐漸加快，越來越多的農業生產者和企業意識到農業大棚消防滅火機器人的潛力，將投資于相關技術和設備的研發和應用。

1.2 國外研究現狀和發展動態

在國外，農業大棚消防滅火機器人的研究和開發已取得顯著進展。一些企業和研究機構已經推出了商用的農業大棚消防滅火機器人，并將其應用于實際生產中。隨著農業大棚消防滅火機器人需求的增加，產業鏈也在逐漸形成，涉及硬件制造、軟件開發、數據分析、系統集成等環節的企業開始崛起[9]。

除了農業安全，農業大棚消防滅火機器人還可以幫助提高生產效率和節約人力成本。因此，在一些發達國家，還出現了將機器人與自動化農業生產相結合的趨勢。

2 整體設計

農業大棚消防滅火機器人系統設計如圖1所示。

圖1 系統設計

1）機器人本體設計：需要考慮機器人的尺寸、重量、形態和材質等因素，以滿足不同的操作場景和任務需求。

2）機器人硬件設計：包括機器人的動力系統、傳感器系統、執行器等硬件部分的設計和選擇。動力系統可以采用電池或太陽能等便攜式動力系統。傳感器系統主要用于監測環境溫度、濕度、氧氣濃度等參數以及火災的狀態。執行器主要用于開啟或關閉噴水管道、噴嘴等，實現機器人滅火操作。

3）控制系統設計：這是農業大棚消防滅火機器人的核心，控制系統需要能根據傳感器獲取的參數自主判斷環境中是否存在火災，并根據判斷結果控制機器人的移動和操作。控制系統可以采用在機器人上嵌入小型控制器的方式，控制機器人的移動、噴水時間、噴水量等。

4）軟件開發：包括通過機器學習等方法訓練滅火行為和相應的算法，開發控制機器人執行滅火操作的軟件。軟件可以部署在機器人上，以實時應對環境中出現的火災。農業大棚消防滅火機器人的軟件還需要與云端數據中心等系統協同，共享數據并保持實時聯網。

3 系統總體需求

3.1 火災檢測需求

1）系統需要能夠準確快速地檢測大棚內部的火災情況，包括火焰、煙霧和溫度等指標。

2）系統需要具備良好的環境適應性，能夠在各種光照、溫度和濕度條件下進行可靠的火災檢測。

3.2 精準目標定位需求

1）系統需要能夠準確定位火災的位置，以便機器人能夠快速到達并執行滅火任務。

2）系統需要具備較高的定位精度，避免誤差引導機器人到錯誤的位置。

3.3 高效滅火操作需求

1）系統需要能夠準確快速地檢測大棚內部的火災情況，包括火焰、煙霧和溫度等指標。

2）系統需要具備良好的環境適應性，能夠在各種光照、溫度和濕度條件下進行可靠的火災檢測。

3.4 圖像檢測需求

1）火焰檢測：機器人需要能夠準確地檢測農業大棚內可能存在的火焰。通過圖像檢測，識別出火焰的位置和大小，以便及時采取滅火措施。

2）煙霧檢測：煙霧是火災的早期指示之一，因此機器人需要能夠識別并準確檢測大棚內的煙霧。通過圖像檢測技術，確定煙霧的分布情況和密度，以便評估火災的嚴重程度并采取相應的措施。及早發現和處理煙霧有助于防止火災進一步蔓延，保護大棚內的作物和設施安全。

3.5 自主導航和避障需求

1）系統需要具備自主導航能力，能夠在復雜的農業大棚環境中進行路徑規劃和障礙物避讓，確保機器人安全到達火災區域。

2）系統需要配備合適的傳感器和算法，能夠實現環境感知和障礙物檢測，保證機器人在導航過程中的安全性和可靠性。

3.6 遠程監控和數據共享需求

1）系統需要具備遠程監控能力，允許操作人員通過網絡或移動設備對機器人進行實時監控和控制。

2）系統需要支持與云端數據平臺和其他設備的數據共享，以便進行數據分析和決策。

3.7 可靠性和穩定性需求

1）系統需要具備高可靠性和穩定性，確保在各種工作環境和條件下正常運行。2）系統需要具備一定的自我診斷和故障恢復能力，能夠及時發現并處理可能出現的故障和問題。

4 硬件設計以及算法

4.1 攝像頭模塊

使用高分辨率攝像頭，配備適當的鏡頭，以便清晰采集大棚內部的圖像數據，用于火災檢測和目標識別。其中，火災檢測算法是通過分析攝像頭采集的圖像數據，結合煙霧傳感器和溫度傳感器的數據，進行火災檢測和識別，準確判斷是否存在火災。目標識別算法是利用圖像處理和機器學習算法，分析攝像頭采集的圖像數據，識別火災目標和火勢變化的關鍵特征，并判斷目標位置和尺寸信息[10]。檢測算法效果如圖2 所示，檢測算法收斂如圖3 所示。目標檢測算法如下：

圖2 檢測算法效果

圖3 檢測算法收斂

4.2 傳感器模塊

1）煙霧傳感器：用于檢測大棚內部的煙霧濃度變化，一旦火災爆發，可及時發出警報信號。2）溫度傳感器：用于監測大棚內部的溫度變化，根據設定的閾值判斷是否存在火災，并輔助確定火災的規模。

4.3 導航和定位模塊

用GPS、慣性導航單元（IMU）等技術，實現機器人的自主導航和準確定位功能，確保機器人能夠精確到達火災現場。結合導航和定位系統提供的信息，設計算法確定機器人到達火災現場的最短路徑和避開障礙物的策略。

4.4 噴水裝置

具備可調節水流、噴射角度和噴射距離的噴水裝置，用于執行滅火操作。根據火災的規模、位置、火勢變化以及環境條件，結合噴水裝置的能力和機器人的運動特性，制定最佳的滅火策略，包括噴水量、噴射角度和噴射距離等參數調整。

通過將硬件設計和算法融合在一起，農業大棚消防滅火機器人能夠準確檢測火災、自主導航到達現場，并配備噴水裝置執行滅火操作。這樣能夠提高火災的檢測和識別的準確性，同時增強機器人的滅火能力和適應性，確保在緊急情況下能夠迅速、有效地進行滅火救援。整體實物如圖4所示。

圖4 整體實物

5 軟件設計

5.1 用戶界面設計

用戶界面應該易于使用且直觀。它應該包括一個主界面，顯示系統的各個功能和選項，并提供實時視頻監視窗口。最好的用戶界面應該是可定制的，可以根據用戶的具體需求進行自定義。此外，用戶界面應該考慮到易于導航、易于查看、易于理解的虛擬按鈕等方面的設計。

5.2 火災監測模塊設計

火災監測模塊是整個系統的關鍵部分。它必須處理視頻流，對圖像進行預處理和分析。對于預處理功能來說，它通常需要對圖像進行去噪、縮放、裁剪等操作，以使圖像更容易分析。一旦圖像被預處理，就可被送入算法模型進行火災檢測。對于算法模型來說，它可以是基于機器學習、深度學習等技術所實現的。

5.3 報警和通知設計

火災檢測系統需要能及時向用戶發出警報。系統可以通過蜂鳴器、電子郵件、短信等方式通知用戶，但必須確保這種通知機制已經正確設置。通知機制需要定期測試，以確保在火災發生時能夠準確通知用戶。

5.4 數據存儲和分析設計

對于大多數火災檢測系統來說，數據存儲是至關重要的。相關數據，如整個視頻流、火災檢測結果和其他相關的控制數據等，必須存儲在可靠的數據庫中。此外，數據應該是結構化、組織性和可擴展性的，以支持數據分析和查詢。同時，數據分析是必不可少的，它可以幫助用戶理解火災的發生頻率、時間和地點等相關信息，并為用戶提供指導、預防和應對的有用信息[11]。

5.5 系統安全性和可擴展性設計

安全性和可擴展性是構建火災檢測系統的兩個主要考慮因素。關于安全性，必須確保系統的安全設置，如訪問控制、信任邊界、防火墻等，都得到了妥善的實現。另一方面，系統的可擴展性，如添加其他監測攝像頭、傳感器等，也必須考慮到，以確保系統在日后的擴展和升級中具有良好的靈活性。

6 結論

系統軟件設計對于火災檢測系統至關重要。通過設計直觀易用的用戶界面，用戶可以方便地與系統進行交互，并實時監視火災情況。火災監測模塊的設計需要充分考慮圖像預處理和火災檢測算法的優化，以提高檢測準確度和性能效率。報警和通知功能的設計能夠及時向用戶發送警報，以便他們可以采取行動應對火災。數據存儲和分析模塊的設計將數據保存在可靠的數據庫中，并提供數據分析功能，以提供關于火災發生頻率和位置的洞察，幫助用戶制定相應的防火措施。系統安全性和可擴展性的設計能夠確保系統的安全性和靈活性，以適應不同規模和需求的環境。綜上所述，系統軟件設計的優秀實施將增強火災檢測系統的功能和性能，提供更可靠的安全保障。