基于無(wú)人機(jī)的農(nóng)田精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

黃儀龍 于起祥 趙云飛 劉佳鑫 吳貴芳

摘要：針對(duì)目前農(nóng)田識(shí)別病蟲(chóng)害和實(shí)時(shí)預(yù)警方面的能力欠佳、靈敏度不足等問(wèn)題，提出一種新型且能快速監(jiān)測(cè)、識(shí)別、預(yù)警病蟲(chóng)害的農(nóng)田精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)人機(jī)上集成光流傳感器、BDS導(dǎo)航模塊、攝像頭等模塊，同時(shí)在軟件上加入深度可分離卷積和點(diǎn)態(tài)卷積算法，使識(shí)別精度達(dá)到了93.62%，并且識(shí)別速度也得到了提升，能滿足農(nóng)田監(jiān)控的需求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);農(nóng)田精度識(shí)別;無(wú)人機(jī);圖像處理;深度學(xué)習(xí)

1引

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，對(duì)于農(nóng)作物全方位的人工保護(hù)，處理方面已經(jīng)初步形成規(guī)模，但是由于大規(guī)模種植，人工不可能完全且細(xì)致的監(jiān)測(cè)出農(nóng)田異常狀況，無(wú)人機(jī)以其小體積，性能優(yōu)良，靈活性高，續(xù)航能力強(qiáng)而被大量利用于拍攝，巡航，軍事，農(nóng)業(yè)，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)僅僅停留在大型植保無(wú)人機(jī)上，而對(duì)于小型農(nóng)田情況監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)也僅僅只是傳圖，需要人實(shí)時(shí)進(jìn)行識(shí)別，為了解決此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)加在線識(shí)別病蟲(chóng)害的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的Mobile Net算法加上快速網(wǎng)絡(luò)圖傳技術(shù)，使得人無(wú)需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫(huà)面，系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)并識(shí)別病蟲(chóng)害等問(wèn)題。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要目的是以無(wú)人機(jī)為搭載平臺(tái)，在其基礎(chǔ)之上架設(shè)所需的傳感器和攝像設(shè)備來(lái)完成對(duì)農(nóng)田現(xiàn)狀的分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的監(jiān)測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，本次系統(tǒng)硬件主要包括：無(wú)人機(jī)本體、飛控板、動(dòng)力系統(tǒng)（由電池、電動(dòng)機(jī)和電調(diào)組成）、巡航功能的BDS模塊、運(yùn)動(dòng)捕捉的光流傳感器、以及濕度傳感器等。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模塊圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)各模塊技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1圖像采集模塊

系統(tǒng)采用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器0V5647芯片采集圖像。OV5647體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。由于單片機(jī)工作頻率不能和攝像頭的采樣頻率保持匹配，因此需采用一片F(xiàn)IFO先進(jìn)先出存儲(chǔ)器作緩存，本系統(tǒng)采用的是AverLogic公司推出的存儲(chǔ)容量為3 MB的視頻幀存儲(chǔ)器AL422B。此DRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于存放完整的一幀OV5647輸出的圖像數(shù)據(jù)。

3.2收發(fā)端系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

該模塊將攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)計(jì)一定的邏輯電路，使OV5647 自動(dòng)地將圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO，再利用圖像去噪模塊對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的去噪處理，同時(shí)傳入單片機(jī)系統(tǒng)，并將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊nRF24L01發(fā)射，接收端接受到圖像數(shù)據(jù)后傳至上位機(jī)進(jìn)行圖像顯示。

與此同時(shí)，采用CH340T進(jìn)行串口與USB進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口通訊功能。在串口方式下，CH340T提供常用的MODEM 聯(lián)絡(luò)信號(hào)，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口，或者將串口設(shè)備直接審計(jì)到USB 總線。PC端可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線傳輸功能，可以通過(guò)串口助手工具進(jìn)行初步調(diào)試。

3.3圖像處理與識(shí)別模塊

圖像處理模塊針對(duì)系統(tǒng)所采集到的圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理以及圖像分割處理后，提取圖像特征，并訓(xùn)練出農(nóng)作物識(shí)別模型，然后與采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配識(shí)別，以得到具體的檢測(cè)結(jié)果，再將結(jié)果反饋給主控系統(tǒng)。在這里采用了計(jì)算機(jī)視覺(jué)中較為普遍的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其中的分支，由谷歌發(fā)布的MobileNet，是直接設(shè)計(jì)小模型進(jìn)行訓(xùn)練進(jìn)而達(dá)到提高識(shí)別效率的一個(gè)結(jié)果。圖 3所示為Mobile Net 模型示意圖。

3.4基于Android的交互式用戶界面模塊

本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)交交互式界面進(jìn)行界面，以更方便直觀地給出實(shí)時(shí)圖像和識(shí)別結(jié)果。該界面基于Android平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)靈活應(yīng)用Activity類(lèi)及其派生繼承類(lèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和強(qiáng)交互性，以此滿足設(shè)計(jì)的目標(biāo)以及設(shè)計(jì)要求的主要功能，能為用戶提供真實(shí)的、可靠的、參考價(jià)值高的農(nóng)田監(jiān)測(cè)信息。用戶界面接口框圖如圖4所示。

4 結(jié)?語(yǔ)

為了解決大規(guī)模農(nóng)業(yè)種植中，無(wú)法有效實(shí)時(shí)監(jiān)督作物病蟲(chóng)害等各種問(wèn)題，本系統(tǒng)利用當(dāng)前熱門(mén)的無(wú)人機(jī)及圖像識(shí)別技術(shù)，構(gòu)建了一套基于無(wú)人機(jī)的農(nóng)田精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包含完善的硬件系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了功能完整、可行的上位機(jī)軟件，在此基礎(chǔ)上加入了基于深度學(xué)習(xí)的Mobile Net網(wǎng)絡(luò)算法，以提高運(yùn)算識(shí)別速度，使得無(wú)人機(jī)在農(nóng)田病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警和識(shí)別方面的能力大大提高，為我國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)病蟲(chóng)害管治方面提供了新的思路，對(duì)于大型糧油企業(yè)及農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量的增高也有一定的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：黃儀龍（2000.10-），男，漢族，河南省許昌市人，大三學(xué)生，主要從事自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)研究。

河南科技大學(xué)SRTP項(xiàng)目：基于無(wú)人機(jī)的農(nóng)田精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)???編號(hào)：2020079

（河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院?河南?洛陽(yáng)?471000）