CN101145033A - 农药自动对靶喷雾系统构件化与模块化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种农药自动对靶喷雾系统立足高端的模块化和构件化创新设计方法，把农药自动对靶喷雾系统按功能划分成三个主要的模块，即信息采集模块、信息处理模块和智能喷雾模块，软件系统设计出通用构件和专用构件，而不同的模块和构件之间通过合理的软硬件接口设计采用定义的标准接口来达到不同构件及模块之间的数据通讯目的。其中硬件系统按照作业功能范围，分别设计信息采集模块、信息处理模块和智能喷雾模块等不同的软件与硬件模块，对不同施药对象和工作条件，只要局部修改嵌入式程序的部分内容，或者更换硬件模块即可，保证系统的柔性化设计和提高系统的适应能力；根据硬件模块化需求和软件复用理念设计通用构件和专用构件，实现对不同施药对象和工作条件，只要修改部分专用构件就可以快速调整整个系统的功能。

Description

农药自动对靶喷雾系统构件化与模块化设计方法

技术领域

本发明涉及一种农药自动对靶喷雾系统的构件化设计方法，注重农药对靶喷雾系统的柔性化设计、提高开发速度和降低开发成本，促进农药自动对靶喷雾系统的推广应用。

背景技术

昆虫在地球上出现距今已经3亿5千万年，而人类的出现只有1百多万年！在地球上，约有10,000多种昆虫、1,800多种杂草、1,500多种植物病害、1,500多种植物病毒以及啮齿动物与人类争夺生存机会。因此诺贝尔和平奖得主N.E.Borlaug预言：“我们要优先考虑的是吃并保持健康，为此必须要有农药。没有农药，全世界将挨饿！”美国总统曾组织一批专家，讨论化学防治前途，以及是否可用其他非化学防治方法来替代，其结论是：“在可预见的将来，要实行害虫综合治理，仍须使用化学防治法，化学杀虫依然是害虫种群管理上现有的、最有力的及最可靠的武器，其它任何方法都不能像它这样容易操作，这样迅速地对猖獗的害虫种群立即有效地加以控制”。

但是传统农药施用是根据全田块发生病虫草害总体情况，采用全面喷洒过量的农药来保证目标区域接受足够的农药量。而由于农林病虫害的种类、危害程度、土壤状况、有机物比例、喷雾目标个体特征、所使用机具和施药量等的变化和不均匀性(如行道树的缺株现象和个体大小区别)，显然全面均匀施药会造成药害或漏喷，难以达到最大的喷雾效率，并且带来一系列不可忽略的问题，如显著增加农药使用成本乃至农林生产成本、操作者在施药过程和收获时易受药害、农林产品的农药残留量超标等等，还会导致环境污染、破坏生态平衡和加大防治目标害物抗药性、增加人畜农药中毒等弊端。因此国内外于近年来开展农药精确使用技术研究。

而目前农药精确使用研究开发，普遍针对某种特定的应用对象或使用机具，基本上采用整体设计思路设计农药精确施用系统，缺少柔性，一旦改变应用对象和使用环境，将费时费力，甚至无法实现，而需要重新进行全面设计，系统开发成本高和和开发周期长。

因此，本发明的目的是提供一种构件化与模块化的农药自动对靶喷雾系统及其软硬件接口设计方法，提高其软件系统的复用水平和降低硬件的替换难度。

发明内容

本发明提供一种农药自动对靶喷雾系统立足高端的构件化和模块化创新设计思路，把农药自动对靶喷雾系统按功能划分成三个主要的模块，即信息采集模块、信息处理模块和智能喷雾模块，软件系统设计初通用构件和专用构件，而不同的模块和构件之间通过合理的软硬件接口设计采用定义的标准接口来达到不同构件及模块之间的数据通讯目的。

本发明提供一种农药自动对靶喷雾系统硬件系统的模块化设计方法，按照作业功能范围，分别设计信息采集模块、信息处理模块和智能喷雾模块等不同的软件与硬件模块，对不同施药对象和工作条件，只要局部修改嵌入式程序的部分内容，或者更换硬件模块即可，保证系统的柔性化设计和提高系统的适应能力。信息采集模块是将对农药喷雾靶标的信息通过数据采集的方式传入计算机中进行处理和保存。信息处理模块将采集到的图像等数据信息进行后期加工处理。在对树木进行对靶施药时，首先要将树木特征图像同背景图像进行分离，通过相应的算法得到树木的特征值，其中包括树木高度、宽度、离喷头的距离等。在系统中因为是对图像进行实时处理，所以对图像采集后处理的算法要求比较高。在对靶喷雾装置上，对车辆行驶的车速和风速等信息通过传感器进行获取和计算，这样就能更好地分析出喷雾参数要求，以做到准确的对靶喷雾效果。智能喷雾模块将系统处理后的信息进行汇总和筛选，提取需要的信息，形成控制决策。对树木形状、喷雾目标和喷头的距离等做出判断，进行智能变量喷雾。在此软件系统应嵌入下位机，即喷雾控制装置预留通信控制接口，以方便系统通过指令的方式进行施药控制。

本发明提供一种农药自动对靶喷雾系统软件系统的构件化设计方法，根据硬件模块化需求和软件复用理念设计通用和专用构件，实现对不同施药对象和工作条件，只要修改部分专用构件就可快速调整整个系统的功能。通用构件包括植保机械及其工作部件构件、农药品种和剂型构件、农药使用方法构件等农药喷雾共性的构件，专用构件包括喷雾目标图像采集和处理构件、喷雾控制执行构件、气象和喷雾机工况实时传感数据采集构件、农药喷雾决策生成构件等。

本发明提供一种农药自动对靶喷雾系统的软件与硬件系统的接口设计方法。在系统中，图像采集模块通过定义的视频库文件中的方法，即接口函数来进行模块与硬件系统之间的通讯。根据不同的采集方式和硬件的组合，选择通用的视频采集库或者特定视频硬件的图像采集函数接口来实现硬件采集和软件系统的通信；在下位机上采用通用串口的控制函数来完成软件系统与下位机之间的指令通讯。

本发明提供一种农药自动对靶喷雾系统的框架设计方法。从总体到局部层层细化逐步施行的方法，将系统的总体框架分别拆分成不同的系统模块加以实施，从软件和硬件的角度来进行需求分析和设计，将系统中每一个需要实现的功能进行划分和实现，对重用的系统组件进行单独开发和实现，以降低开发周期和提高开发效率，预留系统接口方便今后系统的升级和扩充。

附图说明

通过下面的详细说明和附图可以更好地理解本发明，附图只是用于说明性目的，并不限制本发明的范围，其中：

图1是表示根据本发明的农药自动对靶喷雾系统的总体设计图。

图2是表示根据本发明的硬件系统设计的总体框图。

图3是表示根据本发明的软件系统构件化设计方法流程图。

图1表示根据本发明的农药自动对靶喷雾系统总体设计图，该总体设计图将系统的软硬件进行划分，不同的构件和模块部分通过预定义的系统接口进行相互通信，将软件和硬件不同模块不同构件有机的结合起来，做到模块和构件之间的无缝结合，系统总体的设计上，充分体现了系统的灵活性和完整性，对部分可扩展的模块和构件预留接口，使系统应用可以得到进一步的推广和扩充。

图2表示根据本发明的硬件系统设计的总体框图，该总体框图包括：(1)用来进行数据图像采样的信息采集装置，该装置对数据进行预先的量化工作，将模拟的采样数据转换成数字图像进行输入。(2)信息处理装置是将采集后的图像或其它信息进行后期的量化过滤等处理工作，将目标信息进行提取得到其特征值后进行输出。(3)智能喷雾装置是根据数据处理后得到的结果进行智能喷雾施药，对目标进行最终的处理。

图3表示根据本发明的软件系统构件化设计方法流程图，在系统中按照不同的模块进行构件划分，将划分后的构件按照通用构件和专用构件进行进一步的细化，把属于特定系统中的特定功能的部分归为专用模块，可在其它系统上进行扩充使用的软件部分归为通用模块，在模块与模块之间预定义通信接口，所有模块之间的通信都采用调用接口的方式进行，这样就能使程序方便实现代码复用，方便开发人员做开发和后期的维护。

具体实施方式

在系统中采用软件操控硬件的方式进行智能控制，为了实现上述目的，使系统的设计更具合理性和实用性，软件系统的设计工作就显得非常重要，因此根据软件工程的要求以软件模块化设计的方式来完成系统的设计和搭建是最理想的途径，本发明的模块设计方法中的软件系统包括以下程序：喷雾目标采集程序、目标图像处理程序、喷雾决策支持程序(处方图生成程序)、喷雾控制策略生成程序。

为了实现硬件系统模块化和集成度高的目的，将硬件系统按照不同的功能进行划分，本发明设计方法中的硬件系统包括以下模块：信息采集装置、信息处理装置和智能喷雾装置。在信息采集装置中，通过采用高精度的CCD摄像头来完成运动物体的捕获，这里的运动物体一般为喷雾施药目标树木，采集的信息进过数据信号线与计算机相连将采集信息进行传送，在装置中还包括传感器等数据采样设备。信息处理装置采用计算机或集成度较高的数字信号处理设备来完成，将采集后的数据进行再加工，得到结果后输出，通过与串口相连的数据线给下位机发送控制信号。智能喷雾装置接收上位机输出的控制信号，捕获信号后根据指令实施智能对靶喷雾。

系统构件化和模块化的设计方法是整个喷雾系统的总体设计的具体实施过程，是对设计框架图的完善和补充，对系统当前的应用和将来的扩展都有很大的帮助，能使系统在所设计的总体框架中进行扩充，使其应用更加广泛。

为了实现软件系统的构件化设计思想，使其应用在特定的精确林业领域，就需要将系统建立在该领域的特定的应用范畴中，分模块地设计和实施，在构件中划分出通用构件和专用构件，在构件中已实现的接口和预留的接口为系统的升级和推广应用做好准备。

Claims (6)

1.一种农药自动对靶喷雾系统构件化与模块化设计方法，其特征是：

将农药自动对靶喷雾系统硬件和软件系统进行划分，硬件系统按照功能不同的分为三个各自独立的模块，软件系统和硬件系统相对应分为控制硬件的三个独立的构件；硬件模块之间通过标准接口进行通讯，软硬件系统之间通过软硬件接口进行交互，软件构件之间通过预定义的接口进行通讯。

2.如权利要求1所述的系统设计方法，其特征在于，

将硬件在系统总体设计的框架下按照功能的不同进行模块化细分，主要分为：信息采集模块、信息处理模块、智能喷雾模块。

3.如权利要求1所述的系统设计方法，其特征在于，

将软件在系统总体设计的框架下按照功能的不同进行的构件化设计，主要分为：图像采集模块、图像处理模块、控制执行模块

4.如权利要求1所述的系统设计方法，其特征在于，

硬件系统模块之间的接口，信息采集模块与信息处理模块之间通过标准的USB或1394接口进行数据的交互，信息处理模块与智能喷雾模块之间通过串口进行数据交互；软件系统模块之间的接口，图像采集模块与图像处理模块之间通过预定义类CCapture和CDibImage中的封装函数来完成交互通讯，图像处理模块与控制执行模块之间通过预定义类CMSComm中封装函数来完成交互通讯；软硬件之间通讯通过系统提供的底层接口函数和ActiveX控件来完成系统之间的数据交互和控制。

5.如权利要求2所述的硬件模块化设计方法，其特征在于，

信息采集模块以CCD视频设备为主，是用以实时采集获取外部信息的数据装置，将采集的数据信息通过接口传送，交由后续模块进行处理。

信息处理模块用计算机来进行控制，它是硬件系统的核心，用以协调信息采集模块和智能喷雾模块的工作，同时完成数据图像信息的后期处理工作。

智能喷雾模块采用喷雾设备，它是硬件系统的最终执行部分，用以将收到的施药命令进行捕获确认施药内容，同时综合施药信息进行判断进行有选择的有目的的施药喷雾。

6.如权利要求3所述的软件构件化设计方法，其特征在于，

图像采集模块，用以和硬件系统的信息采集模块相连对其进行控制，主要通过视频设备捕获树木图像信息进行保存。

图像处理模块，用以处理采集后得到的图像信息，将信息进行计算过滤干扰信息和提取树木信息，其中包括视野、深度等。

控制执行模块，用以接收图像处理模块的信息，根据信息形成智能喷雾决策，同时控制喷雾装置进行农药的实施。