基于機器視覺的番茄成熟度檢測裝置*

李麗鑫，李 朔，李銀銀，高 寧，張弘揚

（遼寧科技大學電子與信息工程學院，遼寧 鞍山 114051）

隨著科技不斷進步，我國農業也逐漸進入了智能化發展階段，而作為人口大國，我國對于農作物的產量需求一直較大。番茄是我國重要的蔬菜作物，產量高、種植面積廣。因此，番茄成熟率檢測正成為智慧農業領域研究的新方向。目前，農民觀察番茄成熟情況，基本采用經驗法進行觀測，檢測效率低且不精確，對于番茄生長的把控存在偏差，因此番茄產量會受到一定影響。

本文從成熟率檢測方面入手，根據目前已有的多項有關成熟度檢測的技術，最終采用機器視覺作為檢測的主要技術方案。一方面，該裝置能很好地提高番茄檢測效率，實現智能化檢測；另一方面，該裝置可以匯總檢測數據，獲取每一批測試樣本的成熟情況，農民能夠根據樣本數據，合理分配收獲時間，保證收獲質量。

1 整體設計方案

1.1 功能設計

該裝置主要由STM32 單片機、OpenMV 攝像頭、舵機、ESP32-CAM 模塊組成，用傳送帶將番茄移動到檢測區并進行分揀。

1.2 系統設計

該裝置以STM32 單片機作為主控核心。通過STM32 操控電機，控制傳送帶運輸至檢測區，進行下一步初步成熟度檢測。OpenMV 置于傳送帶正上方用于圖像采集和處理，并控制舵機在傳送帶末尾處進行產品成熟與未成熟的分揀，以此類推，第二段傳送帶對成熟的番茄進行高精度的成熟度檢測，判斷出成熟番茄是部分成熟、完全成熟還是過度成熟，具體系統流程圖見圖1。

圖1 系統流程圖

2 實現方案和核心算法

2.1 傳送帶控制部分

電機選用GB520 電機，驅動使用L298N，STM-32 可調控不同轉速來控制傳送帶的運行速度。舵機選用MG995 舵機，舵機上安裝一根分揀桿用于分揀，STM32 可輸入不同脈沖寬度調制（PWM）占空比進行角度調控，控制番茄進入成熟區或非成熟區。

2.2 通信系統

在此過程中，傳輸數據量仍然較大，所以圖像傳輸選用ESP32CAM 模塊，燒錄進代碼后可以通過電腦瀏覽器獲取視頻圖像，實現對番茄成熟度情況的遠程監控。

2.3 核心算法

2.3.1 PID 算法

在該系統中，需要控制傳送帶的傳輸速度，采用PID 控制算法，根據應用功能不同，選用不同的PID 控制算法。

PID 控制公式為

式中：u（t）為控制器輸出的控制量；Kp為比例系數；e（t）為偏差信號，等于給定量與輸出量之差；Ti為積分時間常數；Td為微積分時間常量。

在計算機系統中，采集和處理的數據是離散的，因此需要對算法進行離散化處理，由此得到位置式PID 公式為

我國是一個農業大國，農業灌溉的用水量非常大，不僅造成了水資源的浪費，還不利于農業的發展。為了改變這一現狀，部分地區采用農業節水灌溉技術，在很大程度上節約了水資源。

式中：K 為比例系數；ei為給定值與反饋值構成的控制偏差[1]；T 為采樣周期；Ti為積分時間；Td為微分時間；u0為偏差為零時的控制作用。

在式（2） 中，對PID 算法進行增量就可以得到增量式PID 公式為

最終，電機采用增量式PID 控制，通過速度閉環控制傳送帶傳輸速度恒定，保證檢測時不會因為速度過快導致OpenMV 檢測數據缺失。

2.3.2 圖像處理

采用OpenMV 用作圖像處理工作，采用的編譯環境是OpenMVIDE。可在OpenMV 社區開源庫中進行二次開發，使用門檻低[2]。

整個圖像處理工作分為4 塊。OpenMV 通過調節RGB 區數值設置圖像感興趣區，減少外界環境干擾；利用圖像濾波進行除雜，使圖像數據更趨于平滑；部署訓練好的神經網絡模型對番茄進行目標檢測；獲取番茄的大小形狀顏色，作為數據統計。

1） 顏色數值選取。統計番茄果實形狀短軸和長軸比值，當其大于0.7 時番茄形狀圓形度較好，果實圓潤[3]。當番茄果實近紅色像素百分比30%番茄進入紅熟前期，適于采摘且準備上市；近紅色像素百分比50%，且純紅色像素百分比40%番茄進入紅熟中期；近紅色像素百分比80%且純紅色像素百分比70%時，番茄果實已經完全成熟，進入紅熟后期且色澤飽滿。

2） 加權均值濾波算法。加權均值濾波算法大體與灰度圖像相同，將單個的灰度參數變為3 個參數（R，G，B）。加權均值濾波算法式均值濾波算法的改進，以3×3 矩陣為例[4]。

濾波模塊見表1。

表1 濾波模塊

鑒于該系統是對番茄成熟度的檢測，應盡量保證保留圖像的細節，W5取值應大一些，若需要去除噪音，W1-W9取值應平均一些。

3） 卷積神經網絡（CNN）。根據現有的OpenMV 開源社區提供的CNN 框架，篩選谷歌提供的數據集中有關番茄的數據集，進行數據標注，在數據集中標注未成熟、部分成熟、完全成熟、過度成熟的4 級分類，制作成訓練集。在官方平臺上進行云端訓練，最后將云端訓練的模型部署在OpenMV 中進行測試。

4） 獲取番茄數據。神經網絡對番茄進行目標檢測后，在圖像中進行框選。通過番茄圖像所在RGB 閾值分布得到顏色數據，根據顏色分布對整個番茄形狀進行進一步框選，將框選數據導入形狀識別函數進行形狀判別。記錄框選的番茄面積，作為后期估算番茄體積的數據考量。

3 實驗結果

3.1 模型訓練與成熟度檢測展示

絡模型訓練標注見圖2，可進行標簽數據集制作工作，模型訓練完成后，將模型部署到OpenMV中進行測試。

圖2 模型訓練標注

番茄成熟度檢測第一階段的單個番茄監測圖，見圖3，對番茄的成熟度進行初步分類檢測。

圖3 單個番茄檢測圖

3.2 數據顯示

裝置的操作選擇界面，見圖4，用戶可以選擇登錄設備、進行調試工作，或者設置工作模式。

圖4 選擇界面

該用戶操作設計的設備登錄界面，見圖5。

圖5 設備登錄界面

番茄成熟度第一階段檢測成果的一組成熟度數據展示，見圖6，顯示在屏幕上便于使用者觀察。

圖6 數據展示

4 結束語

本文介紹了一種基于機器視覺的番茄成熟度檢測裝置，該裝置能應用在工廠流水線上進行產業化番茄成熟度檢測，由單片機控制電機和舵機，進行番茄的傳輸和分揀工作。裝置通過OpenMV 對番茄進行目標檢測，并計算出成熟度。在數據通信方面選取了ESP32CAM 模塊對番茄的成熟度情況進行記錄，實現在云端數據觀測和遠程監控。該裝置相較于目前的人工檢測，極大地提升了生產效率，降低了檢測成本，具有廣闊的市場應用前景。