基于Open CV和激光點(diǎn)云的黑皮雞樅菌生長監(jiān)控系統(tǒng)

王歡 趙鑫鑫 商飛 黃健

一、前言

隨著人們健康意識的不斷提高和食品消費(fèi)的不斷升級，食用菌作為一種營養(yǎng)豐富、健康美味的食品，越來越受到人們的青睞。黑皮雞樅菌屬擔(dān)子亞門菌，層菌綱，傘菌目，白蘑科，又名長根菇。它不僅含有豐富的氨基酸、維生素和醇類物質(zhì)及多種生物酶，還含有多酚、多糖、黃酮等多種生物活性成分，是食用菌中的優(yōu)良品種。然而黑皮雞樅菌菇的采摘是一個勞動密集型工作，需要人力不斷重復(fù)檢查菌菇的生長情況，不及時(shí)采摘的菌菇會失去食用價(jià)值。通過對黑皮雞樅菌生長過程的研究和管理，可以為其產(chǎn)量和質(zhì)量提供更加可靠的保證，為消費(fèi)者提供更加安全和健康的食品。

二、研究背景

近年來，計(jì)算機(jī)視覺和激光雷達(dá)技術(shù)在多個領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，這些技術(shù)被用于生產(chǎn)線上的質(zhì)量檢測和定位控制等任務(wù)。在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以幫助醫(yī)生進(jìn)行更精確的疾病診斷和治療方案制定。在智能交通領(lǐng)域，激光雷達(dá)技術(shù)被用于實(shí)現(xiàn)自動駕駛和交通擁堵分析等功能。

然而，盡管計(jì)算機(jī)視覺和激光雷達(dá)技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的研究和關(guān)注，但在黑皮雞樅菌生長監(jiān)控方面的應(yīng)用和研究還相對較少。傳統(tǒng)的生長監(jiān)控方法主要是通過人工觀察和測量，這種方法不僅效率低下，而且難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的監(jiān)測和預(yù)測。

通過對黑皮雞樅菌生長監(jiān)控自動化技術(shù)的研究，也可以為其他食用菌的種植和管理提供有益的參考和借鑒。

三、創(chuàng)新設(shè)計(jì)生長監(jiān)控系統(tǒng)

Open CV視覺處理技術(shù)發(fā)展迅速，激光雷達(dá)精度不斷提高，多種電子器件組合可以做到低功耗和微型化，實(shí)現(xiàn)很多自動化的智能產(chǎn)品。如圖1結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)底視圖所示，本系統(tǒng)通過廣角深度鏡頭和激光雷達(dá)，采集種植平面的深度圖像數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合、測距和目標(biāo)識別，實(shí)現(xiàn)對各黑皮雞樅菌個體實(shí)時(shí)定位和判定是否成熟，為種植者實(shí)現(xiàn)菌菇采摘自動化提供精準(zhǔn)的決策數(shù)據(jù)。用戶將監(jiān)控系統(tǒng)置于需要監(jiān)控的菌菇種植平面正上方，監(jiān)控系統(tǒng)將根據(jù)用戶設(shè)置的時(shí)間間隔對目標(biāo)種植平面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；使用多個廣角鏡頭配合Open CV深度和拼接算法，采集種植平面的頂視深度圖像數(shù)據(jù)并對圖像中的菌菇進(jìn)行識別和定位；使用激光雷達(dá)采集種植平面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；RISC-V處理器模塊運(yùn)行多種程序完成對前述采集數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)而形成目標(biāo)種植平面中各菌菇高度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)庫；根據(jù)用戶需求，通過揚(yáng)聲器發(fā)出菌菇生長緩慢或菌菇生長成熟等提示音，并可以將數(shù)據(jù)庫通過無線Wi-Fi傳輸給后臺供用戶進(jìn)一步使用。本監(jiān)控系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)體、廣角攝像頭、帶觸摸屏LED顯示屏、揚(yáng)聲器模組，RISC-V處理器、激光雷達(dá)、無線Wi-Fi模塊、電源等部分組成，其電路系統(tǒng)架構(gòu)如圖2。

（一） 結(jié)構(gòu)體。負(fù)責(zé)為各組成模塊提供安裝和固定的結(jié)構(gòu)空間，根據(jù)用戶需求提供多種外接固定方式，如螺釘、吊架等，采用ABS工程塑料或金屬材料制作。

（二） 廣角攝像頭。負(fù)責(zé)采集目標(biāo)種植平面的深度圖像信息，采用2個鏡頭組成一個模組，采用2個模組拼接組成360°深度視野，通過使用Open CV函數(shù)進(jìn)行圖像拼接和深度估計(jì)。

（三） 帶觸摸屏LED顯示屏。負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行信息交換，用戶可通過屏幕設(shè)置監(jiān)控模塊工作間隔時(shí)間、揚(yáng)聲器模塊聲音類型和音量、設(shè)置該模塊用戶自定義編號、設(shè)置模塊Wi-Fi名稱和密碼等。

（四） 揚(yáng)聲器模塊。負(fù)責(zé)根據(jù)RISC-V處理器的指令以用戶設(shè)置的音量播放用戶預(yù)存的各種提示語音，如編號xx菌菇生長過慢、編號xx菌菇生產(chǎn)成熟等。

（五） RISC-V處理器。本模塊包含一顆RISC-V處理器芯片、一顆揚(yáng)聲器驅(qū)動芯片及附屬多種外圍芯片；RISC-V處理器芯片采用全志公司的D1芯片，RISC-V處理器芯片運(yùn)行經(jīng)過裁剪的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)上運(yùn)行Open CV目標(biāo)檢測程序、激光點(diǎn)云生成程序和數(shù)據(jù)融合程序等；揚(yáng)聲器驅(qū)動芯片采用宇音天下科技公司的OSYNO6188語音合成芯片，負(fù)責(zé)根據(jù)RISC-V處理器的指令驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出特定的語音信息；Open CV程序基于Stitching模塊實(shí)現(xiàn)圖像拼接，基于Semi-global block matching（SGBM）立體匹配算法和視差處理算法完成目標(biāo)種植平面的深度信息估計(jì)，負(fù)責(zé)識別并定位出圖像中的菌菇位置；激光點(diǎn)云生成程序負(fù)責(zé)根據(jù)激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成目標(biāo)種植平面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)融合程序負(fù)責(zé)根據(jù)深度圖像識別和定位結(jié)果在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找出目標(biāo)種植平面中各菌菇高度的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存檔，進(jìn)而形成各菌菇高度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)庫。

（六） 激光雷達(dá)。負(fù)責(zé)根據(jù)RISC-V處理器指令采集目標(biāo)種植平面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（七） 無線Wi-Fi模塊。負(fù)責(zé)監(jiān)控模塊無線通信，為RISC-V處理器模塊提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互。

（八） 電源。本部分包含一個電源芯片模組，負(fù)責(zé)完成220V交流電源轉(zhuǎn)換為12V直流電源，為監(jiān)控模塊提供電源。

四、結(jié)論

本文介紹了一種新穎而實(shí)用的黑皮雞樅菌生長監(jiān)控系統(tǒng)，通過使用Open CV圖像處理技術(shù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動化定時(shí)監(jiān)控黑皮雞樅菌生長情況，極大的提高了生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)具有完全自有知識產(chǎn)權(quán)。

（作者單位：王歡 ?商飛 黃健 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站；趙鑫鑫 山東浪潮科學(xué)研究院）