專利名稱：一種遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字圖像的控制方法，特別是一種遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作物的長勢信息是獲取其他信息的基礎(chǔ)和依據(jù)，利用數(shù)字圖像識別技術(shù)可以分析作物圖像所涵蓋的顏色信息識別作物的生長信息。例如作物水分缺乏直接影響葉片顏色、 厚度、水分含量及形態(tài)結(jié)構(gòu)，并最終影響作物產(chǎn)量及品質(zhì)；葉色能夠直觀地指示作物生長過程中的水分脅迫、光合性能及營養(yǎng)狀況等栽培信息，管理人員可以依據(jù)這些信息進(jìn)行病蟲害的診斷和相應(yīng)的施水施肥的決策。因此獲得作物的數(shù)字圖像是是農(nóng)田自動化管理中非常重要的基礎(chǔ)性工作，在對信息農(nóng)業(yè)的發(fā)展中起著越來越重要的作用，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Precision Farming)以及可控環(huán)境農(nóng)業(yè)(Controlled Environment Agriculture)已成為現(xiàn)代信息技術(shù)廣泛應(yīng)用的典型范例。通過傳感器、計(jì)算機(jī)、自動控制等現(xiàn)代技術(shù)的集成應(yīng)用，促進(jìn)了其生產(chǎn)過程信息化、自動化、智能化水平的提高。但如何通過遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，動態(tài)準(zhǔn)確掌握作物生長與環(huán)境數(shù)據(jù)，及時預(yù)測作物生長發(fā)育、預(yù)報(bào)作物病害的發(fā)病率等情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地管理和診斷，仍然是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中函待解決的技術(shù)難題。例如目前普遍采用的基于3S技術(shù)的信息采集與應(yīng)用主要適用于大尺度、 大范圍監(jiān)控的需要，在很多情況下其分辨率難以滿足農(nóng)業(yè)環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)控的需要，采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性和動態(tài)性也受到很多限制。另外，目前現(xiàn)有的很多環(huán)境監(jiān)控技術(shù)仍采用現(xiàn)場封閉的監(jiān)控方式，或是通過有線通信方式進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，這些方式在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用存在很大的先天性缺陷。眾所周知，與農(nóng)業(yè)有關(guān)的監(jiān)控對象，例如溫室大棚、養(yǎng)殖場、農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)、野外氣象水文站等，往往遠(yuǎn)離社區(qū)和生產(chǎn)管理者，采集獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)非常困難。搭建有線通信網(wǎng)絡(luò)，不僅設(shè)備投人大，而且不便于設(shè)備位置的變動和人員移動辦公。通過參閱大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外農(nóng)作物數(shù)字圖像信息的獲取，目前主要是通過數(shù)碼相機(jī)人工拍攝，沒有實(shí)現(xiàn)自動獲取，鮮有將遠(yuǎn)程控制與圖像自動獲取技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于農(nóng)田中的實(shí)例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成的作物數(shù)字圖像遠(yuǎn)程實(shí)時獲取系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)，其特征在于，包括作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備、本地計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制模塊、信息傳輸模塊及其客戶端，其中
作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備，受本地計(jì)算機(jī)或客戶端的控制實(shí)現(xiàn)獲取作物數(shù)字圖像的功能，將作物數(shù)字圖像發(fā)送到本地計(jì)算機(jī)或客戶端，作為作物數(shù)字圖像數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源；遠(yuǎn)程控制模塊，用于遠(yuǎn)程控制圖像獲取過程，實(shí)現(xiàn)作物數(shù)字圖像獲取模塊的鏡頭距地面或作物的距離、拍攝角度的調(diào)整；信息傳輸模塊，用于在作物數(shù)字圖像獲取模塊和本地計(jì)算機(jī)及客戶端之間傳輸作物信息及其它相關(guān)信息；本地計(jì)算機(jī)，用于存儲和管理作物信息和其它相關(guān)信息，客戶端可以通過遠(yuǎn)程管理軟件訪問作物數(shù)字圖像數(shù)據(jù)庫，查詢、下載、上傳、編輯作物數(shù)字圖像信息及其它相關(guān)信肩、O本發(fā)明的遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)，帶來的技術(shù)效果是1、系統(tǒng)調(diào)用Winsock控件編制了水平、垂直運(yùn)動的控制軟件，調(diào)用了 MSComm控件編寫了云臺鏡頭全方位轉(zhuǎn)動的控制軟件，在VC++環(huán)境里集成了控制軟件?？刂平缑嫔系纳舷伦笥益I控制云臺旋轉(zhuǎn)，IP地址及端口號輸入被控設(shè)備的IP地址及端口，步進(jìn)速度由用戶自己輸入，左右兩個箭頭控制電機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)，從而控制作物數(shù)字?jǐn)?shù)字圖像獲取設(shè)備在垂直和水平位置上移動。2、設(shè)計(jì)了一套能夠遠(yuǎn)程控制自由移動的作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備，水平方向采用導(dǎo)軌加同步帶傳動，垂直方向采用螺旋絲桿機(jī)構(gòu)傳動，采用云臺加工業(yè)數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)，通過遠(yuǎn)程控制電腦上的軟件可控制作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備在豎直方向和垂直方向自由運(yùn)動，在空間360度轉(zhuǎn)動，從而精確控制作物的圖像獲取位置。


圖1是本發(fā)明的遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2是作物圖像獲取設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；圖3是作物圖像獲取設(shè)備水在平方向運(yùn)動的簡圖；圖4是作物圖像獲取設(shè)備在垂直方向運(yùn)動的簡圖；圖5是作物圖像獲取設(shè)備水平和垂直方向運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制接線圖；圖6是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性N. m/Hz (40VDC測試，步距角9° )；圖7是本發(fā)明的軟件集成控制界面，左邊的左右兩個箭頭控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，IP地址和轉(zhuǎn)速和任意輸入控制運(yùn)動速度，右邊的上下左右鍵可控制云臺360度旋轉(zhuǎn)；圖8是作物數(shù)字圖像遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)主界面。下面結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的具體實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是，應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)動態(tài)準(zhǔn)確掌握作物生長狀況，通過圖像處理獲得環(huán)境數(shù)據(jù)，及時預(yù)測作物生長發(fā)育、預(yù)報(bào)作物病害的發(fā)病率等情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地管理和診斷。建立一整套基于hternet的遠(yuǎn)程精確獲取作物圖像的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)圖像獲取設(shè)備的水平移動、垂直運(yùn)動和360度轉(zhuǎn)動，以精確控制圖像采集的位置。集成并開發(fā)基于hternet設(shè)備全方位控制和圖像采集的軟件，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程傳輸。
如圖1所示，本實(shí)施例給出一種遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)框圖，包括作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備、本地計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制模塊、信息傳輸模塊及其客戶端，其中作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備，受本地計(jì)算機(jī)或客戶端的控制實(shí)現(xiàn)獲取作物數(shù)字圖像的功能，將作物數(shù)字圖像發(fā)送到本地計(jì)算機(jī)或客戶端，作為作物數(shù)字圖像數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源；遠(yuǎn)程控制模塊，用于遠(yuǎn)程控制圖像獲取過程，實(shí)現(xiàn)作物數(shù)字圖像獲取模塊的鏡頭距地面或作物的距離、拍攝角度的調(diào)整；信息傳輸模塊，用于在作物數(shù)字圖像獲取模塊和本地計(jì)算機(jī)及客戶端之間傳輸作物信息及其它相關(guān)信息；本地計(jì)算機(jī)，用于存儲和管理作物信息和其它相關(guān)信息，客戶端可以通過遠(yuǎn)程管理軟件訪問作物數(shù)字圖像數(shù)據(jù)庫，查詢、下載、上傳、編輯作物數(shù)字圖像信息及其它相關(guān)信肩、ο以下是各個部分的詳細(xì)說明1、作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備的設(shè)計(jì)參見圖2，作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備包括一個可旋轉(zhuǎn)的云臺3，可旋轉(zhuǎn)的云臺3內(nèi)置有控制/解碼器；在可旋轉(zhuǎn)的云臺3上連接網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和電動伸縮鏡頭4，可旋轉(zhuǎn)的云臺3 通過緊固螺釘固定螺旋絲桿機(jī)構(gòu)5，螺旋絲桿機(jī)構(gòu)5上方安裝導(dǎo)軌6，導(dǎo)軌6上裝有滑塊7， 螺旋絲桿機(jī)構(gòu)5的另一端通過緊固螺釘固定在滑塊7底部，滑塊7通過傳送帶8和水平方向步進(jìn)電機(jī)1在運(yùn)動，螺旋絲桿機(jī)構(gòu)5的絲杠軸通過聯(lián)軸器和垂直方向步進(jìn)電機(jī)2聯(lián)接，用于調(diào)整電動伸縮鏡頭4在垂直方向的運(yùn)動；可旋轉(zhuǎn)的云臺3內(nèi)的控制/解碼器連接到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)上的RS-485接口，控制信號在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)與采集的視頻信號一起通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口傳送到網(wǎng)絡(luò)上，本地計(jì)算機(jī)和可旋轉(zhuǎn)的云臺3內(nèi)的控制/解碼器之間通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備的設(shè)計(jì)借助可旋轉(zhuǎn)的云臺3和電動伸縮鏡頭4實(shí)現(xiàn)對同一植株不同高度不同位置的圖像獲取。本實(shí)施例中，可旋轉(zhuǎn)的云臺3采用全方位智能控制的云臺MV-3939S，控制/解碼器選擇MV-2001專業(yè)智能云臺鏡頭控制/解碼器(內(nèi)置于云臺中)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)上的電動伸縮鏡頭4選擇電動變焦工業(yè)鏡頭VS-10200DM，組成全方位旋轉(zhuǎn)運(yùn)動單元。本地計(jì)算機(jī)還可以采用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器替代。2、水平移動設(shè)計(jì)參見圖3，在水平方向上，由步進(jìn)電機(jī)1提供動力，步進(jìn)電機(jī)1連接帶輪10，導(dǎo)軌6 選擇滾動圓棒導(dǎo)軌加同步帶8的結(jié)構(gòu)，同步帶8在帶輪10上，滑塊7在圓棒導(dǎo)軌上。為防止轉(zhuǎn)動和承受更大的扭矩，導(dǎo)軌6采用兩根，且在導(dǎo)軌6下方加支撐件，導(dǎo)軌 6固定在100X100X6000mm的方鋼上，方鋼承受導(dǎo)軌6、可旋轉(zhuǎn)的云臺3的重量，作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備總體結(jié)構(gòu)參見圖2。3、垂直移動設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖參見圖4，垂直方向上的螺旋絲桿機(jī)構(gòu)5選擇絲桿傳動帶四桿機(jī)構(gòu)張合的結(jié)構(gòu)(即交叉式千斤頂)，將其通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)2連接。步進(jìn)電機(jī)2帶動螺旋絲桿機(jī)構(gòu)5，使得可旋轉(zhuǎn)的云臺3和電動伸縮鏡頭4上下移動。4、驅(qū)動控制
驅(qū)動控制采用2個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直線(水平、垂直)運(yùn)動的驅(qū)動。4. 1水平方向步進(jìn)電機(jī)的選擇(1)移動工作臺所需轉(zhuǎn)矩
uWr 0.01x98x28 ?！? …、 「00471 Mu =^~ =-= 2.744x10 Ν-m)
L 」 μ 1000 1000(4.1)μ為滑塊與導(dǎo)軌面的摩擦系數(shù)，由于是滾動摩擦查表4. 1取值為0. 01 (邱宣懷等 1997 59)；r為帶輪半徑，為0. 028mm ；W為載重量，滑塊(約1.5kg)、云臺(3kg)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(0.35kg)、支架(約Ikg) 總質(zhì)量< IOkg,按照IOkg計(jì)算，則W = mg = 10X9. 8 = 98 (N) (4.2)(2)移動工作臺所需轉(zhuǎn)矩折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩
M 2 744 χ 10 2M-=J= ·= 0.028(^-m)(4.3)
ιη 1x0.98i為步進(jìn)電機(jī)到移動工作臺的總傳動比，本實(shí)施例中選擇1 ； η是步進(jìn)電機(jī)到移動工作臺的總效率，取值為0. 98 (邱宣懷等1997 :199)。(3)選步進(jìn)電機(jī)初選57BYGH250C步進(jìn)電機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如表1，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性參見圖5。表1 :57BYGH250C步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)
相數(shù)電壓電流電阻電感保持轉(zhuǎn)矩定位轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量機(jī)身長mmVAΩmHN.mkg.cmgem223.22.81.134.41.70.68400784. 2垂直方向步進(jìn)電機(jī)的選擇
機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)
速度Vi=10m/min
滑動部分質(zhì)量m ==IOkg
絲杠長度Lb=0. 6m
絲杠直徑Db=0.04m
絲杠密度P=7900kg/m
絲杠導(dǎo)程Pb=0.019m
連軸器質(zhì)量Mc=2kg
連軸器直徑Dc=0.05m
摩擦系數(shù)μ=0. 1
移動距離L=0. 3m
機(jī)械效率n=0. 9
定位時間t=Is
加減速時間比A=25%
外力FA =
移動方向與水平軸夾角 a = 0°其他常數(shù)g = 9. 8m/s2 pi = 3. 14161)速度曲線加速時間tQ = tXA = 0. 25s (4. 4)2)電機(jī)轉(zhuǎn)速Nm = Vi/PB = 526. 3157895rpm(4. 5)3)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩計(jì)算軸向負(fù)載 F = FA+mg (sin a + u cos a ) = 9. 8N (4.6)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl = F Pb/2 3i n = 0. 032927312N ‘ m (4.7)4)克服慣量的加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算(也稱做啟動轉(zhuǎn)矩)直線運(yùn)動平臺與負(fù)載慣量JL = m(PB/2Ji)2 = 9. 14419e-5kg.m2 (4. 8)滾珠絲杠慣量み=.ん- 4=0.001191295^-m2 (4.9)連軸器慣量ん=ImDc2= 0.003125鉉.m2(4.10)
O總負(fù)荷慣量Jm = JL+JB+JC = 0. 004407737kg m2 (4. 11)啟動轉(zhuǎn)矩^=+Jm/ = 0.99\903\^N-m(4.12)安全系數(shù) S = 15)必須轉(zhuǎn)矩必須轉(zhuǎn)矩Im = (TL+TS) XS = 1. 0248305N m (4. 13)電機(jī)慣量Jm = 0. 0011kg .m26)電機(jī)選擇根據(jù)計(jì)算，初步確定電機(jī)型號為57SH09參數(shù)如下表轉(zhuǎn)子慣量J = O. 046kg m2 > Jm扭矩T = 0. 9N m > Im表2 57HS09步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)，其特征在于，包括作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備、 本地計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制模塊、信息傳輸模塊及其客戶端，其中作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備，受本地計(jì)算機(jī)或客戶端的控制實(shí)現(xiàn)獲取作物數(shù)字圖像的功能，將作物數(shù)字圖像發(fā)送到本地計(jì)算機(jī)，作為作物數(shù)字圖像數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源；或通過遠(yuǎn)程控制模塊與客戶端交互；遠(yuǎn)程控制模塊，用于遠(yuǎn)程控制圖像獲取過程，實(shí)現(xiàn)作物數(shù)字圖像獲取模塊的鏡頭距地面或作物的距離、拍攝角度的調(diào)整；信息傳輸模塊，用于在作物數(shù)字圖像獲取模塊和本地計(jì)算機(jī)及客戶端之間傳輸作物信息及其它相關(guān)信息；本地計(jì)算機(jī)，用于存儲和管理作物信息和其它相關(guān)信息，客戶端通過信息傳輸模塊和遠(yuǎn)程控制模塊訪問本地計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，對作物數(shù)字圖像數(shù)據(jù)庫查詢、下載、上傳、編輯作物數(shù)字圖像信息及其它相關(guān)信息。
2.如權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)，其特征在于，所述的本地計(jì)算機(jī)采用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器替代。
3.如權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)，其特征在于，所述的作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備包括可旋轉(zhuǎn)的云臺(3)，可旋轉(zhuǎn)的云臺(3)內(nèi)置有控制/解碼器；可旋轉(zhuǎn)的云臺⑶連接有網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)G)，該網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)⑷帶有電動伸縮鏡頭，可旋轉(zhuǎn)的云臺(3)上安裝有螺旋絲桿機(jī)構(gòu)(5)，螺旋絲桿機(jī)構(gòu)(5)上方安裝有導(dǎo)軌(6)，導(dǎo)軌(6)上裝有滑塊(7)，滑塊(7)通過帶輪(10)、傳送帶⑶和水平方向步進(jìn)電機(jī)⑴在導(dǎo)軌(6)上運(yùn)動， 螺旋絲桿機(jī)構(gòu)(5)的一側(cè)有垂直方向步進(jìn)電機(jī)O)，用于調(diào)整網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和電動伸縮鏡頭(4)在垂直方向的運(yùn)動。
4.如權(quán)利要求3所述的遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)，其特征在于，所述的可旋轉(zhuǎn)的云臺(3)內(nèi)置的控制/解碼器于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(4)上的RS-485接口連接，控制信號在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)與采集的視頻信號一起通過本地計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口傳送到遠(yuǎn)程控制模塊上，本地計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過RJ45網(wǎng)絡(luò)和接口可旋轉(zhuǎn)的云臺(3)內(nèi)的控制/解碼器相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種遠(yuǎn)程實(shí)時獲取作物數(shù)字圖像的系統(tǒng)，包括作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備、本地計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制模塊、信息傳輸模塊及其客戶端，應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)動態(tài)準(zhǔn)確掌握作物生長狀況，通過圖像處理獲得環(huán)境數(shù)據(jù)，及時預(yù)測作物生長發(fā)育、預(yù)報(bào)作物病害的發(fā)病率等情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地管理和診斷。并實(shí)現(xiàn)了作物數(shù)字圖像獲取設(shè)備的水平移動、垂直運(yùn)動和360度轉(zhuǎn)動，以精確控制圖像采集的位置。
文檔編號G05B19/418GK102419583SQ201110364639
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者吳普特, 李敏, 陳微, 韓文霆 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)