嵌入式农业智能视觉监控系统的研究

发布时间：2017-09-19 14:23

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

植物是人类和动物的重要食物来源，是维持生态环境健康和食物链稳定的重要组成。在人类的日常生活中，植物在医疗、食品、生活用品等方面都有着不可或缺的重要用途，例如我们学习的纸笔、我们穿的服装材料纤维、我们搭建的温室大棚等等[1]。为了满足我们的日常生活所需，农民每日深入农田辛苦工作，这不仅要求农民花费大量时间，也需要大量的劳动力。随着各种先进技术的迅猛发展，智能化、自动化、机械化将会成为农业的未来发展方向[2]。自从农业中应用了智能化设备，农民不再像以前那样需要时刻深入农田中劳动，既降低了日常工作强度，又使得农民的收入稳步增加。温室大棚的出现，使得农作物及花卉可以一年四季都生长在适宜的环境中而不必受季节变化及环境变化的影响，像一些只有一个季节能种的蔬菜、水果等，在温室大棚中就可以一年四季都种植。不仅为农民改善了依赖过往经验的工作方式，还解放了劳动力，获得了很好的经济和环境效益[3]。

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1.2 国内外发展现状及分析

在国外，早期开始使用温室大棚种植作物的是欧美等发达国家，例如美国、日本、以色列等国家最先在温室大棚中通过仪器设备采集各种环境因子，并比较预先设置的阈值来进行参数调控，使农业具有自动、智能、高效的特点[8]。早在 30 年代初，美国一所名叫 COMPBELL 的公司生产了田间数据采集系统，该系统利用单片机实现基本功能，可实现自动化控制，但其功能比较单一化。随着计算机及网络技术的发展，80 年代时期美国几家公司在研发了一种新型的智能设备，可实现机器的自动浇水，，并得到广泛应用[9]。近年来，由于科技的高速发展，美国在农业方面也有了突飞猛进的发展，将 GPRS 技术和最新的遥感技术运用于大棚种植中，并取得了很好的成效。工作人员通过远程的信号接收装置就可以监测到温室内的所有环境参数[10]。

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第 2 章 基于图像处理的植物叶片识别分类器的设计

2.1 图像预处理

在对图像进行识别研究之前，为了提高提取参数的准确性，减少环境因素对图像造成的影响一般都会对图像进行不同方式的预处理，使图像具有信息精炼、独特性强等特点。温室大棚内的植物种类繁多，本章以番茄叶子为例，其经过预处理后的图像如下图 2-1 所示。当图像经过灰度化处理后，得到的二值化目标图像会更精准，故灰度化往往是预处理中的第一步。我们通过摄像头所采取的叶片图像都是彩色的，而所谓灰度化就是将这些图像通过算法转变为灰度的，即我们通常所说的黑白照片。

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2.2 叶片特征提取

研究者们在分析叶片问题时，经常会提取叶片的几何特征，因此研究出来的提取方法相对成熟，并在图像识别领域应用广泛。通过上一节对图像的预处理，我们已经得到了待识别叶片的分割后的轮廓信息，而几何特征的提取就是要从轮廓图像中获得[24]。

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第 3 章 智能视觉监控系统的整体硬件结构设计...............23

3.1 系统的整体硬件结构...............23

3.2 系统主控芯片的选择及电路设计................24

第 4 章 嵌入式软件开发平台的设计与实现...............34

4.1 Linux 交叉编译环境的搭建................34

4.2 U-Boot 的移植...............35

第 5 章 上位机远程监控系统的设计与实现...............43

5.1 嵌入式 Boa 服务器的构建...............43

5.2 CGI 的设计及实现...............44

第 5 章 上位机远程监控系统的设计与实现

5.1 嵌入式 Boa 服务器的构建

在带有 Linux 环境的 PC 机端，构建一款可在网页上执行的 Boa 服务器。其性能稳定并且应用十分广泛，并且占用内存空间小，执行时的空间也较小，具有很多优点。因为在一些嵌入式的设计应用中，经常会用到 Boa 服务器，工作人员通过系统用户名密码登陆设置，可以自动跳转到相应设计的网页中，再应用 CGI 技术来管理调控硬件装置。Boa 服务器对于本文设计的智能视觉监控系统起到非常重要的作用，系统要想实现通过网页查看数据及操控设备，就需要通过 Boa 服务器来回应网页的命令[40]。当 Boa 服务器收到浏览器发送的命令时，就会把指令传送到 CGI 来处理和响应，经过预先编辑好的程序代码，实现所需要的功能，并将信息再次反馈到服务器中，发送到浏览器上显示出来，这样就实现了网页的远程操作。其信息处理示意图如下图 5-1 所示。

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5.2 CGI 的设计及实现

CGI (Common Gateway Interface)是一种应用十分广泛的交互接口，在嵌入式软件设计中，经常应用它来连接网页和外部代码。CGI 的代码编写语言有很多种，其中最常见并且常用的是 C 语言，因此本文也选用 C 来作为 CGI 的设计语言。HTML 网页应用广泛，与 CGI 共同工作后会解决很多单靠 HTML难以实现的功能，通过运用 CGI 技术，服务器与客户端之间就可以进行高效快速的信息传送[41]。CGI 可以将输入的信息进行解析处理，然后将结果传送到服务器端再传送到浏览器来完成数据的交互。CGI 的工作步骤示意图如图 5-2 所示。

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结论

本文分通过结合人类目前的生活环境状况和我国的基本国情，阐述分析了农业监控设备的国内外研究现状，并确定了这篇论文的立题思想，设计了一种嵌入式农业智能视觉监控系统。该系统运用数字图像、嵌入式、ZigBee 和GPRS 无线通信技术来实现农民足不出户就能查看农田生长状况的功能。本文按功能将系统分成了四大部分，分别为图像采集处理、环境采集控制、集中控制和手持控制模块。主要实现了植物叶片种类的识别，实时监测植物生长中的环境因子，并且根据数据范围来控制大棚内装置。工作人员还可以通过登录上位机监控界面查看植物叶片的种类识别结果以及各个环境参数，通过点击按键即可实现相应装置的调控。本文完成的主要工作及结论如下：1．完成了对温室内植物生长状况的实时监控，在对采集到的叶片图像进行灰度化、去噪、分割、轮廓提取预处理后，提取了叶片的几何及纹理特征，应用克隆选择算法及支持向量机对叶片进行样本训练，建立识别分类器并提高了叶片识别率和识别速度。

参考文献（略）

本文编号：882138