免耕播種機漏播圖像采集與傳輸系統設計》——基于Android和4G通信

林 宏，靳繼紅，禹玥昀，周開來

(1.西南林業大學 計算機與信息學院，昆明 650224；2.焦作師范高等專科學校 計算機與信息工程學院，河南 焦作 454001)

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免耕播種機漏播圖像采集與傳輸系統設計》
——基于Android和4G通信

林 宏1，靳繼紅2，禹玥昀1，周開來1

(1.西南林業大學 計算機與信息學院，昆明 650224；2.焦作師范高等專科學校 計算機與信息工程學院，河南 焦作 454001)

免耕播種機是現代化農業耕種常用的農機之一,其漏播率是制約播種機作業質量的關鍵。為了降低免耕播種機作業時漏播率,提高播種機作業時智能化和自動化漏播監測水平,提出了一種基于Android和4G通信圖像采集與傳輸的漏播檢測系統,并將其成功地應用到了氣動式免耕播種機上,完成了裝置的安裝和調試。采用小波算法對采集圖像和信息進行了濾波處理,通過圖像的去噪,降低了設備和耕種作業環境對播種機的影響。開發了手持終端的Android系統界面,包括漏播率報告、漏播次數顯示、播種時長、田間作業歷史數據和漏播報警等功能。最后，通過對歷史漏播數據的查詢,調試了系統的漏播檢測功能,由調試結果發現：一天的作業累計漏播率小于1%,滿足播種作業的設計要求,也驗證了基于Android和4G通信系統播種機漏播檢測系統的可行性。

免耕播種機；Android系統；4G通信；漏播檢測；自動化

0 引言

我國已經進入了信息時代，信息化、智能化、網絡化等已經成為了時代發展的代名詞。在信息化的大背景下，如何將先進的信息技術與播種機的現代化設計結合起來，構建數字化、網絡化的信息交互平臺和網絡服務體系，提高播種作業的現代化管理水平，是當前急需解決的問題。2007年，著名科技公司—谷歌公司發布了Android智能操作系統，該系統自發行起迅速占領了市場，并成為當前使用最廣泛的智能操作系統之一。Android智能手機的廣泛普及，為播種機播種作業監測技術的輔助決策系統提供了展現的平臺，如果將其應用在播種機監測系統的設計上，可以有效地提高播種機作業的自動化水平，提高其作業質量。

1 基于Android系統漏播檢測的免耕播種機設計

保護性耕作技術是當前使用的主要環保型農業耕作技術，關鍵是配套機具。在澳大利亞、美國和加拿大等國家對保護性耕作技術研究的較早，其技術已比較先進，并已經擁有了較為成熟的耕作工具。

圖1為美國Case公司推出的SDX30型免耕播種機。該型播種機采用單圓盤開溝器，排種方式為氣力式，可以在高茬覆蓋地作業。由于有壓縮空氣系統，氣力式排種方式可以適用于多種作物播種。

圖1 CasesDx30 型免耕播種機

圖2為國內現代農裝科技股份有限公司推出的2BMG-18型免耕施肥播種機。該播種機也可以在無需耕翻的土壤上進行直接的作業，并一次性地完成秸稈切割、開溝、施肥、播種、覆土和鎮壓等工序，實現了完全的免耕播種。

圖3為基于Android和4G通信的播種機漏播檢測系統框圖。系統基于Android系統架構，采用4G通信技術，可以將采集信息傳送到Android手持設備終端，實現播種機漏播檢測、漏播報警和歷史數據查詢等功能。

圖2 2BMG-18 型免耕施肥播種機

圖3 基于Android和4G通信的漏播檢測系統框圖

圖4為使用Android 智能操作系統構建的播種機漏播檢測輔助決策系統框架。該系統框架實現了云技術和Android系統的無縫對接，可以服務于大型作業農場的技術人員和農場領導決策人員。

圖4 播種機漏播檢測輔助決策系統

2 播種機漏播圖像采集和傳輸去噪算法

在播種機漏播圖像采集和傳輸過程中,受到攝像頭采集設備和外部作業環境的干擾，圖像會含有噪聲，為了對漏播率進行準確監測，需要除去或者減輕獲取圖像的噪聲。在圖像去噪的過程中,首先建立一個含噪聲的圖像模型，該圖像是由原始采摘圖像加上一個隨機噪聲實現的，其表達式為

(1)

(2)

(3)

因此平均濾波的一般輸出為

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

而離散化小波變換系數則可表示為

(10)

其重構公式為

(11)

對于播種漏播率圖像的處理可以采用小波閾值的方法，其步驟為：

1)對噪聲圖像進行小波變換，得到一組小波系數Wj,k；

(12)

定義為

(13)

該方法一般稱之為硬閾值估計方法，利用小波變換方法可以實現漏播圖像的去噪，從而提高信號的輸出精度。將采集數據得到的信息利用4G通信技術進行信號傳遞，最后將結果呈現在基于Android系統的手持設備上，實現播種機播種作業質量問題的實時預警，便于大型自動化生產。

3 播種機樣機實驗

本次設計的基于Android系統和4G通信系統具有較高的適應性，可以應用在大部分的氣動免耕播種機上，本研究采用的試驗樣機如圖5所示，并在樣機上安裝了漏播檢測裝置。

圖5 播種機實驗樣機

該試驗樣機為氣動式播種機，在試驗時選擇了信號狀態良好的開闊地帶，并可以成功接收手機4G信號，圖像的采集采用漏播檢測攝像頭和傳感器。漏播檢測系統的Android界面如圖6所示。

圖7表示播種機漏播歷史數據的實時查詢界面。該數據是由播種機端利用4G通信技術將數據上傳到Android系統手持設備的，當數據異常時可以對數據進行保存，并將數據上報給管理人員。

對多時間段的播種漏播數據進行查詢后(見表1)，得到的漏播檢測數據。由表1可以看出：在不同時間段的漏播率有所不同，并且隨著時間的增加，漏播率也有所提高；但是從一天的作業情況來看，累計漏播率小于1%，滿足播種作業的設計要求，也驗證了基于Android和4G通信系統播種機漏播檢測系統的可行性。

圖6 漏播檢測Android系統主界面

圖7 播種機漏播歷史數據查詢

查詢次數時間段/h空穴率/%120．52250．55380．674100．695110．736150．757160．868170．89

4 結論和討論

為了提高播種機作業質量的實時監測水平，基于Android和4G通信技術，結合小波濾波去噪技術，提出了一種漏播檢測系統，并將其成功地應用在氣動免耕播種機上。為了方便系統的使用，開發了Android系統界面，利用4G無線網絡通信技術，建立了移動終端與云服務器之間的數據交互，實現了農業技術人員實時上傳已完成的播種作業管理數據。通過使用基于Android平臺的智能移動終端設備，實現農業技術人員對所負責田塊進行現場耕作作業信息采集等工作，革新了傳統的人工紙質信息錄入方式。目前，Android系統已逐漸滲透到人們生活中的各個領域，其廣闊的應用前景，為農業的發展提供了一個新的方向。

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Design of the Image Acquisition and Transmission System of No-tillage Seeding Machine Based on Android and 4G Communication

Lin Hong1,Jin Jihong2,Yu Yueyun1, Zhou Kailai1

(1.School of Computer Science and Information,Southwest Forestry University, Kunming 650224,China;2.School of Computer and Information Engineering,Jiaozuo Teachers College,Jiaozuo 454001, China)

No-tillage seeding machine is one of the commonly used agricultural machinery in modern agriculture.The leakage rate is the key to control the quality of the seeding machine. In order to reduce the leakage sowing rate of no-tillage planter, improve sowing machine intelligence and automation of leakage broadcast monitoring level,it put forward a kind of image acquisition and transmission of seed leakage detection system based on Android and 4G communication, and it successfully applied in the gas dynamic type no-tillage planter so as to complete the installation and debugging. The wavelet algorithm is used to filter the image and information,and the effect of equipment and the environment of cultivation on the seeding machine is reduced.The Android system interface of the handheld terminal is developed, which includes the leakage rate report, the number of missed broadcast, the long time of sowing,the history data of the field work and the alarm.Finally through the historical leakage sowing data query, debugging the system loss sowing test function,discovered by the debug results, homework a day cumulative leakage sowing rate of less than 1%,which can meet the requirements of the design of sowing, but also verify the based on Android and 4G communication system planter seeding the feasibility of detection system.

no-tillage seeding machine; Android system; 4G communication; leak detection; automation

2016-03-11

云南省應用基礎研究項目(2011FB070);河南省科技攻關項目(152102110161)

林 宏(1981-)，女，云南大理人，講師，碩士。

禹玥昀(1984-)，女，云南鳳慶人，講師，碩士，(E-mail)yuyueyun1984@163.com。

S223.2；TP391.41

A

1003-188X(2017)05-0206-05