免耕播種機(jī)漏播圖像采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)》——基于Android和4G通信

林 宏，靳繼紅，禹玥昀，周開(kāi)來(lái)

(1.西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，昆明 650224；2.焦作師范高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454001)

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免耕播種機(jī)漏播圖像采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)》
——基于Android和4G通信

林 宏1，靳繼紅2，禹玥昀1，周開(kāi)來(lái)1

(1.西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，昆明 650224；2.焦作師范高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454001)

免耕播種機(jī)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)耕種常用的農(nóng)機(jī)之一,其漏播率是制約播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵。為了降低免耕播種機(jī)作業(yè)時(shí)漏播率,提高播種機(jī)作業(yè)時(shí)智能化和自動(dòng)化漏播監(jiān)測(cè)水平,提出了一種基于Android和4G通信圖像采集與傳輸?shù)穆┎z測(cè)系統(tǒng),并將其成功地應(yīng)用到了氣動(dòng)式免耕播種機(jī)上,完成了裝置的安裝和調(diào)試。采用小波算法對(duì)采集圖像和信息進(jìn)行了濾波處理,通過(guò)圖像的去噪,降低了設(shè)備和耕種作業(yè)環(huán)境對(duì)播種機(jī)的影響。開(kāi)發(fā)了手持終端的Android系統(tǒng)界面,包括漏播率報(bào)告、漏播次數(shù)顯示、播種時(shí)長(zhǎng)、田間作業(yè)歷史數(shù)據(jù)和漏播報(bào)警等功能。最后，通過(guò)對(duì)歷史漏播數(shù)據(jù)的查詢,調(diào)試了系統(tǒng)的漏播檢測(cè)功能,由調(diào)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：一天的作業(yè)累計(jì)漏播率小于1%,滿足播種作業(yè)的設(shè)計(jì)要求,也驗(yàn)證了基于Android和4G通信系統(tǒng)播種機(jī)漏播檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。

免耕播種機(jī)；Android系統(tǒng)；4G通信；漏播檢測(cè)；自動(dòng)化

0 引言

我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了信息時(shí)代，信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等已經(jīng)成為了時(shí)代發(fā)展的代名詞。在信息化的大背景下，如何將先進(jìn)的信息技術(shù)與播種機(jī)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的信息交互平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系，提高播種作業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。2007年，著名科技公司—谷歌公司發(fā)布了Android智能操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)自發(fā)行起迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，并成為當(dāng)前使用最廣泛的智能操作系統(tǒng)之一。Android智能手機(jī)的廣泛普及，為播種機(jī)播種作業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的輔助決策系統(tǒng)提供了展現(xiàn)的平臺(tái)，如果將其應(yīng)用在播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，可以有效地提高播種機(jī)作業(yè)的自動(dòng)化水平，提高其作業(yè)質(zhì)量。

1 基于Android系統(tǒng)漏播檢測(cè)的免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)

保護(hù)性耕作技術(shù)是當(dāng)前使用的主要環(huán)保型農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)，關(guān)鍵是配套機(jī)具。在澳大利亞、美國(guó)和加拿大等國(guó)家對(duì)保護(hù)性耕作技術(shù)研究的較早，其技術(shù)已比較先進(jìn)，并已經(jīng)擁有了較為成熟的耕作工具。

圖1為美國(guó)Case公司推出的SDX30型免耕播種機(jī)。該型播種機(jī)采用單圓盤開(kāi)溝器，排種方式為氣力式，可以在高茬覆蓋地作業(yè)。由于有壓縮空氣系統(tǒng)，氣力式排種方式可以適用于多種作物播種。

圖1 CasesDx30 型免耕播種機(jī)

圖2為國(guó)內(nèi)現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司推出的2BMG-18型免耕施肥播種機(jī)。該播種機(jī)也可以在無(wú)需耕翻的土壤上進(jìn)行直接的作業(yè)，并一次性地完成秸稈切割、開(kāi)溝、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等工序，實(shí)現(xiàn)了完全的免耕播種。

圖3為基于Android和4G通信的播種機(jī)漏播檢測(cè)系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)基于Android系統(tǒng)架構(gòu)，采用4G通信技術(shù)，可以將采集信息傳送到Android手持設(shè)備終端，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)漏播檢測(cè)、漏播報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖2 2BMG-18 型免耕施肥播種機(jī)

圖3 基于Android和4G通信的漏播檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖4為使用Android 智能操作系統(tǒng)構(gòu)建的播種機(jī)漏播檢測(cè)輔助決策系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)了云技術(shù)和Android系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接，可以服務(wù)于大型作業(yè)農(nóng)場(chǎng)的技術(shù)人員和農(nóng)場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)決策人員。

圖4 播種機(jī)漏播檢測(cè)輔助決策系統(tǒng)

2 播種機(jī)漏播圖像采集和傳輸去噪算法

在播種機(jī)漏播圖像采集和傳輸過(guò)程中,受到攝像頭采集設(shè)備和外部作業(yè)環(huán)境的干擾，圖像會(huì)含有噪聲，為了對(duì)漏播率進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，需要除去或者減輕獲取圖像的噪聲。在圖像去噪的過(guò)程中,首先建立一個(gè)含噪聲的圖像模型，該圖像是由原始采摘圖像加上一個(gè)隨機(jī)噪聲實(shí)現(xiàn)的，其表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

因此平均濾波的一般輸出為

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

而離散化小波變換系數(shù)則可表示為

(10)

其重構(gòu)公式為

(11)

對(duì)于播種漏播率圖像的處理可以采用小波閾值的方法，其步驟為：

1)對(duì)噪聲圖像進(jìn)行小波變換，得到一組小波系數(shù)Wj,k；

(12)

定義為

(13)

該方法一般稱之為硬閾值估計(jì)方法，利用小波變換方法可以實(shí)現(xiàn)漏播圖像的去噪，從而提高信號(hào)的輸出精度。將采集數(shù)據(jù)得到的信息利用4G通信技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳遞，最后將結(jié)果呈現(xiàn)在基于Android系統(tǒng)的手持設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)播種作業(yè)質(zhì)量問(wèn)題的實(shí)時(shí)預(yù)警，便于大型自動(dòng)化生產(chǎn)。

3 播種機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

本次設(shè)計(jì)的基于Android系統(tǒng)和4G通信系統(tǒng)具有較高的適應(yīng)性，可以應(yīng)用在大部分的氣動(dòng)免耕播種機(jī)上，本研究采用的試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示，并在樣機(jī)上安裝了漏播檢測(cè)裝置。

圖5 播種機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

該試驗(yàn)樣機(jī)為氣動(dòng)式播種機(jī)，在試驗(yàn)時(shí)選擇了信號(hào)狀態(tài)良好的開(kāi)闊地帶，并可以成功接收手機(jī)4G信號(hào)，圖像的采集采用漏播檢測(cè)攝像頭和傳感器。漏播檢測(cè)系統(tǒng)的Android界面如圖6所示。

圖7表示播種機(jī)漏播歷史數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢界面。該數(shù)據(jù)是由播種機(jī)端利用4G通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳到Android系統(tǒng)手持設(shè)備的，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并將數(shù)據(jù)上報(bào)給管理人員。

對(duì)多時(shí)間段的播種漏播數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢后(見(jiàn)表1)，得到的漏播檢測(cè)數(shù)據(jù)。由表1可以看出：在不同時(shí)間段的漏播率有所不同，并且隨著時(shí)間的增加，漏播率也有所提高；但是從一天的作業(yè)情況來(lái)看，累計(jì)漏播率小于1%，滿足播種作業(yè)的設(shè)計(jì)要求，也驗(yàn)證了基于Android和4G通信系統(tǒng)播種機(jī)漏播檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。

圖6 漏播檢測(cè)Android系統(tǒng)主界面

圖7 播種機(jī)漏播歷史數(shù)據(jù)查詢

查詢次數(shù)時(shí)間段/h空穴率/%120．52250．55380．674100．695110．736150．757160．868170．89

4 結(jié)論和討論

為了提高播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水平，基于Android和4G通信技術(shù)，結(jié)合小波濾波去噪技術(shù)，提出了一種漏播檢測(cè)系統(tǒng)，并將其成功地應(yīng)用在氣動(dòng)免耕播種機(jī)上。為了方便系統(tǒng)的使用，開(kāi)發(fā)了Android系統(tǒng)界面，利用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，建立了移動(dòng)終端與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)技術(shù)人員實(shí)時(shí)上傳已完成的播種作業(yè)管理數(shù)據(jù)。通過(guò)使用基于Android平臺(tái)的智能移動(dòng)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)技術(shù)人員對(duì)所負(fù)責(zé)田塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)耕作作業(yè)信息采集等工作，革新了傳統(tǒng)的人工紙質(zhì)信息錄入方式。目前，Android系統(tǒng)已逐漸滲透到人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域，其廣闊的應(yīng)用前景，為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)新的方向。

[1] 陳桂鵬,嚴(yán)志雁,瞿華香，等.基于Android手機(jī)的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,41(13):178-181.

[2] 張安然.一種小型化智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2014,35(4):242-245.

[3] 馬志欣,譚峰,侯召龍，等.基于Android的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(3):226-229.

[4] 王俊輝,曹靜,凡燕，等.基于Android手機(jī)系統(tǒng)的農(nóng)村信息服務(wù)平臺(tái)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(4):370- 371.

[5] 楊林楠,郜魯濤,林爾升，等.基于Android系統(tǒng)手機(jī)的甜玉米病蟲(chóng)害智能診斷系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(18):163-168.

[6] 張睿敏,唐占紅,曹博，等.基于Android 的農(nóng)業(yè)信息組合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2012,19(5):12-14.

[7] 陳大鵬,毛罕平,左志宇，等.基于Android手機(jī)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013, 41(9):375-379.

[8] 孫小華,王福順,楊會(huì)英，等.基于智能手機(jī)的農(nóng)業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)研究[J].科技和產(chǎn)業(yè),2013,13(6):33-36.

[9] 李健.基于 Android 的病蟲(chóng)害推理診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(11):5148-5150.

[10] 李立君,李昕,高自成,等.基于偏好免疫網(wǎng)絡(luò)的油茶果采摘機(jī)器人圖像識(shí)別算法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012, 43(12):209-213.

[11] 王文慶,張濤,龔娜.基于多傳感器融合的自主移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013,21(2): 343-345.

[12] 韋偉,周凌翱,劉青.一種便攜式的紅外測(cè)距系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(21):40-42.

[13] 劉金帥,賴惠成,賈振紅.基于YCbCr顏色空間和Fisher判別分析的棉花圖像分割研究[J].作物學(xué)報(bào), 2011,37(7):1274-1279.

[14] 朱群峰,黃磊.溫室移動(dòng)機(jī)器人軌跡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009，31(4):73-75.

[15] 張衛(wèi)東.我國(guó)溫室發(fā)展的現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].科技信息,2013(10):439.

[16] 李明,李旭,孫松林,等.基于全方位視覺(jué)傳感器的農(nóng)業(yè)機(jī)械定位系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(2)：170-174.

[17] 傅錫敏,薛新宇.基于我國(guó)施藥技術(shù)與裝備現(xiàn)狀的發(fā)展思路[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2008(6):72-76.

[18] 傅澤田,祁力鈞,王俊紅.精確施藥拉術(shù)研究進(jìn)展與對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(1):189-192.

[19] 郭輝,韓長(zhǎng)杰.精確施藥技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2009(10):42-46.

[20] 呂太國(guó).靜電噴霧系統(tǒng)特性研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(5):54-70.

[21] 燕明德,賈衛(wèi)東,張斌,等.國(guó)內(nèi)外靜電噴霧施藥技術(shù)及機(jī)具研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2008(8):53-54.

[22] 劉金龍,丁為民,鄧巍.果園對(duì)靶噴霧紅外探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(12):370-372.

[23] 李麗,李恒,何雄奎.紅外靶標(biāo)自動(dòng)探測(cè)器的研制及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(12):159-162.

[24] 裴文超,陳樹(shù)人,尹東富.基于DSP和單片機(jī)的實(shí)時(shí)對(duì)靶噴施除草系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(1):149-153.

[25] 張俊雄,馬锃宏,李偉,等.基于土壤基質(zhì)的播種精度檢測(cè)試驗(yàn)研宄[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012,43(12):62-66.

[26] 馬锃宏,李南,王漢斌,等.溫室株間電驅(qū)鋤草控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015,46(1):89-93.

[27] 張二鵬,馬锃宏,耿長(zhǎng)興,等.溫室懸掛噴施機(jī)跨壟作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,18(6): 170-174.

[28] 馬锃宏,李南,李濤,等.缽體苗帶式供苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,20(3):216-222.

[29] 張春龍,黃小龍,劉衛(wèi)東,等.苗間鋤草機(jī)器人信息獲取方法的研宄[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(9):142- 146.

[30] 胡煉,羅錫文,曾山,等.基于機(jī)器視覺(jué)的株間機(jī)械除草裝置的作物識(shí)別與定位方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(10):12-18.

[31] 朱鳳武,于豐華,鄒麗娜,等.農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)工程，2013,3(6):10-13.

Design of the Image Acquisition and Transmission System of No-tillage Seeding Machine Based on Android and 4G Communication

Lin Hong1,Jin Jihong2,Yu Yueyun1, Zhou Kailai1

(1.School of Computer Science and Information,Southwest Forestry University, Kunming 650224,China;2.School of Computer and Information Engineering,Jiaozuo Teachers College,Jiaozuo 454001, China)

No-tillage seeding machine is one of the commonly used agricultural machinery in modern agriculture.The leakage rate is the key to control the quality of the seeding machine. In order to reduce the leakage sowing rate of no-tillage planter, improve sowing machine intelligence and automation of leakage broadcast monitoring level,it put forward a kind of image acquisition and transmission of seed leakage detection system based on Android and 4G communication, and it successfully applied in the gas dynamic type no-tillage planter so as to complete the installation and debugging. The wavelet algorithm is used to filter the image and information,and the effect of equipment and the environment of cultivation on the seeding machine is reduced.The Android system interface of the handheld terminal is developed, which includes the leakage rate report, the number of missed broadcast, the long time of sowing,the history data of the field work and the alarm.Finally through the historical leakage sowing data query, debugging the system loss sowing test function,discovered by the debug results, homework a day cumulative leakage sowing rate of less than 1%,which can meet the requirements of the design of sowing, but also verify the based on Android and 4G communication system planter seeding the feasibility of detection system.

no-tillage seeding machine; Android system; 4G communication; leak detection; automation

2016-03-11

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2011FB070);河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102110161)

林 宏(1981-)，女，云南大理人，講師，碩士。

禹玥昀(1984-)，女，云南鳳慶人，講師，碩士，(E-mail)yuyueyun1984@163.com。

S223.2；TP391.41

A

1003-188X(2017)05-0206-05