林 宏，靳繼紅，禹玥昀，周開來

(1.西南林業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，昆明 650224；2.焦作師范高等?？茖W(xué)校 計算機與信息工程學(xué)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(tǒng)設(shè)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(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，昆明 650224；2.焦作師范高等專科學(xué)校 計算機與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454001)

免耕播種機是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)耕種常用的農(nóng)機之一,其漏播率是制約播種機作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵。為了降低免耕播種機作業(yè)時漏播率,提高播種機作業(yè)時智能化和自動化漏播監(jiān)測水平,提出了一種基于Android和4G通信圖像采集與傳輸?shù)穆┎z測系統(tǒng),并將其成功地應(yīng)用到了氣動式免耕播種機上,完成了裝置的安裝和調(diào)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(shè)備和耕種作業(yè)環(huán)境對播種機的影響。開發(fā)了手持終端的Android系統(tǒng)界面,包括漏播率報告、漏播次數(shù)顯示、播種時長、田間作業(yè)歷史數(shù)據(jù)和漏播報警等功能。最后，通過對歷史漏播數(shù)據(jù)的查詢,調(diào)試了系統(tǒng)的漏播檢測功能,由調(diào)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：一天的作業(yè)累計漏播率小于1%,滿足播種作業(yè)的設(shè)計要求,也驗證了基于Android和4G通信系統(tǒng)播種機漏播檢測系統(tǒng)的可行性。

免耕播種機；Android系統(tǒng)；4G通信；漏播檢測；自動化

0 引言

我國已經(jīng)進入了信息時代，信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等已經(jīng)成為了時代發(fā)展的代名詞。在信息化的大背景下，如何將先進的信息技術(shù)與播種機的現(xiàn)代化設(shè)計結(jié)合起來，構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的信息交互平臺和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系，提高播種作業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，是當(dāng)前急需解決的問題。2007年，著名科技公司—谷歌公司發(fā)布了Android智能操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)自發(fā)行起迅速占領(lǐng)了市場，并成為當(dāng)前使用最廣泛的智能操作系統(tǒng)之一。Android智能手機的廣泛普及，為播種機播種作業(yè)監(jiān)測技術(shù)的輔助決策系統(tǒng)提供了展現(xiàn)的平臺，如果將其應(yīng)用在播種機監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計上，可以有效地提高播種機作業(yè)的自動化水平，提高其作業(yè)質(zhì)量。

1 基于Android系統(tǒng)漏播檢測的免耕播種機設(shè)計

保護性耕作技術(shù)是當(dāng)前使用的主要環(huán)保型農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)，關(guān)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(shù)研究的較早，其技術(shù)已比較先進，并已經(jīng)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(yè)。由于有壓縮空氣系統(tǒng)，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(nèi)現(xiàn)代農(nóng)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(yè)，并一次性地完成秸稈切割、開溝、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等工序，實現(xiàn)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(tǒng)框圖。系統(tǒng)基于Android系統(tǒng)架構(gòu)，采用4G通信技術(shù)，可以將采集信息傳送到Android手持設(shè)備終端，實現(xiàn)播種機漏播檢測、漏播報警和歷史數(shù)據(jù)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(tǒng)框圖

圖4為使用Android 智能操作系統(tǒng)構(gòu)建的播種機漏播檢測輔助決策系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)框架實現(xiàn)了云技術(shù)和Android系統(tǒng)的無縫對接，可以服務(wù)于大型作業(yè)農(nóng)場的技術(shù)人員和農(nóng)場領(lǐng)導(dǎo)決策人員。

圖4 播種機漏播檢測輔助決策系統(tǒng)

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(shè)備和外部作業(yè)環(huán)境的干擾，圖像會含有噪聲，為了對漏播率進行準(zhǔn)確監(jiān)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(xiàn)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(shù)則可表示為

(10)

其重構(gòu)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(shù)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(xiàn)漏播圖像的去噪，從而提高信號的輸出精度。將采集數(shù)據(jù)得到的信息利用4G通信技術(shù)進行信號傳遞，最后將結(jié)果呈現(xiàn)在基于Android系統(tǒng)的手持設(shè)備上，實現(xiàn)播種機播種作業(yè)質(zhì)量問題的實時預(yù)警，便于大型自動化生產(chǎn)。

3 播種機樣機實驗

本次設(shè)計的基于Android系統(tǒng)和4G通信系統(tǒng)具有較高的適應(yīng)性，可以應(yīng)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(tài)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(tǒng)的Android界面如圖6所示。

圖7表示播種機漏播歷史數(shù)據(jù)的實時查詢界面。該數(shù)據(jù)是由播種機端利用4G通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳到Android系統(tǒng)手持設(shè)備的，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時可以對數(shù)據(jù)進行保存，并將數(shù)據(jù)上報給管理人員。

對多時間段的播種漏播數(shù)據(jù)進行查詢后(見表1)，得到的漏播檢測數(shù)據(jù)。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(yè)情況來看，累計漏播率小于1%，滿足播種作業(yè)的設(shè)計要求，也驗證了基于Android和4G通信系統(tǒng)播種機漏播檢測系統(tǒng)的可行性。

圖6 漏播檢測Android系統(tǒng)主界面

圖7 播種機漏播歷史數(shù)據(jù)查詢

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

4 結(jié)論和討論

為了提高播種機作業(yè)質(zhì)量的實時監(jiān)測水平，基于Android和4G通信技術(shù)，結(jié)合小波濾波去噪技術(shù)，提出了一種漏播檢測系統(tǒng)，并將其成功地應(yīng)用在氣動免耕播種機上。為了方便系統(tǒng)的使用，開發(fā)了Android系統(tǒng)界面，利用4G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，建立了移動終端與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)技術(shù)人員實時上傳已完成的播種作業(yè)管理數(shù)據(jù)。通過使用基于Android平臺的智能移動終端設(shè)備，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)技術(shù)人員對所負(fù)責(zé)田塊進行現(xiàn)場耕作作業(yè)信息采集等工作，革新了傳統(tǒng)的人工紙質(zhì)信息錄入方式。目前，Android系統(tǒng)已逐漸滲透到人們生活中的各個領(lǐng)域，其廣闊的應(yīng)用前景，為農(nóng)業(yè)的發(fā)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(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2011FB070);河南省科技攻關(guān)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