朱晨曦

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299）

目前，黃瓜種植以溫室大棚種植形式為主，尤其是在華北地區(qū)，大棚種植是農(nóng)產(chǎn)品種植的主要形式之一。在黃瓜種植過程中，利用農(nóng)藥來防治病蟲害是農(nóng)戶的重要任務(wù)之一。之前很長一段時(shí)間內(nèi)，農(nóng)藥噴灑都是由農(nóng)戶人工來進(jìn)行。近年來，隨著種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及農(nóng)業(yè)新技術(shù)的大量應(yīng)用，機(jī)械噴灑、自動(dòng)噴灑裝置逐步發(fā)展成為黃瓜大棚農(nóng)藥噴灑的主要方式，其實(shí)際應(yīng)用效果也比較理想，不僅在一定程度上減少了防治次數(shù)，而且提高了黃瓜的種植質(zhì)量。

1 基于視覺系統(tǒng)的農(nóng)藥自動(dòng)噴灑技術(shù)的必要性分析

農(nóng)業(yè)是一個(gè)國家得以持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)是我國的第一產(chǎn)業(yè)，我國歷來非常關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)技術(shù)，并且也充分意識(shí)到農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備水平的高低會(huì)直接影響到國家的綜合實(shí)力與競爭力。之前較長一段時(shí)間內(nèi)，我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域普遍采用傳統(tǒng)施藥技術(shù)，傳統(tǒng)施藥技術(shù)不僅在專業(yè)層面上存在著很多問題和漏洞，而且隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，傳統(tǒng)施藥技術(shù)已經(jīng)無法跟上現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展步伐，逐漸被淘汰?，F(xiàn)階段，我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展已經(jīng)成功駛?cè)肓丝燔嚨?，越來越多先進(jìn)的農(nóng)業(yè)種植和生產(chǎn)技術(shù)被引入和應(yīng)用，大大提升了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平。但單從農(nóng)作物施藥技術(shù)這一層面來看，目前還是有很多地區(qū)農(nóng)戶仍采用粗放式施藥方式，這種粗放式施藥方式不僅存在著嚴(yán)重的農(nóng)藥浪費(fèi)問題，而且還可能導(dǎo)致農(nóng)戶出現(xiàn)中毒的情況。此外，因?yàn)榇址攀绞┧幏绞綍?huì)出現(xiàn)過量用藥的問題，所以會(huì)導(dǎo)致多余的農(nóng)藥殘留到農(nóng)作物中，或者侵蝕到土壤和地下水中，這種危害是持久且難以逆轉(zhuǎn)的。這與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和要求是背道而馳的，長此以往，必將威脅和破壞人類賴以生存的環(huán)境。根據(jù)權(quán)威部門的調(diào)查研究，如果對(duì)農(nóng)作物精準(zhǔn)施藥，那么大約可以節(jié)省40%～60%的農(nóng)藥量。不僅有效改善了農(nóng)戶的作業(yè)環(huán)境，降低了農(nóng)戶的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還大大提高了農(nóng)藥的使用效率，節(jié)省了農(nóng)藥用量，進(jìn)而起到保護(hù)環(huán)境的目的。因此，應(yīng)用基于視覺系統(tǒng)的農(nóng)藥自動(dòng)噴灑技術(shù)完成農(nóng)作物的農(nóng)藥噴灑工作有著非常強(qiáng)的必要性[1]。

2 棚室黃瓜用藥要求和注意事項(xiàng)

在農(nóng)作物生產(chǎn)過程中，農(nóng)藥是不可或缺的一種生產(chǎn)資料。施用農(nóng)藥主要是為了減少病蟲害、抑制病菌等，以保證農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。但在實(shí)際農(nóng)作物施藥過程中，因?yàn)槭艿綔囟?、技術(shù)、用藥劑量等因素的影響，很多農(nóng)作物特別是敏感農(nóng)作物發(fā)生藥害的概率是非常高的。就大棚黃瓜而言，其對(duì)農(nóng)藥本身就較其他農(nóng)作物更為敏感一些。因此，針對(duì)大棚黃瓜使用農(nóng)藥的情況更需要給予高度關(guān)注和嚴(yán)格控制，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）對(duì)農(nóng)藥的濃度以及配藥劑量要給予嚴(yán)格控制，要保證藥劑混用的科學(xué)性與合理性。對(duì)大棚黃瓜施藥時(shí)，需要使用干凈的水，如果水是硬水則需要進(jìn)行軟化處理。在對(duì)黃瓜植株進(jìn)行噴藥時(shí)，一定要保證噴灑的均勻性、細(xì)致性以及周到性，盡可能避免局部用藥過多情況的發(fā)生[2]。

2）基于大棚黃瓜的生長規(guī)律，用戶必須嚴(yán)格按照黃瓜所出現(xiàn)的癥狀明確農(nóng)藥的具體使用部位，要做到對(duì)癥下藥，以保證農(nóng)藥效果得以充分發(fā)揮。在使用農(nóng)藥時(shí)要充分考慮到大棚黃瓜的用藥需求，要考慮到病蟲害的不同特點(diǎn)，保證用藥部位的精準(zhǔn)度。例如，大棚黃瓜出現(xiàn)了輪紋病或者葉枯病等，需要將農(nóng)藥噴灑在黃瓜植株的葉面；大棚黃瓜出現(xiàn)了白粉病、疫病等，需要將農(nóng)藥噴灑到黃瓜植株的葉背[3]。

3 基于機(jī)器視覺的黃瓜大棚農(nóng)藥自動(dòng)噴灑裝置的設(shè)計(jì)

3.1 棚內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 棚內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求

綜合考量研究目標(biāo)以及黃瓜大棚對(duì)農(nóng)藥噴灑的具體要求，在對(duì)棚內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)考量以下幾點(diǎn)：

1）重點(diǎn)關(guān)注施藥器材與黃瓜植株二者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2）借助先進(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)黃瓜植株的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以采集到的圖像資料作為參考依據(jù)，進(jìn)一步制定出相應(yīng)的處理方案和對(duì)策。

3）根據(jù)圖像處理的結(jié)果制定更具針對(duì)性和實(shí)效性的施藥計(jì)劃。

4）上位機(jī)和下位機(jī)單片機(jī)數(shù)據(jù)交換之后，把最終的結(jié)果轉(zhuǎn)化成為噴霧指令，通過對(duì)噴霧執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行控制來保證噴霧結(jié)果的精確度[4]。

3.1.2 棚內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)硬件組成部分

棚內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧硬件系統(tǒng)總體可以劃分為三大組成部分，即運(yùn)動(dòng)模擬裝置、圖像采集裝置、自動(dòng)精確施藥裝置。棚內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)硬件的組成部分如圖1所示。

圖1 棚內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)

關(guān)于棚內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)硬件三大組成部分，進(jìn)行如下闡述：

1）運(yùn)動(dòng)模擬裝置。在運(yùn)動(dòng)模擬裝置中，設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于傳輸帶式的模擬運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。在該試驗(yàn)臺(tái)中，主要內(nèi)容是對(duì)施藥器械與施藥目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬，同時(shí)，借助機(jī)器視覺系統(tǒng)來同步對(duì)連續(xù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行精準(zhǔn)合理的采集。

2）圖像采集裝置。圖像采集裝置主要包含圖像采集卡、CCD攝像頭、PC機(jī)等核心元件。目前市面上使用頻率比較高的圖像采集裝置當(dāng)中的CCD攝像頭多為Panasonic WV-CP450 ColorCCTV Camera，配套鏡頭多為Panasonic Auto IrisLens LA9C3AE。在采集圖像時(shí)，攝像頭會(huì)置于三腳架上面，整體會(huì)放置在距離傳輸帶1.12 m左右的位置，鏡頭需要保持和黃瓜植株一樣高的位置，基線和傳輸帶運(yùn)動(dòng)方向保持垂直。圖像采集卡的型號(hào)一般是Miro Video DC30Plus，該型號(hào)的圖像采集卡最大分辨率是712×534像素，基本上可以滿足黃瓜植株圖像的采集需求。至于PC機(jī)，采集卡會(huì)插在PC的PCI插槽上，卡上的視頻復(fù)合端子接收CCD攝像頭采集到的模擬視頻信號(hào)，并將信號(hào)數(shù)字化，供系統(tǒng)后續(xù)使用。當(dāng)傳輸帶帶動(dòng)黃瓜植株轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，配合開發(fā)的軟件，機(jī)器視覺裝置便可采集到連續(xù)的黃瓜植株運(yùn)動(dòng)圖像[5]。

3）自動(dòng)精確施藥裝置。自動(dòng)精確施藥裝置的核心組成部件主要有單片機(jī)、噴霧臺(tái)架和噴頭系統(tǒng)等。自動(dòng)精確施藥裝置之所以能夠保證施藥精確性，其中的原理如下：噴霧架橫梁上面所布置的多個(gè)噴頭可以測試圖像處理和噴霧決策結(jié)果的正誤情況[6]。自動(dòng)精確施藥裝置中所使用的噴頭多是由一個(gè)二位二通電磁閥來對(duì)開閉情況進(jìn)行控制的。電磁閥的控制信號(hào)由單片機(jī)的I/O端口提供。電磁閥工作電壓為220 V，單片機(jī)發(fā)出的控制指令為5 V，因此，在電磁閥和下位機(jī)之間接中間繼電器，噴頭連同電磁閥和繼電器一同安裝在盒子上。噴頭控制原理圖如圖2所示。

圖2 噴頭控制原理圖

3.2 黃瓜大棚農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心內(nèi)容

3.2.1 精準(zhǔn)采集黃瓜植株圖像是基本前提

科學(xué)應(yīng)用相應(yīng)技術(shù)和系統(tǒng)來連續(xù)采集模擬運(yùn)動(dòng)黃瓜植株的圖像。一般情況下，視頻流中幀圖像的格式是由其所使用的PC機(jī)顯示卡以及圖像采集卡共同決定的，其多會(huì)選擇設(shè)備無關(guān)位圖這一格式。利用關(guān)鍵幀提取功能，從視頻流中提取到關(guān)鍵幀，進(jìn)而進(jìn)行分析處理，這樣一來CPU的負(fù)擔(dān)便可以得到有效減輕[7]。

3.2.2 對(duì)采集到圖像信息進(jìn)行分割處理

對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分割處理，把目標(biāo)黃瓜植株逐一從背景當(dāng)中分割開來?；陬伾指钏惴?，把獲取到的圖像由RGB模型轉(zhuǎn)化為HSI模型，如此一來便可以起到削弱光照強(qiáng)度的目的。基于顏色的分割算法，即通過轉(zhuǎn)換色彩模型來完成圖像分割的方式，需要耗費(fèi)很長時(shí)間，而且對(duì)于一些實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)的場合，圖像分割算法便不再適用。在不同的光照條件下，直接用RGB值來進(jìn)行識(shí)別會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。而利用簡單的算術(shù)操作來組合RGB分量形成相對(duì)色彩因子（relative color indices）進(jìn)行彩色圖像分割，可以大大降低光照強(qiáng)度的影響[8]。

結(jié)合光線實(shí)際條件，包括實(shí)驗(yàn)室可控光和室外自然光，盡可能拍攝更多黃瓜綠色植株和葉子的圖像，用于RGB各分量的分析。其規(guī)律是，圖像中的G分量值普遍較高，B分量值和R分量值則相對(duì)要低一些。但是，圖像中的背景則與之相反。以此為依據(jù)來設(shè)計(jì)2G/(R+B)和(R+B+G)/3這一組相對(duì)色彩因子，保證分割黃瓜植株圖像和背景的效果。在此過程中，設(shè)計(jì)者需要結(jié)合實(shí)際情況適時(shí)適當(dāng)加入(R+B+G)/3，以保證圖像擁有充足的光照強(qiáng)度，如此便可以有效減少因光線不足導(dǎo)致圖像暗區(qū)發(fā)生分割錯(cuò)誤的情況。在完成圖像分割之后，還需要進(jìn)一步考慮如何排除隨機(jī)噪聲的干擾，需要對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波處理，以保證最終分割結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的目標(biāo)。關(guān)于這一步驟，可以采取的具體方式是把CCD攝像頭的可見視野均勻劃分成為多個(gè)控制區(qū)，每一個(gè)控制區(qū)都要配置一個(gè)噴頭。以分割之后的黃瓜植株圖像為準(zhǔn)，對(duì)每一個(gè)區(qū)域的情況進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，如果控制區(qū)中有目標(biāo)出現(xiàn)，那么就打開噴頭噴灑農(nóng)藥，如果沒有目標(biāo)，噴頭就會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)[9]。

3.2.3 保證信息發(fā)送的順利和高效

利用PC機(jī)主板上的COM口將施藥決策的結(jié)果發(fā)送至單片機(jī)，用MSComm控件來進(jìn)行串口編程。由于PC是RS232電平，而單片機(jī)是TTL電平，因此必須在它們之間使用一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路[10]。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于機(jī)器視覺的黃瓜大棚農(nóng)藥自動(dòng)噴灑裝置不僅解放了勞動(dòng)力，不再需要人工來完成黃瓜農(nóng)藥噴灑作業(yè)，而且有效保證了黃瓜大棚農(nóng)藥噴灑的精準(zhǔn)度，有效防治了病蟲害，這是智慧農(nóng)業(yè)中農(nóng)藥噴灑技術(shù)創(chuàng)新和突破的重要表現(xiàn)。