專利名稱：基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新的農(nóng)業(yè)灌溉裝備系統(tǒng)，特別是涉及一種采用計算機視 覺技術來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)栽培過程中實時精確灌溉的自動控制系統(tǒng)。本發(fā)明可應用 于各類需要對栽培作物的灌溉實施實時精準自動控制的場合，例如溫室花 冉、苗木等栽培作物的灌溉。
背景技術：
目前，由于計算機圖像處理技術專業(yè)水平的提髙及計算機硬件成本的下 降，在農(nóng)業(yè)領域應用計算機(機器)視覺系統(tǒng)已變得越來越具有吸引力。自
20世紀70年代末以來國際上許多研究人員已為開發(fā)用于農(nóng)產(chǎn)品品質自動識
別和分級的計算機視覺系統(tǒng)做了大量的工作，并取得了許多應用成果。如番 茄的成熟度識別和分級。精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展也要求應用計算機視覺技術，如農(nóng) 用機器人進行水果果實的采摘，利用計算機視覺進行作物秧苗的定位和雜草 的識別。隨著精準農(nóng)業(yè)在我國的展開，我國的科研工作者利用計算機視覺技 術在智能化農(nóng)業(yè)機械、農(nóng)產(chǎn)品品質檢驗、設施農(nóng)業(yè)等方面進行了較為廣泛的 研究和應用，力求盡快縮短與發(fā)達國家精準農(nóng)業(yè)研究與應用的差距。因此， 開發(fā)一種利用計算機視覺技術對灌溉對象的圖像進行實時在線處理、并根據(jù) 環(huán)境因子和外氣候參數(shù)以及歷史數(shù)據(jù)庫進行計算和處理，從而實施最優(yōu)灌 溉。該系統(tǒng)應用于自動灌溉水車系統(tǒng)具有實用、節(jié)水、節(jié)肥、精確度高、可 靠性好的特點，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化裝備發(fā)展的必然趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠 根據(jù)植物實時生長階段和生長狀態(tài)，應用作物灌溉專用軟件，通過比對和計 算，實施對所栽培作物的實時準確灌溉和施肥。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明 提供了一種基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，它由作為遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫中
心以及系統(tǒng)調度管理中心的遠程監(jiān)控機；由嵌入式單板機、可編程序控制器 以及數(shù)顯設備構成的灌溉控制箱；進行實時圖像采集的CCD攝像機；控制
水車行走速度和啟停的變頻調速器以及與變頻調速器連接的繼電器、電磁閥
和執(zhí)行機構；用于獲取當前水車行走速度和行走距離的光電脈沖編碼器和獲 取當前灌溉量的脈沖式流量計；進行實時無線通信的無線以太網(wǎng)裝置；用于 控制微噴噴頭開關的電磁闔以及灌溉水車的行走軌道等組成。
在水車向前行走的過程中，CCD攝像機實時拍攝被灌溉的作物，進行實 時圖像采集。采集的圖像經(jīng)模數(shù)轉換后送到嵌入式單板機，通過預存的針對 該作物的專用圖像識別軟件對采集到的作物實時圖像進行識別處理；專用圖 像識別軟件對得到的當前植物圖像信息，如葉面積的大小、葉片數(shù)量以及植 物的色彩信息，通過與數(shù)據(jù)庫中該作物當前的生長階段以及生長狀態(tài)進行查 詢比對和計算獲得水和肥料(液態(tài)肥料)的最佳灌溉量，單板機中的處理軟
件把噴灌命令通過通信接口傳給可編程序控制器，可編程序控制器接收到指 令后通過它的輸出端口給控制水車行走速度和啟停的變頻調速器以及用于 控制微噴噴頭開閉的電磁閥發(fā)出指令，從而控制灌溉水車的行走速度以及噴 灌量。

圖1是灌溉小車控制系統(tǒng)總體結構示意圖，圖2是噴灌控制箱的內(nèi)部 組成示意圖，系統(tǒng)控制流程如圖3所示。
本發(fā)明的主要特點是把計算機視覺技術使用于自動灌溉水車系統(tǒng)上，使 得灌溉量能夠滿足植物的生長情況和生長階段的最佳需求；而且本發(fā)明實現(xiàn) 全程跟蹤記錄、監(jiān)督，能夠實時顯示系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)；能夠進行歷史數(shù) 據(jù)管理，這將為種植作物產(chǎn)量的提高和自動灌溉技術的進一步發(fā)展提供科學 依據(jù)。本發(fā)明不僅減少了大量的人工操作，減少了人力物力，同時也避免了 人為因素的干擾，大大提高了灌溉的精度及系統(tǒng)的可靠性。并具有節(jié)水、節(jié) 肥，提高管理水平及減少運行管理的勞動強度等優(yōu)點，能取得良好的經(jīng)濟效 益和社會效益。
具體實施例方式
圖l是灌溉小車控制系統(tǒng)總體結構示意圖，系統(tǒng)通電運行后，灌溉水車 等待安裝在噴灌控制箱l中的嵌入式單板機以及可編程序控制器完成系統(tǒng)硬 件的啟動及軟件的初始化后以低速向前行走。圖2顯示了噴灌控制箱的內(nèi)部 組成示意圖。它主要由嵌入式單板機、可編程序控制器、AT電源、數(shù)字化設 備、數(shù)字顯示裝置以及鍵盤輸入裝置組成。嵌入式單板機與可編程序控制器 之間是通過通訊接口進行實時通訊。
在水車向前行走的過程中，CCD攝像機3開始實時拍攝被灌溉的植物， 進行實時圖像采集。采集的圖像經(jīng)數(shù)字化設備處理后一方面送到嵌入式單板 機，通過預存的針對該作物的專用圖像識別軟件對采集到的作物實時圖像進
行識別處理；另一方面，通過無線以太網(wǎng)裝置4將實時圖像傳送到作為遠程
監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫中心以及系統(tǒng)調度管理中心的遠程監(jiān)控機7，并實時顯示在監(jiān) 控主機屏幕上。專用圖像識別軟件對得到的當前植物圖像信息，如葉面積的 大小、葉片數(shù)量以及植物的色彩信息，通過與數(shù)據(jù)庫中該作物當前的生長階 段以及生長狀態(tài)進行查詢比對和計算獲得水和肥料(液態(tài)肥料)的最佳灌溉 量，單板機中的處理軟件把噴灌命令通過通信接口傳給同樣安裝在噴灌控制 箱中1的可編程序控制器，可編程序控制器接收到指令后通過它的輸出端口 發(fā)出指令給控制水車行走速度和啟停的變頻調速器2和用于控制微噴噴頭開 閉的電磁閥5，從而控制灌溉水車的行走速度以及噴灌量。具體的系統(tǒng)控制 流程如圖3所示。用于獲取當前水車行走速度和行走距離的光電脈沖編碼器 8將采集到的脈沖數(shù)實時送給可編程序控制器中，軟件根據(jù)采用的編碼盤的 直徑大小以及所打的孔數(shù)計算出水車當前的行走速度和走過的距離；脈沖式 流量計6提供了當前的噴灌量，在噴灌控制箱1上的數(shù)字顯示裝置和在遠程 監(jiān)控機7的顯示屏上實時顯示當前灌溉水車的行走速度、行走距離、當前的 噴灌量以及水車的運行狀態(tài)(手動或自動)。用戶可以十分方便的了解水車 當前運行狀態(tài)。
此外，由于灌溉水車行走的軌道有若干條，當水車運行到一條行走軌道 9的末端時，限位行程開關就會給可編程序控制器一個脈沖命令，再與光電 脈沖編碼器8計算出來的行走距離進行比較。確認無誤后可編程序控制器給 換向機構發(fā)出命令，水車停止灌溉并自動轉換到另一條軌道上。從而完成了 對栽培作物的灌溉作業(yè)。
權利要求
1、基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，包括一合包含數(shù)據(jù)庫中心以及用以監(jiān)控及實時顯示信息的遠程監(jiān)控機；一個嵌入式單板機、可編程序控制器以及數(shù)顯設備構成的灌溉控制箱；一個進行實時圖像采集的CCD攝像機；一個控制水車行走速度和啟停的變頻調速器以及與變頻調速器連接的繼電器、電磁閥和執(zhí)行機構；以及用于獲取當前水車行走速度和行走距離的光電脈沖編碼器和獲取當前灌溉量的脈沖式流量計；進行實時無線通信的無線以太網(wǎng)裝置；用于控制微噴噴頭開關的電磁閥以及灌溉水車的行走軌道等組成。
2、 根據(jù)權利要求l所述的基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，其特征在于，它包括一數(shù)字顯示裝置，設置于該灌溉控制箱上的數(shù)字顯示裝置可以實時顯 示灌溉水車的行走速度、當前的噴灌量以及水車的運行狀態(tài)(手動或自動)。
3、 根據(jù)權利要求l所述的基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，其特征在于，該變頻調速器控制水車的行走速度、采集圖像的速度以及灌溉量。
4、 根據(jù)權利要求l所述的基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，其特征在于， 該CCD攝像機及其配套的廣角鏡頭能夠實時釆集灌溉對象的圖像，并通過數(shù) 字化裝置把圖像在嵌入式單板機上實時保存以供識別軟件實時處理并通過 無線以太網(wǎng)通信在遠程機上實時顯示出來。
5、 根據(jù)權利要求l所述的基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，其特征在于， 光電編碼器和脈沖式流量計能夠把采集到的脈沖實時送到可編程序控制器中，以獲取當前的行走速度、行走距離和當前的流量并實時顯示。
6、 根據(jù)權利要求l所述的基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，其特征在于， 它包含一數(shù)據(jù)庫，可以利用圖像識別得到植物當前的生長狀況，根據(jù)植物的 生長階段和生長狀態(tài)，如葉面積大小、生長期的各個階段、特殊生長期，并 通過數(shù)據(jù)庫査詢當前的環(huán)境因子以及外界氣候狀況以共同確定灌溉量。
7、 根據(jù)權利要求l所述的基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，其特征在于， 還包括一個轉向機構，來控制水車的換向。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于計算機視覺的灌溉水車系統(tǒng)，主要特點是把計算機視覺技術應用于灌溉水車系統(tǒng)上，并利用數(shù)據(jù)庫技術進行管理，使其能根據(jù)栽培作物的最佳生長條件以及當前的環(huán)境因子和外氣候狀況對植物進行最優(yōu)灌溉；而且本發(fā)明實現(xiàn)全程跟蹤記錄、監(jiān)督，進行歷史數(shù)據(jù)管理。本系統(tǒng)包含有一作為系統(tǒng)調度管理及遠程監(jiān)控的遠程主機、一個噴灌控制箱、無線以太網(wǎng)、一套與變頻調速器連接的繼電器和電磁閥以及與可編程控制器連接的光電編碼器和脈沖式流量計。本發(fā)明還具有提高管理水平及減少運行管理的勞動強度等優(yōu)點。
文檔編號G05B19/042GK101099446SQ20061002873
公開日2008年1月9日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權日2006年7月7日
發(fā)明者強 周, 張侃諭, 沈恩德, 王生學, 高建斌 申請人:上海大學;上海都市綠色工程有限公司