CN101099446A - 基于计算机视觉的灌溉水车系统 - Google Patents

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张侃谕
高建斌
王生学
周强
沈恩德
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Abstract

本发明是一种基于计算机视觉的灌溉水车系统，主要特点是把计算机视觉技术应用于灌溉水车系统上，并利用数据库技术进行管理，使其能根据栽培作物的最佳生长条件以及当前的环境因子和外气候状况对植物进行最优灌溉；而且本发明实现全程跟踪记录、监督，进行历史数据管理。本系统包含有一作为系统调度管理及远程监控的远程主机、一个喷灌控制箱、无线以太网、一套与变频调速器连接的继电器和电磁阀以及与可编程控制器连接的光电编码器和脉冲式流量计。本发明还具有提高管理水平及减少运行管理的劳动强度等优点。

Description

基于计算机视觉的灌溉水车系统
技术领域
本发明涉及一种新的农业灌溉装备系统，特别是涉及一种采用计算机视觉技术来实现农业栽培过程中实时精确灌溉的自动控制系统。本发明可应用于各类需要对栽培作物的灌溉实施实时精准自动控制的场合，例如温室花卉、苗木等栽培作物的灌溉。
背景技术
目前，由于计算机图像处理技术专业水平的提高及计算机硬件成本的下降，在农业领域应用计算机(机器)视觉系统已变得越来越具有吸引力。自20世纪70年代末以来国际上许多研究人员已为开发用于农产品品质自动识别和分级的计算机视觉系统做了大量的工作，并取得了许多应用成果。如番茄的成熟度识别和分级。精准农业的发展也要求应用计算机视觉技术，如农用机器人进行水果果实的采摘，利用计算机视觉进行作物秧苗的定位和杂草的识别。随着精准农业在我国的展开，我国的科研工作者利用计算机视觉技术在智能化农业机械、农产品品质检验、设施农业等方面进行了较为广泛的研究和应用，力求尽快缩短与发达国家精准农业研究与应用的差距。因此，开发一种利用计算机视觉技术对灌溉对象的图像进行实时在线处理、并根据环境因子和外气候参数以及历史数据库进行计算和处理，从而实施最优灌溉。该系统应用于自动灌溉水车系统具有实用、节水、节肥、精确度高、可靠性好的特点，是农业现代化装备发展的必然趋势。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于计算机视觉的灌溉水车系统，该系统能够根据植物实时生长阶段和生长状态，应用作物灌溉专用软件，通过比对和计算，实施对所栽培作物的实时准确灌溉和施肥。为了实现上述目的，本发明提供了一种基于计算机视觉的灌溉水车系统，它由作为远程监控、数据库中心以及系统调度管理中心的远程监控机；由嵌入式单板机、可编程序控制器以及数显设备构成的灌溉控制箱；进行实时图像采集的CCD摄像机；控制水车行走速度和启停的变频调速器以及与变频调速器连接的继电器、电磁阀和执行机构；用于获取当前水车行走速度和行走距离的光电脉冲编码器和获取当前灌溉量的脉冲式流量计；进行实时无线通信的无线以太网装置；用于控制微喷喷头开关的电磁阀以及灌溉水车的行走轨道等组成。
在水车向前行走的过程中，CCD摄像机实时拍摄被灌溉的作物，进行实时图像采集。采集的图像经模数转换后送到嵌入式单板机，通过预存的针对该作物的专用图像识别软件对采集到的作物实时图像进行识别处理；专用图像识别软件对得到的当前植物图像信息，如叶面积的大小、叶片数量以及植物的色彩信息，通过与数据库中该作物当前的生长阶段以及生长状态进行查询比对和计算获得水和肥料(液态肥料)的最佳灌溉量，单板机中的处理软件把喷灌命令通过通信接口传给可编程序控制器，可编程序控制器接收到指令后通过它的输出端口给控制水车行走速度和启停的变频调速器以及用于控制微喷喷头开闭的电磁阀发出指令，从而控制灌溉水车的行走速度以及喷灌量。图1是灌溉小车控制系统总体结构示意图，图2是喷灌控制箱的内部组成示意图，系统控制流程如图3所示。
本发明的主要特点是把计算机视觉技术使用于自动灌溉水车系统上，使得灌溉量能够满足植物的生长情况和生长阶段的最佳需求；而且本发明实现全程跟踪记录、监督，能够实时显示系统当前的运行状态；能够进行历史数据管理，这将为种植作物产量的提高和自动灌溉技术的进一步发展提供科学依据。本发明不仅减少了大量的人工操作，减少了人力物力，同时也避免了人为因素的干扰，大大提高了灌溉的精度及系统的可靠性。并具有节水、节肥，提高管理水平及减少运行管理的劳动强度等优点，能取得良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式
图1是灌溉小车控制系统总体结构示意图，系统通电运行后，灌溉水车等待安装在喷灌控制箱1中的嵌入式单板机以及可编程序控制器完成系统硬件的启动及软件的初始化后以低速向前行走。图2显示了喷灌控制箱的内部组成示意图。它主要由嵌入式单板机、可编程序控制器、AT电源、数字化设备、数字显示装置以及键盘输入装置组成。嵌入式单板机与可编程序控制器之间是通过通讯接口进行实时通讯。
在水车向前行走的过程中，CCD摄像机3开始实时拍摄被灌溉的植物，进行实时图像采集。采集的图像经数字化设备处理后一方面送到嵌入式单板机，通过预存的针对该作物的专用图像识别软件对采集到的作物实时图像进行识别处理；另一方面，通过无线以太网装置4将实时图像传送到作为远程监控、数据库中心以及系统调度管理中心的远程监控机7，并实时显示在监控主机屏幕上。专用图像识别软件对得到的当前植物图像信患，如叶面积的大小、叶片数量以及植物的色彩信息，通过与数据库中该作物当前的生长阶段以及生长状态进行查询比对和计算获得水和肥料(液态肥料)的最佳灌溉量，单板机中的处理软件把喷灌命令通过通信接口传给同样安装在喷灌控制箱中1的可编程序控制器，可编程序控制器接收到指令后通过它的输出端口发出指令给控制水车行走速度和启停的变频调速器2和用于控制微喷喷头开闭的电磁阀5，从而控制灌溉水车的行走速度以及喷灌量。具体的系统控制流程如图3所示。用于获取当前水车行走速度和行走距离的光电脉冲编码器8将采集到的脉冲数实时送给可编程序控制器中，软件根据采用的编码盘的直径大小以及所打的孔数计算出水车当前的行走速度和走过的距离；脉冲式流量计6提供了当前的喷灌量，在喷灌控制箱1上的数字显示装置和在远程监控机7的显示屏上实时显示当前灌溉水车的行走速度、行走距离、当前的喷灌量以及水车的运行状态(手动或自动)。用户可以十分方便的了解水车当前运行状态。
此外，由于灌溉水车行走的轨道有若干条，当水车运行到一条行走轨道9的末端时，限位行程开关就会给可编程序控制器一个脉冲命令，再与光电脉冲编码器8计算出来的行走距离进行比较。确认无误后可编程序控制器给换向机构发出命令，水车停止灌溉并自动转换到另一条轨道上。从而完成了对栽培作物的灌溉作业。

Claims (7)

1、基于计算机视觉的灌溉水车系统，包括一合包含数据库中心以及用以监控及实时显示信息的远程监控机；一个嵌入式单板机、可编程序控制器以及数显设备构成的灌溉控制箱；一个进行实时图像采集的CCD摄像机；一个控制水车行走速度和启停的变频调速器以及与变频调速器连接的继电器、电磁阀和执行机构；以及用于获取当前水车行走速度和行走距离的光电脉冲编码器和获取当前灌溉量的脉冲式流量计；进行实时无线通信的无线以太网装置；用于控制微喷喷头开关的电磁阀以及灌溉水车的行走轨道等组成。
2、根据权利要求1所述的基于计算机视觉的灌溉水车系统，其特征在于，它包括一数字显示装置，设置于该灌溉控制箱上的数字显示装置可以实时显示灌溉水车的行走速度、当前的喷灌量以及水车的运行状态(手动或自动)。
3、根据权利要求1所述的基于计算机视觉的灌溉水车系统，其特征在于，该变频调速器控制水车的行走速度、采集图像的速度以及灌溉量。
4、根据权利要求1所述的基于计算机视觉的灌溉水车系统，其特征在于，该CCD摄像机及其配套的广角镜头能够实时采集灌溉对象的图像，并通过数字化装置把图像在嵌入式单板机上实时保存以供识别软件实时处理并通过无线以太网通信在远程机上实时显示出来。
5、根据权利要求1所述的基于计算机视觉的灌溉水车系统，其特征在于，光电编码器和脉冲式流量计能够把采集到的脉冲实时送到可编程序控制器中，以获取当前的行走速度、行走距离和当前的流量并实时显示。
6、根据权利要求1所述的基于计算机视觉的灌溉水车系统，其特征在于，它包含一数据库，可以利用图像识别得到植物当前的生长状况，根据植物的生长阶段和生长状态，如叶面积大小、生长期的各个阶段、特殊生长期，并通过数据库查询当前的环境因子以及外界气候状况以共同确定灌溉量。
7、根据权利要求1所述的基于计算机视觉的灌溉水车系统，其特征在于，还包括一个转向机构，来控制水车的换向。
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