CN104351020B - 基于图像采集的农田自动灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像采集的农田自动灌溉系统，包括多个现场检测子系统和计算机控制子系统，每一个现场检测子系统设置在一个农田分区内，用于检测对应农田分区的作物干旱程度，所述计算机控制子系统与所述多个现场检测子系统无线连接，基于每一个现场检测子系统对应农田分区的作物干旱程度确定对应农田分区的灌溉流量。通过本发明，能够基于农田作物干旱程度的第一手数据确定每一块农田的预定灌溉水量，提高了农田自动灌溉系统的准确性。

Description

基于图像采集的农田自动灌溉系统

技术领域

本发明涉及农田水利领域，尤其涉及一种基于图像采集的农田自动灌溉系统。

背景技术

农田自动灌溉系统受到世界各地的普遍关注，随着农业就业人口的减少和水资源的匮乏，农田自动灌溉面临的良好的发展契机，达到减少劳动力和节水的目的。尤其是水资源严重短缺的农业国家，一般来说，农业用水占去了总用水量的大部分，最近各国的频发的大范围干旱，为人们节约用水敲响了警钟。因此高效的自动化控制灌溉技术不但能够有效的节水节能，同时也是农业现代化的标志。

然而现有的农田自动灌溉系统采用的灌溉模式有两种，一种是依靠农业水利管理人员的个人经验来控制灌溉，而凭经验控制灌溉不能根据土壤含水量及作物的需水量来科学地进行灌溉控制，势必会造成水资源的浪费，另一种是采用湿度传感器实时检测土壤含水量，根据土壤含水量来控制灌溉水量，而这种灌溉方式未依靠作物干旱程度的第一手数据实现控制，获得的灌溉水量必有误差，精度不高。

因此，需要一种新的农田自动灌溉系统，能够直接获取被灌溉对象即农作物的生长状况，从而分析出其干旱程度，基于获得的干旱程度确定对应农作物的灌溉水量，提高自动灌溉的准确性，在保证农作物得到合理灌溉的同时，达到节约水资源的目的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于图像采集的农田自动灌溉系统，引入图像采集设备和图像分析设备，对被灌溉的农作物进行拍摄，获得作物图像，根据干旱时作物偏白的状况，对作物图像中白像素进行统计，基于统计结果确定农作物的干旱程度，并引入无线通信模式和水量实时控制模式完成基于干旱程度控制灌溉的控制过程，控制方式更简单、直接、有效。

根据本发明的一方面，提供了一种基于图像采集的农田自动灌溉系统，所述系统包括多个现场检测子系统和计算机控制子系统，每一个现场检测子系统设置在一个农田分区内，用于检测对应农田分区的作物干旱程度，所述计算机控制子系统与所述多个现场检测子系统无线连接，基于每一个现场检测子系统对应农田分区的作物干旱程度确定对应农田分区的灌溉流量。

更具体地，在所述基于图像采集的农田自动灌溉系统中，每一个现场检测子系统还包括现场存储器，用于存储作物上限灰度阈值和作物下限灰度阈值，所述现场存储器还存储了干旱程度对照表，所述作物上限灰度阈值和所述作物下限灰度阈值用于将图像中的作物和背景分离，所述干旱程度对照表保存了白像素百分比和作物干旱程度的一一对应关系；图像采集器，设置在对应农田分区的上方，用于采集对应农田分区的农田图像；图像处理器，分别连接所述图像采集器和所述现场存储器，包括中值滤波单元、图像分割单元、图像二值化单元、统计单元和干旱程度确定单元，所述中值滤波单元与所述图像采集器连接，用于对所述农田图像进行中值滤波以输出滤波图像，所述图像分割单元与所述中值滤波单元和所述现场存储器分别连接，用于将所述滤波图像中灰度值在所述作物上限灰度阈值和所述作物下限灰度阈值之间的像素识别并组成作物子图像，所述图像二值化单元与所述图像分割单元连接，用于将所述作物子图像二值化以输出二值化作物图像，所述统计单元与所述图像二值化单元连接，用于统计所述二值化作物图像中灰度值为255的像素数量占据所述二值化作物图像总像素数量的白像素百分比，所述干旱程度确定单元与所述统计单元和所述现场存储器分别连接，用于基于所述统计单元输出的白像素百分比在所述干旱程度对照表中查找对应的作物干旱程度；电磁阀，设置在对应农田分区的灌溉水道中，基于接收到的电磁阀打开信号和电磁阀关闭信号分别控制所述灌溉水道的打开和关闭，以决定所述灌溉水道上方的灌溉水流是否能够进入所述灌溉水道；灌溉流量计，设置在对应农田分区的灌溉水道中，用于实时检测所述灌溉水道的已流入水量；现场无线通信接口，与所述计算机控制子系统的远程无线通信接口无线连接，还与所述图像处理器、所述电磁阀和所述灌溉流量计分别连接，用于无线发送所述对应的作物干旱程度和所述已流入水量，无线接收电磁阀打开信号和电磁阀关闭信号；所述计算机控制子系统还包括远程无线通信接口，与每一个现场检测子系统的现场无线通信接口无线连接，用于无线接收所述对应的作物干旱程度和所述已流入水量，无线发送电磁阀打开信号和电磁阀关闭信号；远程存储器，用于存储预设干旱程度阈值，还用于存储水量对照表，所述水量对照表保持了作物干旱程度和预定灌溉水量的一一对应关系；处理器，与所述远程无线通信接口和所述远程存储器分别连接，针对每一个现场检测子系统，当接收到的所述对应的作物干旱程度大于等于所述预设干旱程度阈值时，发出电磁阀打开信号，并基于所述对应的作物干旱程度在所述水量对照表中查找对应的预定灌溉水量，并在接收到的所述已流入水量与所述对应的预定灌溉水量匹配时，发出电磁阀关闭信号；显示器，与所述处理器连接，用于实时显示每一个现场检测子系统的所述对应的作物干旱程度和所述已流入水量，还基于电磁阀打开信号或电磁阀关闭信号实时显示每一个现场检测子系统的电磁阀的动态开关模拟图；其中，所述计算机控制子系统设置在当地农田水利管理部门的监控机房内，所述现场无线通信接口和所述远程无线通信接口的通信标准相同，都为GPRS通信接口、3G通信接口或4G通信接口中的一种，所述图像二值化单元输出的二值化作物图像中的像素灰度值为0或255，灰度值为0的像素为黑像素，灰度值为255的像素为白像素。

更具体地，在所述基于图像采集的农田自动灌溉系统中，所述显示器基于每一个现场检测子系统的所述对应的作物干旱程度，显示所有农田分区的干旱动态模拟图，所述显示器还基于每一个现场检测子系统的所述已流入水量，显示所有农田分区的灌溉水道动态模拟图。

更具体地，在所述基于图像采集的农田自动灌溉系统中，所述显示器为液晶显示器，其尺寸为19英寸5:4显示比例，其分辨率为1280×1024。

更具体地，在所述基于图像采集的农田自动灌溉系统中，每一个现场检测子系统还包括串行通信接口，与所述现场存储器连接，用于向所述现场存储器输入所述作物上限灰度阈值、所述作物下限灰度阈值和所述干旱程度对照表。

更具体地，在所述基于图像采集的农田自动灌溉系统中，所述计算机控制子系统还包括用户输入设备，与所述远程存储器连接，用于向所述远程存储器输入所述预设干旱程度阈值和所述水量对照表。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的基于图像采集的农田自动灌溉系统的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的基于图像采集的农田自动灌溉系统的现场检测子系统的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于图像采集的农田自动灌溉系统的实施方案进行详细说明。

农田水利，指的是发展灌溉排水，调节地区水情，改善农田水分状况，防治旱、涝、盐、碱灾害，以促进农业稳产高产的综合性科学技术。农田水利又称为灌溉和排水，即irrigationanddrainage，其涉及到水力学、土木工程学、农学、土壤学，以及水文、气象、水文地质及农业经济等学科。

农田水利的任务是，通过工程技术措施对农业水资源进行拦蓄、调控、分配和使用，并结合农业技术措施进行改土培肥，扩大土地利用，以达到农业高产稳产的目的。农田水利采取以农业增产为目的的水利工程措施，即通过兴建和运用各种水利工程措施，调节、改善农田水分状况和地区水利条件，提高抵御天灾的能力，促进生态环境的良性循环，使之有利于农作物的生产。农田水利的原理与实践，防治灌溉土地盐碱化、沼泽化和水土流失，研究水利土壤环境的改善，以及咸水、废污水的改造与利用等技术措施。农田水利与农业发展有密切的关系，农业生产的成败在很大程度上决定于农田水利事业的兴衰。

在实际运用中，最常见的是农田自动灌溉系统，当前的农田自动灌溉系统集中了电磁控制、流量检测等技术手段，根据管理人员个人经验或依靠农田土壤湿度检测，确定每一块农田的灌溉水量，虽然在一定程度上具有合理灌溉、有效节水的技术效果，但由于个人经验有限、土壤湿度检测非农作物一手数据，灌溉的精度不够高。

本发明的基于图像采集的农田自动灌溉系统，能够通过图像处理技术科学判断农作物的干旱程度，并通过无线通信技术实现控制数据的收发，实现分布式灌溉管理的同时，达到最佳的灌溉效果。

图1为根据本发明实施方案示出的基于图像采集的农田自动灌溉系统的结构方框图，所述系统将被监测的农田划分为多块农田分区，例如，将每亩地作为一个农田分区，所述系统包括n个现场检测子系统1和计算机控制子系统2，n为大于1的自然数，每一个现场检测子系统1设置在一个农田分区内，用于检测对应农田分区的作物干旱程度，所述计算机控制子系统2与所述n个现场检测子系统1无线连接，基于每一个现场检测子系统1对应农田分区的作物干旱程度确定对应农田分区的灌溉流量。

接着，对本发明的农田自动灌溉系统的结构进行更具体的说明。

如图2所示，在所述农田自动灌溉系统中，每一个现场检测子系统1包括现场存储器16，用于存储作物上限灰度阈值和作物下限灰度阈值，所述现场存储器16还存储了干旱程度对照表，所述作物上限灰度阈值和所述作物下限灰度阈值用于将图像中的作物和背景分离，所述干旱程度对照表保存了白像素百分比和作物干旱程度的一一对应关系。

每一个现场检测子系统1还包括图像采集器11，设置在对应农田分区的上方，用于采集对应农田分区的农田图像；图像处理器12，分别连接所述图像采集器11和所述现场存储器16，包括中值滤波单元、图像分割单元、图像二值化单元、统计单元和干旱程度确定单元，所述中值滤波单元与所述图像采集器11连接，用于对所述农田图像进行中值滤波以输出滤波图像，所述图像分割单元与所述中值滤波单元和所述现场存储器16分别连接，用于将所述滤波图像中灰度值在所述作物上限灰度阈值和所述作物下限灰度阈值之间的像素识别并组成作物子图像，所述图像二值化单元与所述图像分割单元连接，用于将所述作物子图像二值化以输出二值化作物图像，所述统计单元与所述图像二值化单元连接，用于统计所述二值化作物图像中灰度值为255的像素数量占据所述二值化作物图像总像素数量的白像素百分比，所述干旱程度确定单元与所述统计单元和所述现场存储器16分别连接，用于基于所述统计单元输出的白像素百分比在所述干旱程度对照表中查找对应的作物干旱程度。

每一个现场检测子系统1还包括电磁阀13，设置在对应农田分区的灌溉水道中，基于接收到的电磁阀打开信号和电磁阀关闭信号分别控制所述灌溉水道的打开和关闭，以决定所述灌溉水道上方的灌溉水流是否能够进入所述灌溉水道。

每一个现场检测子系统1还包括灌溉流量计14，设置在对应农田分区的灌溉水道中，用于实时检测所述灌溉水道的已流入水量。

每一个现场检测子系统1还包括现场无线通信接口15，与所述计算机控制子系统2的远程无线通信接口无线连接，还与所述图像处理器12、所述电磁阀13和所述灌溉流量计14分别连接，用于无线发送所述对应的作物干旱程度和所述已流入水量，无线接收电磁阀打开信号和电磁阀关闭信号。

所述计算机控制子系统2包括远程无线通信接口，与每一个现场检测子系统的现场无线通信接口15无线连接，用于无线接收所述对应的作物干旱程度和所述已流入水量，无线发送电磁阀打开信号和电磁阀关闭信号。

所述计算机控制子系统2还包括远程存储器，用于存储预设干旱程度阈值，还用于存储水量对照表，所述水量对照表保持了作物干旱程度和预定灌溉水量的一一对应关系。

所述计算机控制子系统2还包括处理器，与所述远程无线通信接口和所述远程存储器分别连接，针对每一个现场检测子系统1，当接收到的所述对应的作物干旱程度大于等于所述预设干旱程度阈值时，发出电磁阀打开信号，并基于所述对应的作物干旱程度在所述水量对照表中查找对应的预定灌溉水量，并在接收到的所述已流入水量与所述对应的预定灌溉水量匹配时，发出电磁阀关闭信号。

所述计算机控制子系统2还包括显示器，与所述处理器连接，用于实时显示每一个现场检测子系统1的所述对应的作物干旱程度和所述已流入水量，还基于电磁阀打开信号或电磁阀关闭信号实时显示每一个现场检测子系统1的电磁阀的动态开关模拟图。

其中，所述计算机控制子系统2设置在当地农田水利管理部门的监控机房内，所述现场无线通信接口15和所述远程无线通信接口的通信标准相同，都为GPRS通信接口、3G通信接口或4G通信接口中的一种，所述图像二值化单元输出的二值化作物图像中的像素灰度值为0或255，灰度值为0的像素为黑像素，灰度值为255的像素为白像素。

其中，在所述农田自动灌溉系统中，所述显示器基于每一个现场检测子系统1的所述对应的作物干旱程度，显示所有农田分区的干旱动态模拟图，所述显示器还基于每一个现场检测子系统1的所述已流入水量，显示所有农田分区的灌溉水道动态模拟图，所述显示器可选为液晶显示器，其尺寸为19英寸5:4显示比例，其分辨率为1280×1024，每一个现场检测子系统1还可以包括串行通信接口，与所述现场存储器16连接，用于向所述现场存储器16输入所述作物上限灰度阈值、所述作物下限灰度阈值和所述干旱程度对照表，所述计算机控制子系统2还可以包括用户输入设备，与所述远程存储器连接，用于向所述远程存储器输入所述预设干旱程度阈值和所述水量对照表。

另外，农田水利的主要作用是灌溉和排水，兼及中小型河道整治，塘坝水库及圩垸建设，低产田水利土壤改良，农田水土保持、土地整治以及农牧供水等。由于各农业地区的自然条件和生产方式千差万别，需要进行农业水利区划和相应的灌排系统规划。农田水利还包括一些具有明显地区特征的类型，如中国的黄淮海平原旱涝碱综合治理、盐碱地改良、圩区水利、牧区水利和垦荒水利等。在干旱、半干旱地区，灌溉是主要的。

灌溉，指的是用人工设施将水输送到农业土地上，补充土壤水分，改善作物生长发育条件称为灌溉。在特定情况下，灌溉还可减少霜冻危害，改善土壤耕作性能，稀释土壤盐分，改善田间小气候。根据灌溉水源和灌溉水质的不同，可分为地表水灌溉、地下水灌溉、地表水地下水联合运用，以及污水灌溉、咸水灌溉、肥水灌溉、引洪淤灌等。根据灌水技术，可分为地面灌溉、地下灌溉、喷灌、微灌(包括滴灌、微喷灌等)、局部灌溉和节水灌溉等。为实现科学用水，应根据作物需水量和需水时间、有效降雨量、土壤水状况以及水文情况，选定灌溉保证率，制定灌溉制度。

另外，电磁阀，即Electromagneticvalve，是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

采用本发明的基于图像采集的农田自动灌溉系统，针对现有灌溉系统过于依赖人工经验或依靠土壤湿度的非直接数据导致的灌溉水量控制精度不高的技术问题，引入图像采集和处理技术直接获取被灌溉作物的干旱程度，基于干旱程度查找对应的灌溉水量，同时通过无线数据传输技术实现现场数据的有效收发，从而在有效节水的同时，提高灌溉控制的准确性。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种基于图像采集的农田自动灌溉系统，其特征在于，所述系统包括多个现场检测子系统和计算机控制子系统，每一个现场检测子系统设置在一个农田分区内，用于检测对应农田分区的作物干旱程度，所述计算机控制子系统与所述多个现场检测子系统无线连接，基于每一个现场检测子系统对应农田分区的作物干旱程度确定对应农田分区的灌溉流量；

每一个现场检测子系统还包括

现场存储器，用于存储作物上限灰度阈值和作物下限灰度阈值，所述现场存储器还存储了干旱程度对照表，所述作物上限灰度阈值和所述作物下限灰度阈值用于将图像中的作物和背景分离，所述干旱程度对照表保存了白像素百分比和作物干旱程度的一一对应关系；

图像采集器，设置在对应农田分区的上方，用于采集对应农田分区的农田图像；

图像处理器，分别连接所述图像采集器和所述现场存储器，包括中值滤波单元、图像分割单元、图像二值化单元、统计单元和干旱程度确定单元，所述中值滤波单元与所述图像采集器连接，用于对所述农田图像进行中值滤波以输出滤波图像，所述图像分割单元与所述中值滤波单元和所述现场存储器分别连接，用于将所述滤波图像中灰度值在所述作物上限灰度阈值和所述作物下限灰度阈值之间的像素识别并组成作物子图像，所述图像二值化单元与所述图像分割单元连接，用于将所述作物子图像二值化以输出二值化作物图像，所述统计单元与所述图像二值化单元连接，用于统计所述二值化作物图像中灰度值为255的像素数量占据所述二值化作物图像总像素数量的白像素百分比，所述干旱程度确定单元与所述统计单元和所述现场存储器分别连接，用于基于所述统计单元输出的白像素百分比在所述干旱程度对照表中查找对应的作物干旱程度；

电磁阀，设置在对应农田分区的灌溉水道中，基于接收到的电磁阀打开信号和电磁阀关闭信号分别控制所述灌溉水道的打开和关闭，以决定所述灌溉水道上方的灌溉水流是否能够进入所述灌溉水道；

灌溉流量计，设置在对应农田分区的灌溉水道中，用于实时检测所述灌溉水道的已流入水量；

现场无线通信接口，与所述计算机控制子系统的远程无线通信接口无线连接，还与所述图像处理器、所述电磁阀和所述灌溉流量计分别连接，用于无线发送所述对应的作物干旱程度和所述已流入水量，无线接收电磁阀打开信号和电磁阀关闭信号；

所述计算机控制子系统还包括

远程无线通信接口，与每一个现场检测子系统的现场无线通信接口无线连接，用于无线接收所述对应的作物干旱程度和所述已流入水量，无线发送电磁阀打开信号和电磁阀关闭信号；

远程存储器，用于存储预设干旱程度阈值，还用于存储水量对照表，所述水量对照表保持了作物干旱程度和预定灌溉水量的一一对应关系；

处理器，与所述远程无线通信接口和所述远程存储器分别连接，针对每一个现场检测子系统，当接收到的所述对应的作物干旱程度大于等于所述预设干旱程度阈值时，发出电磁阀打开信号，并基于所述对应的作物干旱程度在所述水量对照表中查找对应的预定灌溉水量，并在接收到的所述已流入水量与所述对应的预定灌溉水量匹配时，发出电磁阀关闭信号；

显示器，与所述处理器连接，用于实时显示每一个现场检测子系统的所述对应的作物干旱程度和所述已流入水量，还基于电磁阀打开信号或电磁阀关闭信号实时显示每一个现场检测子系统的电磁阀的动态开关模拟图；

其中，所述计算机控制子系统设置在当地农田水利管理部门的监控机房内，所述现场无线通信接口和所述远程无线通信接口的通信标准相同，都为GPRS通信接口、3G通信接口或4G通信接口中的一种，所述图像二值化单元输出的二值化作物图像中的像素灰度值为0或255，灰度值为0的像素为黑像素，灰度值为255的像素为白像素。