基于机器视觉的黄瓜大棚农药自动喷洒装置设计

朱晨曦

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

目前，黄瓜种植以温室大棚种植形式为主，尤其是在华北地区，大棚种植是农产品种植的主要形式之一。在黄瓜种植过程中，利用农药来防治病虫害是农户的重要任务之一。之前很长一段时间内，农药喷洒都是由农户人工来进行。近年来，随着种植规模的不断扩大，以及农业新技术的大量应用，机械喷洒、自动喷洒装置逐步发展成为黄瓜大棚农药喷洒的主要方式，其实际应用效果也比较理想，不仅在一定程度上减少了防治次数，而且提高了黄瓜的种植质量。

1 基于视觉系统的农药自动喷洒技术的必要性分析

农业是一个国家得以持续发展的基础，农业是我国的第一产业，我国历来非常关注农业生产和农业技术，并且也充分意识到农业技术装备水平的高低会直接影响到国家的综合实力与竞争力。之前较长一段时间内，我国农业领域普遍采用传统施药技术，传统施药技术不仅在专业层面上存在着很多问题和漏洞，而且随着社会的发展与进步，传统施药技术已经无法跟上现代农业的发展步伐，逐渐被淘汰。现阶段，我国的农业机械化发展已经成功驶入了快车道，越来越多先进的农业种植和生产技术被引入和应用，大大提升了现代农业的自动化和智能化水平。但单从农作物施药技术这一层面来看，目前还是有很多地区农户仍采用粗放式施药方式，这种粗放式施药方式不仅存在着严重的农药浪费问题，而且还可能导致农户出现中毒的情况。此外，因为粗放式施药方式会出现过量用药的问题，所以会导致多余的农药残留到农作物中，或者侵蚀到土壤和地下水中，这种危害是持久且难以逆转的。这与现代化农业发展的目标和要求是背道而驰的，长此以往，必将威胁和破坏人类赖以生存的环境。根据权威部门的调查研究，如果对农作物精准施药，那么大约可以节省40%～60%的农药量。不仅有效改善了农户的作业环境，降低了农户的劳动强度，而且还大大提高了农药的使用效率，节省了农药用量，进而起到保护环境的目的。因此，应用基于视觉系统的农药自动喷洒技术完成农作物的农药喷洒工作有着非常强的必要性[1]。

2 棚室黄瓜用药要求和注意事项

在农作物生产过程中，农药是不可或缺的一种生产资料。施用农药主要是为了减少病虫害、抑制病菌等，以保证农作物的产量和质量。但在实际农作物施药过程中，因为受到温度、技术、用药剂量等因素的影响，很多农作物特别是敏感农作物发生药害的概率是非常高的。就大棚黄瓜而言，其对农药本身就较其他农作物更为敏感一些。因此，针对大棚黄瓜使用农药的情况更需要给予高度关注和严格控制，具体表现在以下几个方面：

1）对农药的浓度以及配药剂量要给予严格控制，要保证药剂混用的科学性与合理性。对大棚黄瓜施药时，需要使用干净的水，如果水是硬水则需要进行软化处理。在对黄瓜植株进行喷药时，一定要保证喷洒的均匀性、细致性以及周到性，尽可能避免局部用药过多情况的发生[2]。

2）基于大棚黄瓜的生长规律，用户必须严格按照黄瓜所出现的症状明确农药的具体使用部位，要做到对症下药，以保证农药效果得以充分发挥。在使用农药时要充分考虑到大棚黄瓜的用药需求，要考虑到病虫害的不同特点，保证用药部位的精准度。例如，大棚黄瓜出现了轮纹病或者叶枯病等，需要将农药喷洒在黄瓜植株的叶面；大棚黄瓜出现了白粉病、疫病等，需要将农药喷洒到黄瓜植株的叶背[3]。

3 基于机器视觉的黄瓜大棚农药自动喷洒装置的设计

3.1 棚内农药自动精确喷雾系统设计

3.1.1 棚内农药自动精确喷雾系统设计的要求

综合考量研究目标以及黄瓜大棚对农药喷洒的具体要求，在对棚内农药自动精确喷雾系统进行设计时，需重点考量以下几点：

1）重点关注施药器材与黄瓜植株二者之间的相对运动规律。

2）借助先进的机器视觉技术对黄瓜植株的图像进行实时采集，以采集到的图像资料作为参考依据，进一步制定出相应的处理方案和对策。

3）根据图像处理的结果制定更具针对性和实效性的施药计划。

4）上位机和下位机单片机数据交换之后，把最终的结果转化成为喷雾指令，通过对喷雾执行系统进行控制来保证喷雾结果的精确度[4]。

3.1.2 棚内农药自动精确喷雾系统硬件组成部分

棚内农药自动精确喷雾硬件系统总体可以划分为三大组成部分，即运动模拟装置、图像采集装置、自动精确施药装置。棚内农药自动精确喷雾系统硬件的组成部分如图1所示。

图1 棚内农药自动精确喷雾系统

关于棚内农药自动精确喷雾系统硬件三大组成部分，进行如下阐述：

1）运动模拟装置。在运动模拟装置中，设计重点在于传输带式的模拟运动试验台。在该试验台中，主要内容是对施药器械与施药目标的相对运动规律进行模拟，同时，借助机器视觉系统来同步对连续目标的运动图像进行精准合理的采集。

2）图像采集装置。图像采集装置主要包含图像采集卡、CCD摄像头、PC机等核心元件。目前市面上使用频率比较高的图像采集装置当中的CCD摄像头多为Panasonic WV-CP450 ColorCCTV Camera，配套镜头多为Panasonic Auto IrisLens LA9C3AE。在采集图像时，摄像头会置于三脚架上面，整体会放置在距离传输带1.12 m左右的位置，镜头需要保持和黄瓜植株一样高的位置，基线和传输带运动方向保持垂直。图像采集卡的型号一般是Miro Video DC30Plus，该型号的图像采集卡最大分辨率是712×534像素，基本上可以满足黄瓜植株图像的采集需求。至于PC机，采集卡会插在PC的PCI插槽上，卡上的视频复合端子接收CCD摄像头采集到的模拟视频信号，并将信号数字化，供系统后续使用。当传输带带动黄瓜植株转动时，配合开发的软件，机器视觉装置便可采集到连续的黄瓜植株运动图像[5]。

3）自动精确施药装置。自动精确施药装置的核心组成部件主要有单片机、喷雾台架和喷头系统等。自动精确施药装置之所以能够保证施药精确性，其中的原理如下：喷雾架横梁上面所布置的多个喷头可以测试图像处理和喷雾决策结果的正误情况[6]。自动精确施药装置中所使用的喷头多是由一个二位二通电磁阀来对开闭情况进行控制的。电磁阀的控制信号由单片机的I/O端口提供。电磁阀工作电压为220 V，单片机发出的控制指令为5 V，因此，在电磁阀和下位机之间接中间继电器，喷头连同电磁阀和继电器一同安装在盒子上。喷头控制原理图如图2所示。

图2 喷头控制原理图

3.2 黄瓜大棚农药自动精确喷雾系统设计核心内容

3.2.1 精准采集黄瓜植株图像是基本前提

科学应用相应技术和系统来连续采集模拟运动黄瓜植株的图像。一般情况下，视频流中帧图像的格式是由其所使用的PC机显示卡以及图像采集卡共同决定的，其多会选择设备无关位图这一格式。利用关键帧提取功能，从视频流中提取到关键帧，进而进行分析处理，这样一来CPU的负担便可以得到有效减轻[7]。

3.2.2 对采集到图像信息进行分割处理

对采集到的图像进行分割处理，把目标黄瓜植株逐一从背景当中分割开来。基于颜色分割算法，把获取到的图像由RGB模型转化为HSI模型，如此一来便可以起到削弱光照强度的目的。基于颜色的分割算法，即通过转换色彩模型来完成图像分割的方式，需要耗费很长时间，而且对于一些实时性比较强的场合，图像分割算法便不再适用。在不同的光照条件下，直接用RGB值来进行识别会导致错误的结果。而利用简单的算术操作来组合RGB分量形成相对色彩因子（relative color indices）进行彩色图像分割，可以大大降低光照强度的影响[8]。

结合光线实际条件，包括实验室可控光和室外自然光，尽可能拍摄更多黄瓜绿色植株和叶子的图像，用于RGB各分量的分析。其规律是，图像中的G分量值普遍较高，B分量值和R分量值则相对要低一些。但是，图像中的背景则与之相反。以此为依据来设计2G/(R+B)和(R+B+G)/3这一组相对色彩因子，保证分割黄瓜植株图像和背景的效果。在此过程中，设计者需要结合实际情况适时适当加入(R+B+G)/3，以保证图像拥有充足的光照强度，如此便可以有效减少因光线不足导致图像暗区发生分割错误的情况。在完成图像分割之后，还需要进一步考虑如何排除随机噪声的干扰，需要对图像进行中值滤波处理，以保证最终分割结果的准确性，进而实现精准施药的目标。关于这一步骤，可以采取的具体方式是把CCD摄像头的可见视野均匀划分成为多个控制区，每一个控制区都要配置一个喷头。以分割之后的黄瓜植株图像为准，对每一个区域的情况进行精准检测，如果控制区中有目标出现，那么就打开喷头喷洒农药，如果没有目标，喷头就会处于关闭状态[9]。

3.2.3 保证信息发送的顺利和高效

利用PC机主板上的COM口将施药决策的结果发送至单片机，用MSComm控件来进行串口编程。由于PC是RS232电平，而单片机是TTL电平，因此必须在它们之间使用一个电平转换电路[10]。

4 结束语

综上所述，基于机器视觉的黄瓜大棚农药自动喷洒装置不仅解放了劳动力，不再需要人工来完成黄瓜农药喷洒作业，而且有效保证了黄瓜大棚农药喷洒的精准度，有效防治了病虫害，这是智慧农业中农药喷洒技术创新和突破的重要表现。