基于壓縮傳感技術的溫室監(jiān)控

摘 要： 通過將壓縮傳感技術運用于溫室智能監(jiān)控中，對現(xiàn)代溫室的相應環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行分析。研究了基于壓縮傳感理論的溫室環(huán)境信息獲取與傳輸方法，采用壓縮傳感技術對采集的數(shù)據(jù)進行壓縮與重構，利用正交匹配追蹤算法和基追蹤法對實驗進行仿真和重構。通過對在信號處理中的峰值信噪比進行比較，可以得出壓縮傳感技術的圖像重構信號失真較少。

關鍵詞： 溫室監(jiān)控； 小波變換； 壓縮傳感； 信號重構

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0047?02

Abstract： The compressed sensing technology is used in the greenhouse intelligent monitoring to analyze the corresponding environmental monitoring system of modern greenhouse. The greenhouse environment information acquisition and transmission methods based on compressed sensing theory are studied. The compressed sensing technology is used to compress and reconstruct the acquired data. The orthogonal matching pursuit algorithm and basis tracking algorithm are used to simulate and reconstruct the experiment. The image reconstruction signal of the proposed compressed sensing technology has low distortion by comparing with the peak signal?to?noise ratio in the signal processing.

Keywords： greenhouse monitoring； wavelet transform； compressed sensing； signal reconstruction

0 引 言

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)是基于壓縮傳感技術將監(jiān)控圖像進行壓縮、傳輸和重構，實現(xiàn)智能化、無人化的對溫室進行監(jiān)控。

目前，我國溫室智能管理技術的研究仍處于初級階段，并沒有可以真正用于指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應用智能控制系統(tǒng)。因此，需要對溫室智能管理技術進行深入研究，開發(fā)適合我國具體國情的高效、穩(wěn)定、低價的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。其中，國外斯坦福大學的教授Emmanuel Candes對壓縮傳感技術做了大量研究及應用[1?4]。采用壓縮傳感技術對采集數(shù)據(jù)進行信號壓縮與信號重構，將壓縮的數(shù)據(jù)進行傳輸，并以Matlab為平臺進行仿真[5?6]。

1 算 法

壓縮傳感[7]是一個新的數(shù)據(jù)采集理論，利用稀疏或壓縮獲得信號，利用非適應采樣技術以遠低于奈奎斯特頻率進行采樣，將可壓縮信號中的信息壓縮成少量的數(shù)據(jù)。壓縮傳感理論大致包含三個方面：信號的稀疏表現(xiàn)，編碼測量，重構算法。在壓縮傳感理論中，信號重構是壓縮傳感理論的核心，指由[M]次觀測向量[y]重構長度為[NM?N]的稀疏信號[x]的過程，可以通過求解最小[l0]范數(shù)[8]問題來解決。

2 正交匹配追蹤算法

在壓縮傳感理論中，用經(jīng)典基追蹤算法可以有效地加快算法的運算速度，也可以由此進一步擴展壓縮傳感理論的應用范圍。

3 仿真結果與分析

目前，大多數(shù)溫室控制系統(tǒng)均采用工控系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)上述功能，但價格昂貴，難以滿足設施農(nóng)業(yè)對低成本的要求，加之采用集中式管理，其可靠性和穩(wěn)定性不能得到很好的保證[11]。另一種方案是采用溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用計算機技術和網(wǎng)絡通信技術，避免了工作人員需親臨現(xiàn)場操作的麻煩，但同樣在一定程度上增加了系統(tǒng)的成本，其實時性和可靠性也難以得到保證[12?13]。

3.1 利用小波進行圖像壓縮

本實驗選擇智能溫室監(jiān)控設備標準的二維彩色圖像進行實驗，圖像尺寸為256×256，即[N=256，]仿真實驗時，首先對彩色圖像實施灰度處理見圖1，之后實施正交匹配追蹤算法下的小波壓縮，再將灰度圖像恢復成彩色圖像，利用小波變換對彩色圖像進行壓縮處理，見圖2。

由仿真結果可知，運用OMP算法的小波圖像壓縮的特征是壓縮差異小，壓縮程度深，能量損失少，可以維持圖像的基本特性，并且信號傳輸過程具有較強的抗干擾性，能夠達成累進傳輸。

3.2 利用壓縮傳感直接處理彩圖

通過利用Matlab仿真實驗平臺對壓縮傳感圖像進行重構。實驗中選擇標準的二維彩色圖像進行實驗，圖像尺寸為256×256，即[N=256，]并利用壓縮傳感技術對圖像壓縮重構，進行仿真實驗。

BP算法能夠較好地恢復出原始信號，而且算法的精度要比OMP的精度高。同時OMP算法對圖像信號的重建視覺效果不是很好，由于每次只取一個原子，使得重建過程很慢，隨著迭代次數(shù)的增加，耗時也大量增加。BP算法恢復重建的效果非常好，但是BP算法耗時太大，不適合大圖像的應用。

4 結 語

由本文研究結果可知，圖像壓縮便是要尋求高壓縮比，且讓壓縮以后的圖像有恰當?shù)男旁氡确绞?，對壓縮之后的圖像還應當可以達成低失真度的復原。壓縮效能的評定指標之一是圖像能量減少，能量減少越少，圖像壓縮的功能便愈顯著。

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