機器視覺在農(nóng)業(yè)蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的研究與設計

彭琛, 莫錦戀, 王豐

機器視覺在農(nóng)業(yè)蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的研究與設計

彭琛, 莫錦戀, 王豐

(湖南文理學院 計算機與電氣工程學院, 湖南 常德, 415000)

隨著智慧農(nóng)業(yè)的推廣和應用, 蔬菜大棚智能化管理的需求日益增加, 本文設計了一個應用OpenMV機器視覺模塊的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng), 通過對大棚內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和實時監(jiān)控, 使用戶能夠直觀的看到棚內(nèi)數(shù)據(jù)的變化并進行相應的處理。該監(jiān)測系統(tǒng)主要模塊包括蔬菜大棚內(nèi)各數(shù)據(jù)采樣模塊、主控制器模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)無線收發(fā)模塊等。最后通過在小番茄果為例的大棚內(nèi)進行實驗, 達到了對蔬菜大棚數(shù)字化、智能化處理的目的, 這對實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)和降低農(nóng)業(yè)成本具有重要意義。

機器視覺; 環(huán)境監(jiān)測; 智慧農(nóng)業(yè); 無線收發(fā)

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中, 農(nóng)業(yè)溫室大棚在我國有機農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中, 是比較實用的生產(chǎn)控制設備, 它能使豐富多樣的夏季時令蔬菜在其他3個季節(jié)上市, 豐富廣大群眾的餐桌。但是就目前大部分農(nóng)村現(xiàn)有溫室大棚來看, 設備普遍簡陋, 大部分完全依靠人工進行環(huán)境監(jiān)控和調(diào)節(jié)操作, 監(jiān)控設施基本上就是溫度傳感器和濕度傳感器, 用來監(jiān)控大棚內(nèi)溫濕度, 通過人工觀測再去調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境。這樣嚴重影響溫室大棚的產(chǎn)出率, 根據(jù)溫室大棚最重要的幾種關鍵信息, 比如光照度, 溫度和濕度, 土壤內(nèi)濕度及有機物含量等, 這樣進行實時監(jiān)控, 對提高溫室大棚的產(chǎn)出率、減少菜農(nóng)的勞動強度、增加相應的收入, 最重要的是提高了溫室內(nèi)種植手段的自動化控制程度。本文針對溫室大棚想幾項關鍵指標實現(xiàn)了實時監(jiān)測, 通過機器視覺手段實現(xiàn)信息在線監(jiān)測和對溫室大棚的智能化控制, 達到智慧農(nóng)業(yè)對于精準扶貧的目的。

1 智慧農(nóng)業(yè)概述

2014年我國提出了一個新的概念—“智慧農(nóng)業(yè)”, 主要是為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益, 大力促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展, 解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的供求不對等矛盾。智慧農(nóng)業(yè)是一門多種科學領域融合的綜合性學科, 其中涉及到“5S”技術、云計算平臺、大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)技術, 利用這些信息化技術實現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的智能化控制、集約化管理和生態(tài)化統(tǒng)籌, 綜合管理組織現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)基礎設施、智能化設施和其他通信設施, 使農(nóng)業(yè)將科技技術和可持續(xù)化發(fā)展相結合, 實現(xiàn)具有智慧的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。

目前, 我國農(nóng)業(yè)在種植面積不斷減少和全球環(huán)境惡劣影響的基礎上, 靠改良品種和使用大量的化肥等措施已無法改善作物的產(chǎn)出量, 而且隨著大眾對食品的重視加大, 有機農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)也得到了廣泛認可, 有機農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)在人工上的消耗比傳統(tǒng)實施化肥管理的要大得多, 所以智慧農(nóng)業(yè)的出現(xiàn), 能夠使這兩種農(nóng)業(yè)模式得到推廣并發(fā)展壯大, 在智慧農(nóng)業(yè)出現(xiàn)之前, 有很多從事綠色農(nóng)業(yè)和有機農(nóng)業(yè)的創(chuàng)業(yè)者因資金和人員投入過大而導致失敗, 現(xiàn)在加入智慧農(nóng)業(yè)后, 不僅可以提高農(nóng)民的種植效率, 以機械代替人工勞作, 而且在監(jiān)控食品安全, 有效提高產(chǎn)量上得到保障。智慧農(nóng)業(yè)中可以針對不同的農(nóng)作物提出行之有效的控制策略, 并根據(jù)現(xiàn)場采集的相關數(shù)據(jù)比如空氣溫濕度、土壤酸堿度、土壤含水量、光照度等, 采用閉環(huán)控制系統(tǒng)對整個溫室大棚進行調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)結構及設計

本文設計的基于OpenMV機器視覺模塊的智能溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括機器視覺OpenMV模塊、溫濕度檢測模塊、光照度檢測模塊、實時監(jiān)控模塊、語音報警模塊、LCD液晶顯示模塊和無線傳輸模塊。其總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

實時監(jiān)控模塊采用機器視覺OpenMV模塊內(nèi)置的OV7725攝像頭進行實時觀察, 溫濕度模塊采用DHT11溫濕度傳感器, 光照強度檢測模塊采用BH1750光照傳感器, 液晶顯示模塊采用LCD1602, 無線傳輸模塊采用GPRS-GA6模塊。主要工作原理是通過溫濕度傳感器DHT11和光照強度傳感器BH1750對大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)控, 并將測得數(shù)據(jù)通過主控制器顯示在LCD電子顯示屏上。如棚內(nèi)溫度達到一定值則啟動發(fā)音報警模塊利用蜂鳴器對其進行警報, 并通過無線傳輸模塊發(fā)送短信給管理員。

2.1 機器視覺模塊

OpenMV是一款基于STM32F767VI ARM Cortex M7處理器的單片機和OV7725攝像頭組成的機器視覺模塊。本文設計的基于OpenMV的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)是一個利用OpenMV模塊上STM32F7單片機為核心, 以監(jiān)測、顯示、報警、無線傳輸、監(jiān)控模塊和軟件設計一體的系統(tǒng)設計。主要工作原理是通過監(jiān)測模塊對大棚內(nèi)部的環(huán)境進行監(jiān)測, 并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示在電子屏幕上, 當數(shù)據(jù)超出設定范圍后觸發(fā)報警模塊, 發(fā)出警報, 將數(shù)據(jù)用無線傳輸方式發(fā)送給管理者。管理者可以通過相關軟件對棚內(nèi)環(huán)境和電子屏上進行監(jiān)控, 已達到遠程監(jiān)控與精確管理的目的。

以STM32F7單片機為核心, 采用溫濕度傳感器(DHT11)對溫棚內(nèi)的溫度和濕度進行數(shù)據(jù)的收集, 采用光照強度傳感器(BH1750)對光照強度的數(shù)據(jù)進行采集, 采集后將數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏(LCD1602)上。當數(shù)據(jù)超過一定范圍后, 無線傳輸模塊(GPRS-GA6)可以將電子屏上的數(shù)據(jù)以短信的方式發(fā)送到管理者的手機上。管理者打開手機軟件可以觀看棚內(nèi)的植物的生長情況的照片和視頻, 系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路圖

2.2 無線傳輸模塊(GPRS-GA6)

GPRS(General Packet Radio Services, 通用分組無線業(yè)務)是一種新型的無線分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務, 在GSM網(wǎng)絡的基礎上升級了相關軟件并添加部分硬件設備。主要目的是提高數(shù)據(jù)傳輸速率, 為移動用戶提供各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務, 主要有無線IP或X.25服務。GPRS-GA6模塊憑借超小的尺寸、超低功耗和寬工作溫度范圍等特點, 是實現(xiàn)GPRS通信最好的選擇, 同時也大大降低了物聯(lián)網(wǎng)設備的入門門檻。

GPRS-GA6無線傳輸模塊主要完成溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程傳輸, 將溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)以有線的傳輸方式送到ARM中央處理器模塊, 實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的傳輸。GPRS-GA6無線傳輸模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 無線傳輸模塊

3 軟件設計

首先在主程序中首先對各模塊進行初始化, 利用溫濕度傳感器(DHT11)、光照傳感器(BH1750)采集大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù), 并通過主控制器將數(shù)據(jù)顯示至LCD顯示屏上。如蔬菜大棚內(nèi)溫度超過上下限值則利用蜂鳴器進行報警并通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給管理者。其系統(tǒng)總流程圖如圖4所示。

圖4 總流程圖

4 實驗分析

小番茄果因為其風味獨特、口感好、營養(yǎng)價值高, 所以成為大多數(shù)人們在日常生活中非常喜愛的食物。同時小番茄果屬于經(jīng)濟型作物, 當前我國種植小番茄果時利用溫室大棚非常廣泛, 所以本次實驗以種植小番茄果為例, 由表1可看出小番茄果生長環(huán)境的需求。

表1 小番茄果實驗大棚參數(shù)(溫棚內(nèi)參數(shù)設置)

注: d代表白天, n代表夜晚。

將OpenMV通過USB連接至計算機, 利用OpenMV內(nèi)置OV7725攝像模塊在計算機OpenMV IDE界面實時觀察到植物的生長情況如圖5所示。

LCD1602液晶顯示屏顯示結果如圖6所示。顯示內(nèi)容為蔬菜大棚內(nèi)的實時數(shù)據(jù)采集, 分別是溫度: 19 ℃, 濕度: 30%, 光照度: 45 000 Lx, 4月份現(xiàn)在正值小番茄果上市階段, 所以對照表1數(shù)據(jù), 可以觀察到溫度和光照度都達到了小番茄果花果期的環(huán)境參數(shù)要求, 而濕度則是沒有達到, 花果期的小番茄果要求濕度為45%～60%, 根據(jù)觀測到的情況, 種植戶可以選擇給蔬菜大棚內(nèi)增加濕度, 以確保小番茄果能正常結果上市。

圖5 內(nèi)部監(jiān)控界面

圖6 液晶顯示屏圖像

5 小結

通過提出以機器視覺OpenMV為核心, 集溫濕度傳感器(DHT11)、光照傳感器(BH1750)、無線傳輸模塊(nRF24L01)、實時監(jiān)控模塊(OV7725)、液晶顯示模塊和發(fā)音報警模塊于一體的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)對蔬菜大棚內(nèi)部的溫度、濕度和光照強度進行采集, 并通過分析顯示、無線傳送達到實時監(jiān)測的目的, 加強了對遠程監(jiān)控和無線收發(fā)模塊在蔬菜大棚內(nèi)的應用, 便于管理者和消費者對綠色蔬菜生長情況進行實時觀測。可以為實現(xiàn)智慧綠色農(nóng)業(yè)、減低農(nóng)業(yè)成本、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)更新?lián)Q代轉型的目標, 提供一份力量和參考。該監(jiān)測系統(tǒng)還存在一些需要完善的部分, 例如本文只對大棚內(nèi)部的環(huán)境進行了檢測, 沒有根據(jù)需要連接相關的執(zhí)行設備, 來自動調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部環(huán)境, 對比國內(nèi)外溫室大棚的發(fā)展情況, 我國的技術發(fā)展的力度還不夠, 對于實現(xiàn)功能齊全自動化、智能化的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)還有一定的距離。這一目標也將成為我國關于智能、新型農(nóng)業(yè)的研究與發(fā)展趨勢。

[1] 趙繼春, 孫素芬, 郭建鑫, 等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 中國農(nóng)機化學報, 2020, 41(4): 146–151.

[2] 郭良琴. 淺析遙感技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的應用[J]. 農(nóng)業(yè)與技術, 2020, 40(5): 44–45.

[3] 梁永恩. 基于MQTT的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 信息與電腦(理論版), 2020, 32(3): 70–71, 74.

[4] 翟凌宇, 孫凱旋. 基于云計算的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺[J]. 軟件, 2020, 41(1): 258–262.

[5] 周萬鍇, 龍敏. 基于區(qū)塊鏈的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)安全傳輸方案[J]. 計算機科學, 2020, 47(1): 315–320.

[6] 韓團軍, 尹繼武, 趙增群, 等. 基于LoRa的遠程分布式農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學, 2019, 47(19): 236–240.

[7] 劉海明, 吳宏杰. 基于激光傳感控制的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 激光雜志, 2019, 40(9): 167–171.

[8] 劉燕, 尚春明, 高振江, 等. 番茄新品種黃化曲葉病毒病抗性基因Ty1、Ty3的分子標記[J]. 北方農(nóng)業(yè)學報, 2018, 46(1): 33–35.

[9] 張燁. 基于Arduino控制板的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)無線采集系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學, 2016, 44(7): 439–442.

Research and design of machine vision in environmental monitoring system of agricultural vegetable greenhouse

Peng Chen, Mo Jinlian, Wang Feng

(College of Computer and Electrical Engineering, Hunan University of Arts and Sciences, Changde 415000, China)

With the popularization and application of smart agriculture, the demand for intelligent management of vegetable greenhouse is increasing. This paper designs an intelligent vegetable greenhouse environment monitoring system based on OpenMV machine vision module. Through the collection, processing, analysis and real-time monitoring of the internal environment data of the greenhouse, users can intuitively see the changes of the data in the greenhouse and carry out the corresponding processing. The main modules of the monitoring system include data sampling module, main controller module, data display module, environmental monitoring module and wireless data transceiver module. Finally, through the experiment in the greenhouse of small tomato as an example, the purpose of digital and intelligent processing of vegetable greenhouse is achieved, which is of great significance to realize intelligent agriculture and reduce the cost of agriculture.

machine vision; environmental monitoring; intelligent agriculture; wireless transceiver

TP 391

A

1672–6146(2021)02–0068–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2021.02.014

彭琛, 108350759@qq.com。

2020–07–21

湖南省教育廳優(yōu)青項目(20B398); 常德市科技創(chuàng)新項目(?？坪?020）75號); 湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目(2048); 2019湖南省普通高校教學改革研究項目（291號-684號）。

(責任編校: 郭冬生)