机器视觉在农业蔬菜大棚环境监测系统中的研究与设计

彭琛, 莫锦恋, 王丰

机器视觉在农业蔬菜大棚环境监测系统中的研究与设计

彭琛, 莫锦恋, 王丰

(湖南文理学院 计算机与电气工程学院, 湖南 常德, 415000)

随着智慧农业的推广和应用, 蔬菜大棚智能化管理的需求日益增加, 本文设计了一个应用OpenMV机器视觉模块的蔬菜大棚环境监测系统, 通过对大棚内部环境数据的采集、处理、分析和实时监控, 使用户能够直观的看到棚内数据的变化并进行相应的处理。该监测系统主要模块包括蔬菜大棚内各数据采样模块、主控制器模块、数据显示模块、棚内环境监控模块和数据无线收发模块等。最后通过在小番茄果为例的大棚内进行实验, 达到了对蔬菜大棚数字化、智能化处理的目的, 这对实现智慧农业和降低农业成本具有重要意义。

机器视觉; 环境监测; 智慧农业; 无线收发

在现代农业发展中, 农业温室大棚在我国有机农业发展过程中, 是比较实用的生产控制设备, 它能使丰富多样的夏季时令蔬菜在其他3个季节上市, 丰富广大群众的餐桌。但是就目前大部分农村现有温室大棚来看, 设备普遍简陋, 大部分完全依靠人工进行环境监控和调节操作, 监控设施基本上就是温度传感器和湿度传感器, 用来监控大棚内温湿度, 通过人工观测再去调节大棚内环境。这样严重影响温室大棚的产出率, 根据温室大棚最重要的几种关键信息, 比如光照度, 温度和湿度, 土壤内湿度及有机物含量等, 这样进行实时监控, 对提高温室大棚的产出率、减少菜农的劳动强度、增加相应的收入, 最重要的是提高了温室内种植手段的自动化控制程度。本文针对温室大棚想几项关键指标实现了实时监测, 通过机器视觉手段实现信息在线监测和对温室大棚的智能化控制, 达到智慧农业对于精准扶贫的目的。

1 智慧农业概述

2014年我国提出了一个新的概念—“智慧农业”, 主要是为了提高农业生产的经济效益, 大力促进农业现代化的发展, 解决农业生产中普遍存在的供求不对等矛盾。智慧农业是一门多种科学领域融合的综合性学科, 其中涉及到“5S”技术、云计算平台、大数据分析和物联网技术, 利用这些信息化技术实现现代化农业产业的智能化控制、集约化管理和生态化统筹, 综合管理组织现有的农业基础设施、智能化设施和其他通信设施, 使农业将科技技术和可持续化发展相结合, 实现具有智慧的农业管理系统。

目前, 我国农业在种植面积不断减少和全球环境恶劣影响的基础上, 靠改良品种和使用大量的化肥等措施已无法改善作物的产出量, 而且随着大众对食品的重视加大, 有机农业和绿色农业也得到了广泛认可, 有机农业和绿色农业在人工上的消耗比传统实施化肥管理的要大得多, 所以智慧农业的出现, 能够使这两种农业模式得到推广并发展壮大, 在智慧农业出现之前, 有很多从事绿色农业和有机农业的创业者因资金和人员投入过大而导致失败, 现在加入智慧农业后, 不仅可以提高农民的种植效率, 以机械代替人工劳作, 而且在监控食品安全, 有效提高产量上得到保障。智慧农业中可以针对不同的农作物提出行之有效的控制策略, 并根据现场采集的相关数据比如空气温湿度、土壤酸碱度、土壤含水量、光照度等, 采用闭环控制系统对整个温室大棚进行调节。

2 系统结构及设计

本文设计的基于OpenMV机器视觉模块的智能温室大棚环境监测系统主要包括机器视觉OpenMV模块、温湿度检测模块、光照度检测模块、实时监控模块、语音报警模块、LCD液晶显示模块和无线传输模块。其总体框图如图1所示。

图1 系统组成框图

实时监控模块采用机器视觉OpenMV模块内置的OV7725摄像头进行实时观察, 温湿度模块采用DHT11温湿度传感器, 光照强度检测模块采用BH1750光照传感器, 液晶显示模块采用LCD1602, 无线传输模块采用GPRS-GA6模块。主要工作原理是通过温湿度传感器DHT11和光照强度传感器BH1750对大棚内环境数据进行监控, 并将测得数据通过主控制器显示在LCD电子显示屏上。如棚内温度达到一定值则启动发音报警模块利用蜂鸣器对其进行警报, 并通过无线传输模块发送短信给管理员。

2.1 机器视觉模块

OpenMV是一款基于STM32F767VI ARM Cortex M7处理器的单片机和OV7725摄像头组成的机器视觉模块。本文设计的基于OpenMV的温室大棚监测系统是一个利用OpenMV模块上STM32F7单片机为核心, 以监测、显示、报警、无线传输、监控模块和软件设计一体的系统设计。主要工作原理是通过监测模块对大棚内部的环境进行监测, 并将监测的数据显示在电子屏幕上, 当数据超出设定范围后触发报警模块, 发出警报, 将数据用无线传输方式发送给管理者。管理者可以通过相关软件对棚内环境和电子屏上进行监控, 已达到远程监控与精确管理的目的。

以STM32F7单片机为核心, 采用温湿度传感器(DHT11)对温棚内的温度和湿度进行数据的收集, 采用光照强度传感器(BH1750)对光照强度的数据进行采集, 采集后将数据显示在液晶显示屏(LCD1602)上。当数据超过一定范围后, 无线传输模块(GPRS-GA6)可以将电子屏上的数据以短信的方式发送到管理者的手机上。管理者打开手机软件可以观看棚内的植物的生长情况的照片和视频, 系统电路图如图2所示。

图2 系统电路图

2.2 无线传输模块(GPRS-GA6)

GPRS(General Packet Radio Services, 通用分组无线业务)是一种新型的无线分组数据传输业务, 在GSM网络的基础上升级了相关软件并添加部分硬件设备。主要目的是提高数据传输速率, 为移动用户提供各种高速数据业务, 主要有无线IP或X.25服务。GPRS-GA6模块凭借超小的尺寸、超低功耗和宽工作温度范围等特点, 是实现GPRS通信最好的选择, 同时也大大降低了物联网设备的入门门槛。

GPRS-GA6无线传输模块主要完成温室大棚环境数据的远程传输, 将温室大棚环境数据以有线的传输方式送到ARM中央处理器模块, 实现远程数据的传输。GPRS-GA6无线传输模块的原理图如图3所示。

图3 无线传输模块

3 软件设计

首先在主程序中首先对各模块进行初始化, 利用温湿度传感器(DHT11)、光照传感器(BH1750)采集大棚内环境数据, 并通过主控制器将数据显示至LCD显示屏上。如蔬菜大棚内温度超过上下限值则利用蜂鸣器进行报警并通过无线传输模块将数据发送给管理者。其系统总流程图如图4所示。

图4 总流程图

4 实验分析

小番茄果因为其风味独特、口感好、营养价值高, 所以成为大多数人们在日常生活中非常喜爱的食物。同时小番茄果属于经济型作物, 当前我国种植小番茄果时利用温室大棚非常广泛, 所以本次实验以种植小番茄果为例, 由表1可看出小番茄果生长环境的需求。

表1 小番茄果实验大棚参数(温棚内参数设置)

注: d代表白天, n代表夜晚。

将OpenMV通过USB连接至计算机, 利用OpenMV内置OV7725摄像模块在计算机OpenMV IDE界面实时观察到植物的生长情况如图5所示。

LCD1602液晶显示屏显示结果如图6所示。显示内容为蔬菜大棚内的实时数据采集, 分别是温度: 19 ℃, 湿度: 30%, 光照度: 45 000 Lx, 4月份现在正值小番茄果上市阶段, 所以对照表1数据, 可以观察到温度和光照度都达到了小番茄果花果期的环境参数要求, 而湿度则是没有达到, 花果期的小番茄果要求湿度为45%～60%, 根据观测到的情况, 种植户可以选择给蔬菜大棚内增加湿度, 以确保小番茄果能正常结果上市。

图5 内部监控界面

图6 液晶显示屏图像

5 小结

通过提出以机器视觉OpenMV为核心, 集温湿度传感器(DHT11)、光照传感器(BH1750)、无线传输模块(nRF24L01)、实时监控模块(OV7725)、液晶显示模块和发音报警模块于一体的蔬菜大棚环境监测系统。实现对蔬菜大棚内部的温度、湿度和光照强度进行采集, 并通过分析显示、无线传送达到实时监测的目的, 加强了对远程监控和无线收发模块在蔬菜大棚内的应用, 便于管理者和消费者对绿色蔬菜生长情况进行实时观测。可以为实现智慧绿色农业、减低农业成本、实现农业更新换代转型的目标, 提供一份力量和参考。该监测系统还存在一些需要完善的部分, 例如本文只对大棚内部的环境进行了检测, 没有根据需要连接相关的执行设备, 来自动调节大棚内部环境, 对比国内外温室大棚的发展情况, 我国的技术发展的力度还不够, 对于实现功能齐全自动化、智能化的农产品生产监控系统还有一定的距离。这一目标也将成为我国关于智能、新型农业的研究与发展趋势。

[1] 赵继春, 孙素芬, 郭建鑫, 等. 基于无线传感器网络的设施农业环境智能监测系统设计[J]. 中国农机化学报, 2020, 41(4): 146–151.

[2] 郭良琴. 浅析遥感技术在农业生产过程中的应用[J]. 农业与技术, 2020, 40(5): 44–45.

[3] 梁永恩. 基于MQTT的农业大棚环境监测系统[J]. 信息与电脑(理论版), 2020, 32(3): 70–71, 74.

[4] 翟凌宇, 孙凯旋. 基于云计算的智慧农业物联网云平台[J]. 软件, 2020, 41(1): 258–262.

[5] 周万锴, 龙敏. 基于区块链的环境监测数据安全传输方案[J]. 计算机科学, 2020, 47(1): 315–320.

[6] 韩团军, 尹继武, 赵增群, 等. 基于LoRa的远程分布式农业环境监测系统的设计[J]. 江苏农业科学, 2019, 47(19): 236–240.

[7] 刘海明, 吴宏杰. 基于激光传感控制的农业大棚监测系统设计[J]. 激光杂志, 2019, 40(9): 167–171.

[8] 刘燕, 尚春明, 高振江, 等. 番茄新品种黄化曲叶病毒病抗性基因Ty1、Ty3的分子标记[J]. 北方农业学报, 2018, 46(1): 33–35.

[9] 张烨. 基于Arduino控制板的蔬菜大棚环境参数无线采集系统[J]. 江苏农业科学, 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

湖南省教育厅优青项目(20B398); 常德市科技创新项目(常科函（2020）75号); 湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(2048); 2019湖南省普通高校教学改革研究项目（291号-684号）。

(责任编校: 郭冬生)