林業(yè)工程中的智能對(duì)靶噴霧機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：該文針對(duì)林業(yè)工程中的森林病蟲害防治工作方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，將林業(yè)噴霧機(jī)設(shè)計(jì)成智能設(shè)備，并通過模塊劃分的方式來實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能對(duì)靶噴霧機(jī)的軟件控制部分，最終形成一個(gè)林業(yè)智能病蟲害防治體系，為控制農(nóng)藥施藥量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境和改善操作人員的工作環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：林業(yè)工程 智能對(duì)靶噴霧 軟件系統(tǒng) 模塊構(gòu)件

中圖分類號(hào)：S491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0070-03

Abstract：The forest insect pest prevention methods for forestry project in this paper，combined with the application of computer science and technology，forestry sprayer into intelligent equipment， and through module partition way to realize the intelligent part of the software control the target sprayer，eventually forming a smart forestry pest control system，to control the pesticide dosage，protect the ecological environment and improve working conditions for operators to provide scientific basis and technical support.

Key Words：Forestry Engineering；Intelligent Target Sprayer；Software System；Module Component

1 森林病蟲害防治工作的情況

目前我國(guó)國(guó)內(nèi)的森林病蟲害情況依然非常嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大面積的農(nóng)藥施藥工作，在農(nóng)藥的使用上仍然局限在手工噴灑農(nóng)藥的操作上，特別是在偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)，由于經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，導(dǎo)致先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用和推廣還較為滯后。針對(duì)這一問題可以通過科學(xué)技術(shù)方法來彌補(bǔ)傳統(tǒng)農(nóng)藥施藥方面的欠缺，以提高農(nóng)藥使用效率，達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。

為了更好地提高森林病蟲害防治效率，減少農(nóng)藥對(duì)人體的傷害，因此設(shè)計(jì)了智能對(duì)靶噴霧機(jī)軟件系統(tǒng)，使其能很好地在智能林業(yè)工程領(lǐng)域，為科技在林業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供強(qiáng)有力的科學(xué)支持。

2 智能對(duì)靶噴霧機(jī)軟件系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

在整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要達(dá)到的目的是減少軟件系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，提高軟件的可靠性，并且便于后期整個(gè)系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)，因此在設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中采用軟件復(fù)用技術(shù)方式進(jìn)行集成開發(fā)。通過功能的劃分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，先定義好需要預(yù)留的接口，接口之間可以互相通信完成數(shù)據(jù)的交換與傳輸，這樣可以做到軟件系統(tǒng)構(gòu)件化設(shè)計(jì)的要求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中定義了三個(gè)主要構(gòu)件，即數(shù)據(jù)獲取構(gòu)件、數(shù)據(jù)處理構(gòu)件和控制執(zhí)行構(gòu)件，構(gòu)件與構(gòu)件之間通過定義的標(biāo)準(zhǔn)接口。圖1為整個(gè)系統(tǒng)的軟件構(gòu)件框架，其特點(diǎn)是每個(gè)模塊和構(gòu)件之間功能相互獨(dú)立，模塊和構(gòu)件之間的通訊和信息交互不受系統(tǒng)外界的影響，其表現(xiàn)為低耦合和高內(nèi)聚的特性。

數(shù)據(jù)獲取構(gòu)件的功能是針對(duì)施藥目標(biāo)的樹木靶標(biāo)等信息通過二進(jìn)制信息采集的方式輸入電腦中保存，在信息數(shù)據(jù)采集過程中采用不同的方式，使得后期輸出的內(nèi)容也不同。在信息采集選擇視野上一般采用單目電荷耦合圖像采集器（CCD）作為信息輸入端。如果要想得到更多信息數(shù)據(jù)，單目數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)不能達(dá)到信息獲取的要求，在此需要將雙目視覺技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)中。采用雙目視覺技術(shù)能使采集目標(biāo)物體的深度信息得到獲取，并且可以彌補(bǔ)視野范圍不足的缺陷，應(yīng)用這個(gè)技術(shù)可以使精確對(duì)靶技術(shù)有進(jìn)一步的提升。構(gòu)件示意圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理構(gòu)件的功能是將獲得到的數(shù)據(jù)信息完成處理加工的過程，其在整個(gè)系統(tǒng)中處于中間環(huán)節(jié)。在對(duì)施藥目標(biāo)進(jìn)行對(duì)靶噴霧時(shí)，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)圖像以256色進(jìn)行存儲(chǔ)，之后將影響信息處理的多余噪聲去除，并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的分割處理，使得施藥目標(biāo)圖像與背景圖像能夠分離，采用合理的算法得到施藥目標(biāo)的特征值。在施藥目標(biāo)中，一般選擇樹木作為施藥對(duì)象，因此樹木的特征信息等相關(guān)數(shù)值是數(shù)據(jù)計(jì)算所要獲取的內(nèi)容。在系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理計(jì)算的過程中，對(duì)算法要求比較高?，F(xiàn)在多采用實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的相對(duì)色彩因子的樹木圖像分割算法，其在光照充足的條件下能有效地辨別施藥目標(biāo)樹木，高效地將施藥目標(biāo)與背景分離，以達(dá)到精確對(duì)靶施藥的效果。構(gòu)件示意圖如圖3所示。

控制執(zhí)行構(gòu)件的功能是將軟件處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和應(yīng)用，獲得想要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制決策。對(duì)樹木的特性與特征等數(shù)據(jù)信息做出辨別，實(shí)現(xiàn)智能變量噴霧操作。因此整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)裝在下位機(jī)中，施藥噴霧控制裝置設(shè)置通信控制接口，提供控制指令完成智能施藥的過程。構(gòu)件的示意圖如圖4所示。

整個(gè)系統(tǒng)的每個(gè)構(gòu)件都相對(duì)獨(dú)立，在開發(fā)時(shí)設(shè)計(jì)預(yù)留了相應(yīng)的通信接口，為模塊之間的數(shù)據(jù)交流建立了通訊通道，也為系統(tǒng)后期的擴(kuò)展做了準(zhǔn)備工作，這樣使得系統(tǒng)的可擴(kuò)展性大大增加，為智能對(duì)靶噴霧系統(tǒng)的研發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

3 智能對(duì)靶噴霧軟件系統(tǒng)開發(fā)

3.1 智能噴霧軟件系統(tǒng)的集成思路

在可復(fù)用構(gòu)件的基礎(chǔ)上，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程成為了軟件的開發(fā)加集成的過程。根據(jù)系統(tǒng)的需求和功能的不同，在開發(fā)過程中需要選擇不同的構(gòu)件模塊來完成集成組裝和定制工作，最終達(dá)到系統(tǒng)軟件靈活性和通用性的目的。

整個(gè)軟件系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)由三個(gè)部分來完成：（1）功能集成是系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)由不同模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能，在組裝成一個(gè)完整的系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)構(gòu)件的選擇實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能；（2）界面集成是在系統(tǒng)集成時(shí)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的需求分析結(jié)果定制自己的系統(tǒng)界面，將用戶所定制的界面集成到應(yīng)用系統(tǒng)中；（3）新構(gòu)件的開發(fā)是在整個(gè)系統(tǒng)需要功能擴(kuò)展時(shí)，當(dāng)前構(gòu)件庫中的構(gòu)件不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，就需要有新功能構(gòu)件進(jìn)行研發(fā)，來滿足系統(tǒng)功能擴(kuò)充的需要。

整個(gè)系統(tǒng)采用多樣化的構(gòu)件形式，設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)件的表現(xiàn)形式為：可執(zhí)行文件、ActiveX控件和DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫中的任意一種，這樣可以提高系統(tǒng)的集成度。為了保證整個(gè)智能系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中通過構(gòu)件中封裝接口形式來滿足系統(tǒng)的需要。

系統(tǒng)軟件運(yùn)行時(shí)消耗的系統(tǒng)資源根據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)的不同而有所變化。為了提高系統(tǒng)的跨平臺(tái)應(yīng)用能力，最大限度的滿足智能噴霧的實(shí)時(shí)性要求，在提升硬件設(shè)備的前提條件下，還要使智能噴霧軟件系統(tǒng)具有跨平臺(tái)的能力，以達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。所以在構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)要考慮構(gòu)件的跨平臺(tái)應(yīng)用能力，保證在異構(gòu)環(huán)境下有良好的互操作性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行與操作系統(tǒng)平臺(tái)無關(guān)。

3.2 基于構(gòu)件的智能對(duì)靶噴霧軟件系統(tǒng)開發(fā)流程

將軟件科學(xué)中構(gòu)件技術(shù)應(yīng)用在智能對(duì)靶噴霧系統(tǒng)上，用構(gòu)件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的開發(fā)，并用構(gòu)件技術(shù)設(shè)計(jì)方法對(duì)構(gòu)件庫進(jìn)行補(bǔ)充，完成需求分析到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的全過程，其流程圖如圖5所示。

在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，構(gòu)件開發(fā)主要在領(lǐng)域工程中完成。根據(jù)系統(tǒng)的領(lǐng)域分析進(jìn)行構(gòu)件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，形成智能噴霧系統(tǒng)的領(lǐng)域構(gòu)件，使構(gòu)件庫能統(tǒng)一管理和調(diào)用。構(gòu)件的開發(fā)可通過基于構(gòu)件的應(yīng)用軟件開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)。

在整個(gè)智能系統(tǒng)中應(yīng)用模式循環(huán)開發(fā)需要依靠軟件開發(fā)環(huán)境和復(fù)用構(gòu)件庫來實(shí)現(xiàn)開發(fā)過程。在開發(fā)環(huán)境中通過標(biāo)識(shí)、驗(yàn)證和分類過程形成可復(fù)用的構(gòu)件，將構(gòu)件保存于復(fù)用構(gòu)件庫中。在系統(tǒng)開發(fā)過程中需要相應(yīng)的構(gòu)件時(shí)，則開發(fā)者可從復(fù)用構(gòu)件庫中進(jìn)行檢索集成組合，實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)構(gòu)件復(fù)用全過程。

基于構(gòu)件技術(shù)的智能對(duì)靶噴霧軟件系統(tǒng)在開發(fā)應(yīng)用時(shí)的前提條件是要能找到符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，同時(shí)去除設(shè)計(jì)上不相匹配的因素和環(huán)節(jié)，對(duì)所選軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行集成，最終完成可升級(jí)的構(gòu)件，該構(gòu)件通用于智能對(duì)靶噴霧領(lǐng)域中的各個(gè)不同分系統(tǒng)中。通過該應(yīng)用方式可使得智能對(duì)靶噴霧系統(tǒng)開發(fā)更容易實(shí)現(xiàn)。

3.3 與傳統(tǒng)軟件開發(fā)方法對(duì)比

如果假定用戶原型是用戶原始需求，而最后實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)為用戶的應(yīng)用程序，則基于構(gòu)件化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的對(duì)比如圖6和圖7所示。

從對(duì)比中可以看出，整個(gè)智能系統(tǒng)的開發(fā)采用構(gòu)件技術(shù)，同時(shí)研發(fā)中按照科學(xué)的規(guī)范開展工作，如果要在特定的領(lǐng)域內(nèi)完成研發(fā)的內(nèi)容，那么系統(tǒng)在完成之初，需要完成在特定的領(lǐng)域范圍內(nèi)分析工作，整個(gè)過程反映在執(zhí)行框圖上是智能對(duì)靶噴霧領(lǐng)域內(nèi)的分析過程。依據(jù)整個(gè)領(lǐng)域內(nèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要求對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與劃分，其中包括有三個(gè)重要部分，即領(lǐng)域分析、領(lǐng)域設(shè)計(jì)和領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)。領(lǐng)域分析的目的是實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能系統(tǒng)內(nèi)的功能性要求的設(shè)計(jì)與研發(fā)；領(lǐng)域設(shè)計(jì)則是軟件所要實(shí)現(xiàn)功能要完成的軟件劃分標(biāo)準(zhǔn)，可就是在研發(fā)中的軟件體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案等；領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)是對(duì)具體代碼實(shí)現(xiàn)的步驟和過程，其主要是依據(jù)軟件整體思路來完成，整個(gè)設(shè)計(jì)、研發(fā)和實(shí)現(xiàn)過程需要完全符合領(lǐng)域工程內(nèi)的要求。將這種技術(shù)應(yīng)用在智能對(duì)靶噴霧領(lǐng)域中，可以高效地搭建出系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效應(yīng)用和推廣。而傳統(tǒng)的開發(fā)模式則缺少很多的細(xì)節(jié)，并且沒有一套完整的體系保證軟件開發(fā)的質(zhì)量和后期的維護(hù)，使軟件使用成本得不到控制，因此科學(xué)化開發(fā)和管理軟件是智能對(duì)靶噴霧系統(tǒng)的主要核心內(nèi)容。

4 結(jié)語

該文針對(duì)智能對(duì)靶噴霧軟件系統(tǒng)提出了以軟件工程技術(shù)為思路的，結(jié)合軟件復(fù)用技術(shù)的模塊化與構(gòu)件化設(shè)計(jì)思想的智能軟件系統(tǒng)，為農(nóng)藥使用技術(shù)中的智能系統(tǒng)的開發(fā)做了鋪墊工作，為后續(xù)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，達(dá)到高效利用農(nóng)藥、合理有效控制森林病蟲害發(fā)生和保護(hù)人身安全的目的。

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