基于Open CV和激光点云的黑皮鸡枞菌生长监控系统

王欢 赵鑫鑫 商飞 黄健

一、前言

随着人们健康意识的不断提高和食品消费的不断升级，食用菌作为一种营养丰富、健康美味的食品，越来越受到人们的青睐。黑皮鸡枞菌属担子亚门菌，层菌纲，伞菌目，白蘑科，又名长根菇。它不仅含有丰富的氨基酸、维生素和醇类物质及多种生物酶，还含有多酚、多糖、黄酮等多种生物活性成分，是食用菌中的优良品种。然而黑皮鸡枞菌菇的采摘是一个劳动密集型工作，需要人力不断重复检查菌菇的生长情况，不及时采摘的菌菇会失去食用价值。通过对黑皮鸡枞菌生长过程的研究和管理，可以为其产量和质量提供更加可靠的保证，为消费者提供更加安全和健康的食品。

二、研究背景

近年来，计算机视觉和激光雷达技术在多个领域中都得到了广泛应用。在工业自动化领域，这些技术被用于生产线上的质量检测和定位控制等任务。在医疗诊断领域，计算机视觉技术可以帮助医生进行更精确的疾病诊断和治疗方案制定。在智能交通领域，激光雷达技术被用于实现自动驾驶和交通拥堵分析等功能。

然而，尽管计算机视觉和激光雷达技术在其他领域的应用已经得到了广泛的研究和关注，但在黑皮鸡枞菌生长监控方面的应用和研究还相对较少。传统的生长监控方法主要是通过人工观察和测量，这种方法不仅效率低下，而且难以实现准确的监测和预测。

通过对黑皮鸡枞菌生长监控自动化技术的研究，也可以为其他食用菌的种植和管理提供有益的参考和借鉴。

三、创新设计生长监控系统

Open CV视觉处理技术发展迅速，激光雷达精度不断提高，多种电子器件组合可以做到低功耗和微型化，实现很多自动化的智能产品。如图1结构监控系统底视图所示，本系统通过广角深度镜头和激光雷达，采集种植平面的深度图像数据和激光点云数据，经过数据融合、测距和目标识别，实现对各黑皮鸡枞菌个体实时定位和判定是否成熟，为种植者实现菌菇采摘自动化提供精准的决策数据。用户将监控系统置于需要监控的菌菇种植平面正上方，监控系统将根据用户设置的时间间隔对目标种植平面进行数据采集；使用多个广角镜头配合Open CV深度和拼接算法，采集种植平面的顶视深度图像数据并对图像中的菌菇进行识别和定位；使用激光雷达采集种植平面的激光点云数据；RISC-V处理器模块运行多种程序完成对前述采集数据的处理，进而形成目标种植平面中各菌菇高度的实时数据和随时间变化的数据库；根据用户需求，通过扬声器发出菌菇生长缓慢或菌菇生长成熟等提示音，并可以将数据库通过无线Wi-Fi传输给后台供用户进一步使用。本监控系统由结构体、广角摄像头、带触摸屏LED显示屏、扬声器模组，RISC-V处理器、激光雷达、无线Wi-Fi模块、电源等部分组成，其电路系统架构如图2。

（一） 结构体。负责为各组成模块提供安装和固定的结构空间，根据用户需求提供多种外接固定方式，如螺钉、吊架等，采用ABS工程塑料或金属材料制作。

（二） 广角摄像头。负责采集目标种植平面的深度图像信息，采用2个镜头组成一个模组，采用2个模组拼接组成360°深度视野，通过使用Open CV函数进行图像拼接和深度估计。

（三） 带触摸屏LED显示屏。负责与用户进行信息交换，用户可通过屏幕设置监控模块工作间隔时间、扬声器模块声音类型和音量、設置该模块用户自定义编号、设置模块Wi-Fi名称和密码等。

（四） 扬声器模块。负责根据RISC-V处理器的指令以用户设置的音量播放用户预存的各种提示语音，如编号xx菌菇生长过慢、编号xx菌菇生产成熟等。

（五） RISC-V处理器。本模块包含一颗RISC-V处理器芯片、一颗扬声器驱动芯片及附属多种外围芯片；RISC-V处理器芯片采用全志公司的D1芯片，RISC-V处理器芯片运行经过裁剪的嵌入式Linux操作系统，操作系统上运行Open CV目标检测程序、激光点云生成程序和数据融合程序等；扬声器驱动芯片采用宇音天下科技公司的OSYNO6188语音合成芯片，负责根据RISC-V处理器的指令驱动扬声器发出特定的语音信息；Open CV程序基于Stitching模块实现图像拼接，基于Semi-global block matching（SGBM）立体匹配算法和视差处理算法完成目标种植平面的深度信息估计，负责识别并定位出图像中的菌菇位置；激光点云生成程序负责根据激光雷达采集的数据实时生成目标种植平面的三维点云数据；数据融合程序负责根据深度图像识别和定位结果在三维点云数据中找出目标种植平面中各菌菇高度的数据，并将数据存档，进而形成各菌菇高度随时间变化的数据库。

（六） 激光雷达。负责根据RISC-V处理器指令采集目标种植平面的激光点云数据。

（七） 无线Wi-Fi模块。负责监控模块无线通信，为RISC-V处理器模块提供网络数据交互。

（八） 电源。本部分包含一个电源芯片模组，负责完成220V交流电源转换为12V直流电源，为监控模块提供电源。

四、结论

本文介绍了一种新颖而实用的黑皮鸡枞菌生长监控系统，通过使用Open CV图像处理技术和激光点云数据，实现自动化定时监控黑皮鸡枞菌生长情况，极大的提高了生产效率。该系统具有完全自有知识产权。

（作者单位：王欢  商飞 黄健 山东省农业机械技术推广站；赵鑫鑫 山东浪潮科学研究院）