宋振南 ，姜麗梅 ，穆春志 ，嚴(yán) 冉 ，畢瀚聰 ，李 白

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展與農(nóng)業(yè)智能化水平的日益提升，農(nóng)業(yè)大棚出現(xiàn)了諸多先進(jìn)的農(nóng)作物生產(chǎn)技術(shù)。然而，新挑戰(zhàn)也逐漸明顯，其中包括因電氣短路、設(shè)備過熱等原因?qū)е碌霓r(nóng)業(yè)大棚火災(zāi)[1]。大棚火災(zāi)的發(fā)生會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生重大影響，對(duì)人們生活構(gòu)成威脅[2]。傳統(tǒng)的滅火方式往往需要人力投入，反應(yīng)時(shí)間長，效果有限，而且存在一定的安全隱患。

為了提升處理農(nóng)業(yè)大棚火災(zāi)的效率與安全性，近年來越來越多的研究開始關(guān)注消防滅火機(jī)器人的開發(fā)[3]。然而，目前消防滅火機(jī)器人多數(shù)使用的是復(fù)雜傳感器設(shè)備，價(jià)格昂貴，且面臨精確識(shí)別火源與判斷滅火場景難度大、自主導(dǎo)航能力不足等問題。

在此背景下，課題組提出了一種基于OpenCV 圖像識(shí)別技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人。OpenCV 作為一個(gè)開源計(jì)算機(jī)視覺庫，具有強(qiáng)大的圖像處理能力，優(yōu)勢(shì)在于實(shí)時(shí)性強(qiáng)、處理速度快和識(shí)別精度高[4]。結(jié)合OpenCV 的圖像識(shí)別技術(shù)，消防滅火機(jī)器人可以迅速識(shí)別滅火環(huán)境并計(jì)算出最佳的滅火路徑。通過使用靈活可靠的攝像頭和傳感器設(shè)備，機(jī)器人可以實(shí)時(shí)獲取并分析農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的火災(zāi)相關(guān)信息，如火源位置、溫度和煙霧濃度等。基于這些信息，機(jī)器人可以快速作出判斷，確定滅火方案并自主執(zhí)行滅火操作[5]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人的研究和實(shí)驗(yàn)在國內(nèi)得到越來越多的關(guān)注。多所高校、科研機(jī)構(gòu)和農(nóng)業(yè)企業(yè)正在進(jìn)行相關(guān)研發(fā)工作，探索如何利用機(jī)器人技術(shù)提高農(nóng)業(yè)大棚火災(zāi)處理效率和安全性[6]。

研究重點(diǎn)包括機(jī)器人的導(dǎo)航、控制系統(tǒng)、傳感器技術(shù)以及圖像識(shí)別算法等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新。通過自主導(dǎo)航和傳感器監(jiān)測(cè)火災(zāi)信息，機(jī)器人能夠迅速定位火源位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)滅火。隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人的性能和能力也在不斷提升。應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和自主控制等技術(shù)，提高機(jī)器人的應(yīng)變能力和火災(zāi)處理效率[7]。數(shù)據(jù)共享和云平臺(tái)的建設(shè)將促進(jìn)農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人的普及。通過可靠的數(shù)據(jù)管理和分析，可以實(shí)現(xiàn)更高效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，減少火災(zāi)損失。

政府對(duì)農(nóng)業(yè)大棚消防的重視和支持將進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)安全領(lǐng)域的應(yīng)用。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和政策的制定也有助于推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展[8]。商業(yè)化進(jìn)程逐漸加快，越來越多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和企業(yè)意識(shí)到農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人的潛力，將投資于相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用。

1.2 國外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

在國外，農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人的研究和開發(fā)已取得顯著進(jìn)展。一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)推出了商用的農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人，并將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。隨著農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人需求的增加，產(chǎn)業(yè)鏈也在逐漸形成，涉及硬件制造、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)集成等環(huán)節(jié)的企業(yè)開始崛起[9]。

除了農(nóng)業(yè)安全，農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人還可以幫助提高生產(chǎn)效率和節(jié)約人力成本。因此，在一些發(fā)達(dá)國家，還出現(xiàn)了將機(jī)器人與自動(dòng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的趨勢(shì)。

2 整體設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）機(jī)器人本體設(shè)計(jì)：需要考慮機(jī)器人的尺寸、重量、形態(tài)和材質(zhì)等因素，以滿足不同的操作場景和任務(wù)需求。

2）機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)：包括機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行器等硬件部分的設(shè)計(jì)和選擇。動(dòng)力系統(tǒng)可以采用電池或太陽能等便攜式動(dòng)力系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度、氧氣濃度等參數(shù)以及火災(zāi)的狀態(tài)。執(zhí)行器主要用于開啟或關(guān)閉噴水管道、噴嘴等，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人滅火操作。

3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：這是農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人的核心，控制系統(tǒng)需要能根據(jù)傳感器獲取的參數(shù)自主判斷環(huán)境中是否存在火災(zāi)，并根據(jù)判斷結(jié)果控制機(jī)器人的移動(dòng)和操作?？刂葡到y(tǒng)可以采用在機(jī)器人上嵌入小型控制器的方式，控制機(jī)器人的移動(dòng)、噴水時(shí)間、噴水量等。

4）軟件開發(fā)：包括通過機(jī)器學(xué)習(xí)等方法訓(xùn)練滅火行為和相應(yīng)的算法，開發(fā)控制機(jī)器人執(zhí)行滅火操作的軟件。軟件可以部署在機(jī)器人上，以實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)環(huán)境中出現(xiàn)的火災(zāi)。農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人的軟件還需要與云端數(shù)據(jù)中心等系統(tǒng)協(xié)同，共享數(shù)據(jù)并保持實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)。

3 系統(tǒng)總體需求

3.1 火災(zāi)檢測(cè)需求

1）系統(tǒng)需要能夠準(zhǔn)確快速地檢測(cè)大棚內(nèi)部的火災(zāi)情況，包括火焰、煙霧和溫度等指標(biāo)。

2）系統(tǒng)需要具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在各種光照、溫度和濕度條件下進(jìn)行可靠的火災(zāi)檢測(cè)。

3.2 精準(zhǔn)目標(biāo)定位需求

1）系統(tǒng)需要能夠準(zhǔn)確定位火災(zāi)的位置，以便機(jī)器人能夠快速到達(dá)并執(zhí)行滅火任務(wù)。

2）系統(tǒng)需要具備較高的定位精度，避免誤差引導(dǎo)機(jī)器人到錯(cuò)誤的位置。

3.3 高效滅火操作需求

1）系統(tǒng)需要能夠準(zhǔn)確快速地檢測(cè)大棚內(nèi)部的火災(zāi)情況，包括火焰、煙霧和溫度等指標(biāo)。

2）系統(tǒng)需要具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在各種光照、溫度和濕度條件下進(jìn)行可靠的火災(zāi)檢測(cè)。

3.4 圖像檢測(cè)需求

1）火焰檢測(cè)：機(jī)器人需要能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)可能存在的火焰。通過圖像檢測(cè)，識(shí)別出火焰的位置和大小，以便及時(shí)采取滅火措施。

2）煙霧檢測(cè)：煙霧是火災(zāi)的早期指示之一，因此機(jī)器人需要能夠識(shí)別并準(zhǔn)確檢測(cè)大棚內(nèi)的煙霧。通過圖像檢測(cè)技術(shù)，確定煙霧的分布情況和密度，以便評(píng)估火災(zāi)的嚴(yán)重程度并采取相應(yīng)的措施。及早發(fā)現(xiàn)和處理煙霧有助于防止火災(zāi)進(jìn)一步蔓延，保護(hù)大棚內(nèi)的作物和設(shè)施安全。

3.5 自主導(dǎo)航和避障需求

1）系統(tǒng)需要具備自主導(dǎo)航能力，能夠在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中進(jìn)行路徑規(guī)劃和障礙物避讓，確保機(jī)器人安全到達(dá)火災(zāi)區(qū)域。

2）系統(tǒng)需要配備合適的傳感器和算法，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境感知和障礙物檢測(cè)，保證機(jī)器人在導(dǎo)航過程中的安全性和可靠性。

3.6 遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享需求

1）系統(tǒng)需要具備遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，允許操作人員通過網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)設(shè)備對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。

2）系統(tǒng)需要支持與云端數(shù)據(jù)平臺(tái)和其他設(shè)備的數(shù)據(jù)共享，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策。

3.7 可靠性和穩(wěn)定性需求

1）系統(tǒng)需要具備高可靠性和穩(wěn)定性，確保在各種工作環(huán)境和條件下正常運(yùn)行。2）系統(tǒng)需要具備一定的自我診斷和故障恢復(fù)能力，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理可能出現(xiàn)的故障和問題。

4 硬件設(shè)計(jì)以及算法

4.1 攝像頭模塊

使用高分辨率攝像頭，配備適當(dāng)?shù)溺R頭，以便清晰采集大棚內(nèi)部的圖像數(shù)據(jù)，用于火災(zāi)檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別。其中，火災(zāi)檢測(cè)算法是通過分析攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合煙霧傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行火災(zāi)檢測(cè)和識(shí)別，準(zhǔn)確判斷是否存在火災(zāi)。目標(biāo)識(shí)別算法是利用圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，分析攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)，識(shí)別火災(zāi)目標(biāo)和火勢(shì)變化的關(guān)鍵特征，并判斷目標(biāo)位置和尺寸信息[10]。檢測(cè)算法效果如圖2 所示，檢測(cè)算法收斂如圖3 所示。目標(biāo)檢測(cè)算法如下：

圖2 檢測(cè)算法效果

圖3 檢測(cè)算法收斂

4.2 傳感器模塊

1）煙霧傳感器：用于檢測(cè)大棚內(nèi)部的煙霧濃度變化，一旦火災(zāi)爆發(fā)，可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。2）溫度傳感器：用于監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)部的溫度變化，根據(jù)設(shè)定的閾值判斷是否存在火災(zāi)，并輔助確定火災(zāi)的規(guī)模。

4.3 導(dǎo)航和定位模塊

用GPS、慣性導(dǎo)航單元（IMU）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航和準(zhǔn)確定位功能，確保機(jī)器人能夠精確到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場。結(jié)合導(dǎo)航和定位系統(tǒng)提供的信息，設(shè)計(jì)算法確定機(jī)器人到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場的最短路徑和避開障礙物的策略。

4.4 噴水裝置

具備可調(diào)節(jié)水流、噴射角度和噴射距離的噴水裝置，用于執(zhí)行滅火操作。根據(jù)火災(zāi)的規(guī)模、位置、火勢(shì)變化以及環(huán)境條件，結(jié)合噴水裝置的能力和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，制定最佳的滅火策略，包括噴水量、噴射角度和噴射距離等參數(shù)調(diào)整。

通過將硬件設(shè)計(jì)和算法融合在一起，農(nóng)業(yè)大棚消防滅火機(jī)器人能夠準(zhǔn)確檢測(cè)火災(zāi)、自主導(dǎo)航到達(dá)現(xiàn)場，并配備噴水裝置執(zhí)行滅火操作。這樣能夠提高火災(zāi)的檢測(cè)和識(shí)別的準(zhǔn)確性，同時(shí)增強(qiáng)機(jī)器人的滅火能力和適應(yīng)性，確保在緊急情況下能夠迅速、有效地進(jìn)行滅火救援。整體實(shí)物如圖4所示。

圖4 整體實(shí)物

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 用戶界面設(shè)計(jì)

用戶界面應(yīng)該易于使用且直觀。它應(yīng)該包括一個(gè)主界面，顯示系統(tǒng)的各個(gè)功能和選項(xiàng)，并提供實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視窗口。最好的用戶界面應(yīng)該是可定制的，可以根據(jù)用戶的具體需求進(jìn)行自定義。此外，用戶界面應(yīng)該考慮到易于導(dǎo)航、易于查看、易于理解的虛擬按鈕等方面的設(shè)計(jì)。

5.2 火災(zāi)監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

火災(zāi)監(jiān)測(cè)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它必須處理視頻流，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理和分析。對(duì)于預(yù)處理功能來說，它通常需要對(duì)圖像進(jìn)行去噪、縮放、裁剪等操作，以使圖像更容易分析。一旦圖像被預(yù)處理，就可被送入算法模型進(jìn)行火災(zāi)檢測(cè)。對(duì)于算法模型來說，它可以是基于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的。

5.3 報(bào)警和通知設(shè)計(jì)

火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)需要能及時(shí)向用戶發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)可以通過蜂鳴器、電子郵件、短信等方式通知用戶，但必須確保這種通知機(jī)制已經(jīng)正確設(shè)置。通知機(jī)制需要定期測(cè)試，以確保在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠準(zhǔn)確通知用戶。

5.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析設(shè)計(jì)

對(duì)于大多數(shù)火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是至關(guān)重要的。相關(guān)數(shù)據(jù)，如整個(gè)視頻流、火災(zāi)檢測(cè)結(jié)果和其他相關(guān)的控制數(shù)據(jù)等，必須存儲(chǔ)在可靠的數(shù)據(jù)庫中。此外，數(shù)據(jù)應(yīng)該是結(jié)構(gòu)化、組織性和可擴(kuò)展性的，以支持?jǐn)?shù)據(jù)分析和查詢。同時(shí)，數(shù)據(jù)分析是必不可少的，它可以幫助用戶理解火災(zāi)的發(fā)生頻率、時(shí)間和地點(diǎn)等相關(guān)信息，并為用戶提供指導(dǎo)、預(yù)防和應(yīng)對(duì)的有用信息[11]。

5.5 系統(tǒng)安全性和可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

安全性和可擴(kuò)展性是構(gòu)建火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)的兩個(gè)主要考慮因素。關(guān)于安全性，必須確保系統(tǒng)的安全設(shè)置，如訪問控制、信任邊界、防火墻等，都得到了妥善的實(shí)現(xiàn)。另一方面，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，如添加其他監(jiān)測(cè)攝像頭、傳感器等，也必須考慮到，以確保系統(tǒng)在日后的擴(kuò)展和升級(jí)中具有良好的靈活性。

6 結(jié)論

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)于火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。通過設(shè)計(jì)直觀易用的用戶界面，用戶可以方便地與系統(tǒng)進(jìn)行交互，并實(shí)時(shí)監(jiān)視火災(zāi)情況?；馂?zāi)監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)需要充分考慮圖像預(yù)處理和火災(zāi)檢測(cè)算法的優(yōu)化，以提高檢測(cè)準(zhǔn)確度和性能效率。報(bào)警和通知功能的設(shè)計(jì)能夠及時(shí)向用戶發(fā)送警報(bào)，以便他們可以采取行動(dòng)應(yīng)對(duì)火災(zāi)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析模塊的設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)保存在可靠的數(shù)據(jù)庫中，并提供數(shù)據(jù)分析功能，以提供關(guān)于火災(zāi)發(fā)生頻率和位置的洞察，幫助用戶制定相應(yīng)的防火措施。系統(tǒng)安全性和可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)能夠確保系統(tǒng)的安全性和靈活性，以適應(yīng)不同規(guī)模和需求的環(huán)境。綜上所述，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)秀實(shí)施將增強(qiáng)火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)的功能和性能，提供更可靠的安全保障。