基于AI视觉的庄稼保护系统

保定理工学院本科毕业设计 第1章绪论1.1研究目的及意义随着全球AI技术的不断突破，AI的应用范围越来越大，也可以成为农业上的好帮手。中国因为地理位置、人口原因以及我国的基本国情，造就了我国农业大国的地位，不仅坐拥18亿亩基本农田，还是世界上最大的农机大国之一REF_Ref10166\r\h[12]。在我国，农业植保作业的负担因为农村土地流转政策与集约化管理程度的加快，变得日益繁重，而随着城市建设的日益完善，农村劳动力开始逐步地向城市进行转移，因此农村劳动力正逐渐减少。在国家号召和基本国情的双重作用下，庄稼的保护已经成为中国农业发展的首要任务。采用AI视觉的庄稼保护系统，要比传统植保作业效率更高，该系统可以在无人管理的情况下，保护庄稼不被鸟类、虫类侵蚀。此外，基于AI视觉的庄稼保护系统在解放劳动力的同时，极大地增加了作业效率，为农户节省了大量看守庄稼的时间和人力。随着全球人口的不断增长和城市化进程的加快，农业生产的重要性变得日益突出。然而，庄稼的生长和发展过程中面临着许多挑战，如害虫、病害、草害、营养不良等。这些问题严重影响了农作物的产量和质量，从而对全球粮食安全产生了威胁。为了解决这些问题，研究人员开始利用人工智能（AI）和计算机视觉技术开发基于AI视觉的庄稼保护系统。全球粮食安全挑战：全球粮食需求不断增长，而农田面积却有限，农业生产面临着巨大的压力。庄稼保护是确保农作物产量和质量的关键因素。传统农业方法的局限性：传统的庄稼保护方法主要依赖于人工巡视和经验判断，效率低下且易受主观因素影响，无法满足大规模农田的需求。AI和计算机视觉的发展：近年来，AI和计算机视觉技术取得了巨大进展，包括图像识别、目标检测、图像分割等领域。这为基于AI视觉的庄稼保护系统的研发提供了机会。提高农作物产量和质量：基于AI视觉的庄稼保护系统可以通过自动检测和识别害虫、病害、草害等问题，及时采取措施进行防治，从而减少庄稼受损的程度，提高农作物的产量和质量。减少农药使用量：传统的庄稼保护方法通常依赖于农药的大量使用，这不仅增加了生产成本，还对环境和人类健康造成了潜在威胁。基于AI视觉的庄稼保护系统可以精确检测庄稼的健康状况，避免不必要的农药使用，从而减少对环境的污染。降低劳动力成本：基于AI视觉的庄稼保护系统可以实现自动化的监测和防治，减少对人工巡视的需求，降低劳动力成本。农民可以更好地利用时间和资源，提高农田的管理效率。推动农业现代化：基于AI视觉的庄稼保护系统的研究与应用，不仅可以提高农业生产的效益，还有助于推动农业现代化进程。这将有助于改善农民的生活质量，促进农村地区的可持续发展。基于AI视觉的庄稼保护系统的研究背景和意义是在全球粮食安全挑战、传统农业方法的局限性和AI技术的发展基础上进行的。该系统具有提高农作物产量和质量、减少农药使用量、降低劳动力成本和推动农业现代化等重要意义。综上可知，利用基于AI视觉的庄稼保护系统进行定点拍摄作物叶面图像，是解决大面积农作物病害抽检的有效方法，然而因为摄像机监控终会受到天气、季节等复杂环境条件影响，从而对后续的图像处理、分割及特征提取等带来极大的困难。现阶段对这样的冬像进行识别分类的方法大概可以分为两种:一种是冬像处理的方法，获取图像中的特征进行分割识别；另一种是利用深度学习的方法，对冬像进行智能识别与分类。1.2国内外研究现状基于AI视觉的庄稼保护系统是应用人工智能和计算机视觉技术来检测和识别农作物生长过程中的害虫、病害、草害等问题，并及时采取相应措施进行防治。该领域的研究在国内外得到了广泛关注，以下将介绍国内外在该领域的研究现状。美国：美国的农业科研机构和公司积极开展基于AI视觉的庄稼保护系统的研究。例如，一些公司利用高分辨率的无人机图像结合深度学习算法，实现了对农田中害虫的自动检测和定位，为农民提供精确的防治建议REF_Ref9753\r\h[8]。欧洲：欧洲的研究机构和农业企业也在该领域进行了一系列的研究。例如，一些研究团队利用计算机视觉和机器学习技术，开发了可穿戴设备和机器人，实现了对庄稼的自动检测、分类和防治。中国：在中国，农业科研机构和高校也积极投入到基于AI视觉的庄稼保护系统的研究中REF_Ref9864\r\h[17]。例如，一些研究团队开展了农田图像数据的采集和处理工作，利用深度学习和图像识别算法实现了对农作物病虫害的自动识别和预警。农药喷洒和疾病治疗等服务。数据收集和标注：庄稼保护系统需要大量的农田图像数据用于训练和验证算法，但数据收集和标注工作面临困难，需要耗费大量的人力和时间。多样性和复杂性：不同地区的农作物类型和生长环境各不相同，庄稼保护系统需要具备对多样性和复杂性的适应能力。实时性和准确性：庄稼保护系统需要实时监测和识别农作物问题，并提供及时的防治建议，对系统的实时性和准确性提出了要求。国内外在基于AI视觉的庄稼保护系统的研究中取得了一系列的成果，包括无人机图像检测、可穿戴设备、机器人等应用REF_Ref9936\r\h[19]。然而，该领域仍面临数据收集和标注、多样性和复杂性、实时性和准确性等挑战REF_Ref20462\r\h[10]。未来，需要进一步加强国际合作，加大对数据资源的投入，深化算法研究和系统应用，以推动基于AI视觉的庄稼保护系统的发展，为全球农业生产提供更加智能、高效和可持续的解决方案国际上对基于AI视觉的庄稼保护系统已经颇有成效。2018年，HinrichNeumann在《Farmtec/Monosem:AutomatischeLenkungschutztKulturpflanzen》中提到，增量调节使土壤胶囊均致分散，雨水可以更好地渗透到地面上并用于植物的培育。在相同的操作中，Dunner可以应用于提供最佳时间的营养植物REF_Ref22223\r\h[22]。此外，植物的生长需要强大的根系。然而，使用不同的培养液需要仪器提供很高的动效比，因此，驱动速度通常非常低，这样才可以避免植物的损伤。2017年，YarouBoniBarthelemy;SilviePierre;KomlanFrancoiseAssogba;MensahArmel;AlabiTaofic;VerheggenFrancois;FrancisFrederic在《PesticidalplantsandvegetablecropprotectioninWestAfrica.Areview》中，蔬菜作物在人类营养中发挥着主导作用，并对西非的家庭收入大大作出贡献。然而，他们的生产受到害虫的阻碍，这限制了它们的生产力。目前，我国在基于AI视觉的庄稼保护系统的研究已经处于世界领先地位。2018年，王克鑫在《基于机器视觉的智能植物养护系统》中，提出的基于机器视觉的智能植物养护系统，与传统的植物培养箱、智能花盆、植物检测器等技术相比，具有更高的智能性和实用性，整个工作流程无需人工参与，能够同时对多盆植物进行养护REF_Ref10244\r\h[1]。与此同时，系统通过机器视觉的手段实现植物的位置定位、植物生长信息传输等功能，可以大幅度提高植物养护的工作精度与适用广度。此外，由于本文利用CMOS摄像头作为视频采集工具，对日后的进一步开发提供了便利，可以将智能植物养护系统与智能安防监控系统进行整合，使其能够融入智能家居综合系统中去REF_Ref10244\r\h[1]。2021年，董铮，张华，孙彦招，郑毅在《一种灾害情况下庄稼保护装置》中，解决蝗虫灾害下庄稼破坏的问题，公开了一种灾害情况下农业庄稼保护装置，通过第一物料泵和第二物料泵的设置，对农作物枝叶的表面覆盖泥浆物料，通过使用泥浆覆盖的方式，用来避免农作物的枝叶被蝗虫破坏，从而方便对庄稼进行保护。2020年，刘思佳在《基于视觉的农作物病虫害自主识别系统研究》中，深度学习虽然可以完成图像识别的任务，但是这种过程属于线下识别REF_Ref21698\r\h[3]。将来可以依靠FPGA等搭载训练模型数据，配合DSP实现线上识别REF_Ref21698\r\h[3]。1.3主要研究内容本课题研究的内容是开发出一套基于AI视觉的庄稼保护系统，该套系统可以实时显示摄像头检测到的画面，设备还可以学习并识别鸟类和虫类生物外观。如果识别到鸟类侵扰庄稼，设备就会自动播放驱赶音乐；如果识别到虫类侵扰庄稼，设备就会自动喷洒农药；设备还可以识别庄稼的成熟度，当识别到庄稼成熟时，设备就会自动发送短信提醒管理员收割庄稼，从而保护庄稼避免收到鸟类虫类的侵蚀。实现的功能如下:1.纯下位机，K210核心板；2.设备实时显示摄像头监测到的画面；3.设备可学习并识别鸟类和虫类生物外观；4.识别到鸟类侵扰庄稼，自动播放驱赶音乐；5.识别到虫类侵扰庄稼，自动喷洒农药；6.设备可学习并识别庄稼的成熟度；7.识别到庄稼成熟，发送短信提醒管理员收庄稼。

第2章系统总体结构2.1设计方案文献研究法。通过查阅文献来获得研究基于AI视觉的庄稼保护系统的资料，对系统设计中所涉及到的相关内容有个完整的了解，初步构想系统要实现的功能及其运用的技术并搜集相关资料，作为系统设计的素材。功能分析法。功能分析法是社会科学用来分析社会现象的一种方法，是社会调查常用的分析方法之一。本系统通过功能分析法，对软件的各项功能进行具体分析，从而明确开发目标。定性分析法。通过对文献的研究，运用归纳和演绎、分析与综合以及抽象与概括等方法，深入了解软件和硬件开发的相关技术，从而熟悉系统中各个功能模块之间的关系，掌握系统的工作原理及其本质，确定开发流程。经验总结法。希望通过已有的每一块功能的结合进行总结，设计出一套优良的系统，并规范的编写程序。2.2功能需求分析2.2.1技术路线（1）硬件部分需要使用单片机K210、显示器、摄像头、音乐播放器；（2）软件平台程序用keil5；（3）编程语言用C语言。2.2.2预期结果作品展示，完成一个整体的基于AI视觉的庄稼保护系统设计，并且该设计能实现的功能如下：1.设备实时显示摄像头监测到的画面；2.设备可学习并识别鸟类和虫类生物外观；3.识别到鸟类侵扰庄稼，自动播放驱赶音乐；4.识别到虫类侵扰庄稼，自动喷洒农药；5.设备可学习并识别庄稼的成熟度；6.识别到庄稼成熟，发送短信提醒管理员收庄稼。2.3总体方案设计第一：理论知识准备阶段，理解设计课题，认真研究课题所涉及到的内容，能够较好的掌握有关题目的知识；第二：确定系统各个模块，理清各个模块之间的关系，收集相关得到软硬件资料；第三：规划课题，确定系统组成结构，勾画出大体系统框架并在结构框架的基础上提出原理框图；第四：利用软件完成硬件电路部分设计并画出各部分电路图，将系统部件通过接口电路集合在一起，并画出电路图；第五：根据系统控制过程完成软件设计部分，绘制出主流程图；第六：进行实物测试，检查系统是否能够按照要求实现控制功能，整理论文。2.4单片机型号选择方案一：系统微处理器选择STM32F103C8T6单片机。STM32F103C8T6单片机采用了先进的Cortex－M3内核结构，主频高达72MHz，具有128KB的闪存和20KB的RAM，具有丰富的片上外设:包括16通道的12位A/D转换器、7通道的DMA控制器、16位定时器、USART接口、CAN接口(2.0B)和USB2.0全速接口(12Mbps)等。STM32F103C8T6处理器拥有80个快速的多功能双向5V兼容的I/O口，芯片内所有的I/O口都可以映射到16个中断上，芯片的每个I/O都是由C语言代码控制输出(推拉或开路)、输入(带或不带、上拉或下拉)，多数I/O管脚都与数字或模拟的外设共用，所有的I/O管脚都有大电流通过能力。和STC89C52单片机不一样的是，STM32F103C8T6的GPIO有8种模式，其中包含上拉、下拉输入模式，所以外接按钮时可不设计上下拉电阻。根据他的原理图显示：按键KEY0一端接到3.3V的VCC，一端接到PA0引脚。发光二极管LED0一端也同样经1KΩ电阻接到3.3V的VCC，另一端则接到PC13上。因此，想要让二极管发光的话需要让PC13输出低电平。STM32最大工作电压3.6V，使用了LDO（低压差线性稳压器）将输入电压VIN降到3.3v给微控制器供电。3.3V和GND之间的4个0.1uf的旁路电容（去除高频交流信号）接到了芯片的4个VDD和4个VSS上。方案二：主控制芯片选择STC89C52单片机，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能8位微控制器。这种单片机其内部有8KB的FlashROM和512B的RAM，并且可以通过串口进行ISP程序下载，不需要反复插拔芯片，非常适合用于实验。采用此片作为硬件核心,搭配FlashROM，能以3V的超低电压工作。且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。图2.1单片机最小系统原理图2.5显示模块选择方案一：LED显示屏是一种利用有机电自发光原理制成的显示屏，具有高对比度、薄型化、广视角、快速响应、可弯曲等多项优异的特性。有机电致发光技术是指将一种极薄的有机物质覆盖在玻璃表面，使其在带电粒子经过时发生自发发光。因为发光二极管之发光色彩与其所用之发光层材质有关，故厂商可藉由调整发光层材质而得到所需要之色彩。同时，有机发光技术的制造过程相对简单，成本较低，因此LED显示屏的市场价格相对较为优惠。在LED显示屏中，有源阵列是一种常用的显示技术，它可以为每个像素分配一个独立的电路控制器，从而使得显示屏更加精细。有源阵列在高端的LED显示屏中比较常见，它能够提高像素密度，增加图像的清晰度和细腻程度。LED显示屏的优点不仅在于它的显示效果，还在于它的设计方便性。由于LED显示屏的构造非常简单，因此它可以用于各种形状和曲度的面板设计，例如在汽车、公共场所、户外广告牌等场合。同时，由于LED显示屏自带光源，因此它的使用温度范围非常广，可以在恶劣环境下工作。总之，LED显示屏在视觉效果和设计方便性上都具有很大的优势。它不仅可以提供高品质的视频显示效果，而且在各种应用场合都能够展现出它的优越性，因此在未来的市场中将具有广阔的应用前景。方案二：LCD1602是一种以液晶显示技术为基础的显示装置，它由16列、2行、共32个字符构成。LCD1602主要应用于数字显示、字符显示、状态指示等场合。LCD1602是一种以液晶为基体的显示器件，利用外加电压的作用，使液晶分子在液晶中的排列方式发生变化，达到文字、图象的显示效果。在LCD1602中，具有对显示内容进行控制的液晶显示驱动芯片，同时也有一个控制芯片来接收外部的控制信号，实现对LCD1602的控制和驱动。LCD1602一般需要配合外部的驱动电路使用，这个驱动电路通常是由微控制器或其他数字电路实现的。通过向LCD1602发送特定的控制命令和数据，可以在LCD1602上显示不同的字符和图像，同时也可以实现控制光标的移动和闪烁等特效。综上所述，LCD显示器比LED显示器具有能够显示更多的信息、显示效果更清晰、能够实现背光显示、功耗更低等优势。所以选择方案二

第3章系统的硬件部分设计3.1系统总体设计文献研究法。通过查阅文献来获得研究基于AI视觉的庄稼保护系统的资料，对系统设计中所涉及到的相关内容有个完整的了解，初步构想系统要实现的功能及其运用的技术并搜集相关资料，作为系统设计的素材。功能分析法。功能分析法是社会科学用来分析社会现象的一种方法，是社会调查常用的分析方法之一。本系统通过功能分析法，对软件的各项功能进行具体分析，从而明确开发目标。定性分析法。通过对文献的研究，运用归纳和演绎、分析与综合以及抽象与概括等方法，深入了解软件和硬件开发的相关技术，从而熟悉系统中各个功能模块之间的关系，掌握系统的工作原理及其本质，确定开发流程。经验总结法。希望通过已有的每一块功能的结合进行总结，设计出一套优良的系统，并规范的编写程序。总体原理图如下所示：图3.1总体原理图3.2系统的主要功能模块设计3.2.1摄像头模块设计GC0328是一款图像传感器，它通常被用作嵌入式系统中的摄像头组件。以下是对GC0328摄像头的一般介绍：像素和分辨率：GC0328采用了1/4英寸的CMOS图像传感器，具有300万像素（3Megapixels）的分辨率。这意味着它可以捕捉到相对较高的图像细节。光敏性：GC0328具有良好的光敏性，能够在光线较暗的环境下工作。这使得它在低光条件下仍能提供相对清晰的图像。图像质量：GC0328具有出色的图像质量表现，能够捕捉鲜艳、逼真的颜色。它还具有自动曝光和自动白平衡功能，以确保图像在不同场景下的准确还原。视频和图像捕捉：GC0328可以以实时视频流或静态图像的形式捕捉图像。它支持不同的视频和图像格式，包括JPEG、YUV和RGB等。接口和集成：GC0328摄像头可以通过标准接口（如I2C）与嵌入式系统进行通信。它通常与处理器、DSP（数字信号处理器）或图像处理单元（IPU）等组件集成在一起。应用领域：GC0328广泛应用于各种嵌入式系统和消费电子产品中，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、安防摄像机、车载摄像头和无人机等。需要注意的是，GC0328摄像头是一个具体的产品型号，可能会有不同的变种和定制选项。上述介绍主要是对一般性能和特点的描述，具体的规格和功能可能因具体产品而异。如果您需要更详细的信息，建议查阅GC0328摄像头的产品文档或联系供应商获取更准确的规格说明。图3.2摄像头模块原理图3.2.2农药喷洒模块设计本设计使用继电器来控制农药的喷洒作业，继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx，继电器的输出信号立刻从y=0跳跃y=ym，即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf，继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。图3.3继电器模块原理图3.2.3短信收发模块设计SIM800是一款成熟的GSM/GPRS模块，专门设计用于无线通信和数据传输。以下是对SIM800短信模块的介绍：GSM/GPRS功能：SIM800支持GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）和GPRS（GeneralPacketRadioService）网络。它可以在2G网络下进行语音通话、短信发送和接收，以及数据传输。短信功能：SIM800短信模块提供了强大的短信功能。它可以发送和接收文本短信，并支持长短信的拆分和重新组合。此外，它还支持短信的存储和管理，包括收件箱、发件箱和草稿箱等。数据传输：除了短信功能，SIM800还具备数据传输能力。它支持GPRS数据传输，可以通过TCP/IP协议与远程服务器进行通信，实现数据的上传和下载。接口和集成：SIM800模块提供了多种接口，包括UART串口、SIM卡插槽、模拟音频接口等。它可以与嵌入式系统或单片机进行通信，实现与其他设备的集成。电源要求：SIM800模块需要5V直流电源供应，并具有低功耗设计，可以在待机模式下降低功耗。支持的频段：SIM800覆盖了多个频段，以适应不同地区和运营商的要求。它支持GSM850/900/1800/1900MHz和GPRSClass10数据传输。应用领域：SIM800短信模块被广泛应用于物联网、智能家居、车载系统、安防系统等领域。它可以实现设备之间的远程控制和监控，以及数据的传输和通信。需要注意的是，SIM800是一个具体的产品型号，可能会有不同的变种和定制选项。上述介绍主要是对一般功能和特点的描述，具体的规格和功能可能因具体产品而异。如果您需要更详细的信息，建议查阅SIM800的产品文档或联系供应商获取准确的规格说明。图3.4短信模块原理图3.2.4XC6206稳压模块设计XC6206是一种低压差线性稳压器，它被广泛应用于电子设备和嵌入式系统中。以下是对XC6206稳压模块的一般介绍：低压差稳压器：XC6206是一种低压差稳压器，也被称为LDO（LowDropout）稳压器。它能够在输入电压与输出电压之间保持较小的差值，这意味着它可以在输入电压下降到接近输出电压的水平时仍然正常工作。输入电压范围：XC6206通常适用于较低的输入电压范围，一般在2V到6V之间。这使得它可以与各种电源供应或电池相连，为系统提供稳定的电源。输出电压范围：XC6206提供了多种输出电压的选择，常见的有3.3V、2.5V、1.8V等。可以根据具体需求选择适当的输出电压。输出电流能力：XC6206具有一定的输出电流能力，通常在几十毫安（mA）到数百毫安（mA）之间。这使得它能够为多种电子设备提供所需的电流。低功耗和热保护：XC6206具有较低的静态工作电流，有助于减少系统的功耗。此外，它还具备热保护功能，当温度过高时会自动断开输出以保护芯片和系统。封装和引脚配置：XC6206稳压模块提供多种封装选项，例如SOT-23、SOT-89等。不同封装具有不同的引脚配置，以适应不同的应用需求。应用领域：XC6206稳压模块广泛应用于电子设备中，包括手机、数码相机、无线通信模块、电子玩具、嵌入式系统等。它可以提供稳定的电源供应，确保设备的正常工作。需要注意的是，以上是对XC6206稳压模块的一般描述，具体的规格和特性可能因具体型号和制造商而有所不同。如果您需要更详细的信息，建议查阅XC6206的产品文档或联系供应商获取准确的规格说明。图3.5稳压模块原理图3.2.5显示模块设计液晶显示屏（LiquidCrystalDisplay，简称LCD）是一种利用液晶材料作为光学传感器的电子显示器件，它可以将电子信号转换为可见的图像。LCD显示屏通常由液晶层、玻璃基板、背光源、驱动电路和外壳等组成。其中，液晶层是最关键的组成部分，液晶层是由液晶分子组成的，这些分子可以通过加电或去电改变排列状态，从而改变光的透过性和偏振性，使得光通过液晶层时会出现不同的色彩和亮度。在LCD显示屏中，背光源通常采用LED灯或者冷阴极荧光灯等，用来提供背景光源，从而让图像变得更加清晰、明亮。驱动电路则是控制LCD显示屏的液晶分子状态，将电子信号转换为可见图像的关键部分。LCD显示屏具有低功耗、轻薄、高分辨率、低辐射、色彩鲜艳等特点，因此在电子产品领域得到了广泛的应用，如手机、电视、电脑显示器、相机等设备都采用了LCD显示屏。液晶结构：液晶显示模块由液晶层、玻璃基板、电极和滤光片等组成。液晶层通常是由两块玻璃基板夹持，中间填充着液晶材料。玻璃基板上分布有透明导电电极，用于控制液晶分子的排列状态。电场控制：液晶分子的排列方式受电场的控制。当电场施加到液晶层时，液晶分子会发生扭曲或重新排列，从而改变光的透过程度。这是因为液晶分子具有双折射性质，电场的作用可以调整液晶分子的折射率，进而改变光的传播方向。像素结构：液晶显示模块中的每个像素由液晶层上的一个小区域组成。每个像素都有一对电极（通常为透明导电材料）控制液晶分子的排列状态。色彩和亮度控制：为了显示彩色图像，液晶显示模块通常采用彩色滤光片。这些滤光片位于每个像素的上方，用于控制光的透过颜色。通过调整液晶分子的排列状态和电场的强度，可以控制像素的亮度和颜色。后光源：液晶显示模块通常需要背光源来提供背光，以便观察图像。背光源通常是冷阴极管（CCFL）或LED背光。背光源位于液晶层背后，光通过液晶层的透明电极和液晶分子进行调节，最终通过前面的玻璃基板和滤光片显示图像。图3.6显示模块原理图第4章系统的软件设计4.1主程序流程图主程序流程图如下：图4.1主程序流程图4.2摄像头模块设计本装置最重要的组成部分就是摄像头，当装置开始运行后，摄像头对现场画面进行实时捕捉并及时进行数据存储，在存储数据之后，系统就可以自动将捕捉到的数据与事先存储的数据进行对比，从而实现驱鸟、喷洒农药等功能。图4.2摄像头模块流程图4.3农药喷洒模块设计系统由下位机构成，把该装置放置在农田当中，装置开始运行时，摄像头开始工作并实时捕捉现场画面，当捕捉的图像与到我们之前储存的虫类数据相匹配时，系统判定出现虫类，这时系统则控制用以喷洒农药的继电器，进而喷洒农药以达到驱虫的效果。图4.3农药喷洒模块流程图4.4短信模块设计当检测到农作物成熟的信息时候，下位机通过短信模块对上位机发送作物成熟的消息。开始：流程的起始点。输入短信内容：用户输入要发送的短信内容。输入接收方号码：用户输入接收方的电话号码。验证号码：验证接收方号码的有效性，确保格式正确并且是有效的电话号码。检查余额：检查发送方账户的余额是否足够支付短信费用。发送短信：将短信内容和接收方号码发送到短信服务提供商的服务器。等待响应：等待短信服务提供商的响应，确认短信是否成功发送。接收响应：接收短信服务提供商的响应，判断短信是否成功发送。检查状态：检查短信发送的状态，确定是否成功发送。 图4.4短信发送模块时序图4.5音乐播放模块设计系统由下位机构成，把该装置放置在农田当中，装置开始运行时，摄像头开始工作并实时捕捉现场画面，当捕捉的图像与到我们之前储存的鸟类数据相匹配时，系统判定出现鸟类，这时系统则开始播放驱鸟音乐进行鸟类驱逐。图4.5音乐播放模块时序图4.6显示模块设计显示模块流程图用于描述一个系统或程序中的显示功能的操作流程。开始：流程的起始点。准备数据：准备需要显示的数据。选择显示方式：根据需要选择合适的显示方式，如文本、图像、表格等。数据处理：对准备好的数据进行必要的处理，以便在显示中呈现。设置显示参数：根据需求设置显示的参数，如字体大小、颜色、布局等。显示数据：使用所选择的显示方式将处理后的数据显示在屏幕、显示器或其他显示设备上。结束：流程的结束点。总初始化流程图如下：图4.6显示模块流程图第5章系统测试5.1系统实物图图5.1系统完整实物图5.2测试原理 测试用例要包括欲测试的功能、应输入的数据和预期的输出结果。测试数据应该选用少量、高效的测试数据进行尽可能完备的测试，基本目标是：设计一组发现某个错误或某类错误的测试数据；测试用例应覆盖方面：输入用户实际数据以验证系统是满足需求规格说明书的要求；测试用例中的测试点应首先保证要至少覆盖需求规格说明书中的各项功能，并且正常。5.3插卡功能测试本设计因需要向上位机发送提醒短信，所以需要提前进行通讯功能测试。首先我们需要把移动手机卡插入到通讯卡槽内，指示灯闪烁时，则表示表示插卡成功，如若指示灯无反应则可能是手机卡插反或手机卡损坏，这时则需要及时更换正常手机卡。图5.2插卡模块实物图5.4摄像头功能测试将鸟类、虫类等相关测试信息通过摄像头拍摄，多选择几个角度，进行数据保存，数据保存之后，当检测到鸟类的时候，将播放驱鸟音乐对鸟类进行驱赶，当检测到虫类的时候，农药喷洒继电器打开，进行灭虫措施。图5.3摄像头模块实物图图5.4摄像头模块实物图5.5灭虫功能测试将摄像头对准测试图像，系统自动将摄像头采集到的实时图像与存储单元中存储的历史数据进行比对，通过AI算法自动进行判定，当AI判定输入数据为虫类时，继电器模块的红色灯亮起，代表正在进行农药喷洒作业。图5.5继电器模块实物图5.6短信功能测试当测试图像为农作物时，系统自动将摄像头采集到的图像画面与存储单元中的成熟农作物的图像特征进行比对，当系统判定农作物与成熟农作物的特征相吻合时，系统将自动向上位机进行短信发送，提醒客户农作物已成熟。图5.6接收短信模块实物图

第6章总结与展望6.1总结在焊接电路的过程中由于技术的不熟练，经常不经意间就造成了焊接的短路，两个点焊接到了一起导致最后结果无法显示。系统软件的调试过程并不是一帆风顺，在调试过程中出现了一些错误。但在老师的辅导下，我总算发现了问题，并纠正了设计中的错误和不科学的地方。设计方案中的问题和解决方法主要包含下面一些层面。(1)在测试工程中，不小心按到复位按键，会将所有数据进行清除，需要重新对我们已经存储的数据再进行拍照保存。(2)应用仿真软件，发现错误代码。然后调整，发现在启用程序流程时，单片机没有正常复位，在程序流程中添加复位程序流程后才获得准确的结果。6.2展望随着全球AI技术的不断突破，AI的应用范围越来越大，也会成为农业上的好帮手。中国因为地理位置和人口原因以及我国的基本国情，造就了我国农业大国的地位，不仅坐拥18亿亩基本农田，还是世界上最大的农机大国之一REF_Ref10166\r\h[12]。所以，在我国农业发展始终是第一位的，如何大力发展农业以及如何更好地保护庄稼，应当是未来我国科技发展的重点方向。我觉得在未来，必定可以实现农作物播撒-养护-收割完整的智能操作体系，从真正意义上实现人工的解放。

参考文献王克鑫.基于机器视觉的智能植物养护系统[D].黑龙江大学,2018.

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附录附录A电路图图A.1电路图附录B源代码importKPUaskpuimportsensorimportlcdfromMaiximportGPIOfromfpioa_managerimportfmimporttimeimportgcfrommicropythonimportconst#导入constfromboardimportboard_infofrommachineimportUARTfrommachineimportTimerimportSIM_800C_Drive_No_Print#短信importRELAY_Drive#喷药importMP3_MODULE_Drive#MP3'''逻辑提要：RUN:识别环境：--识别鸟类：音乐识别虫类：喷药识别成熟：短信END:识别环境：--识别鸟类：--识别虫类：--识别成熟：--'''############################My-config#######################SYS_Status='END'#系统状态：状态Operation_State=0#识别结果：0-环境、1-鸟类、2-虫类、3-成熟Last_Operation_State=0Equipment=[0,0]#设备状态：MP3,RELAY#############config#################################################class_num=4#类数量sample_num=20#样本数量THRESHOLD=11#阈值class_names=['Surroundings','Bird','Insect','Harvesting']#类名称：环境、鸟类、虫类、成熟Identify_Results={'Identify_Situation':"",'Identify_Index':''}#识别结果cap_num=0#抓取训练数量train_status=0#训练状态last_cap_time=0#上次训练抓取时间last_btn_status=1#上次按键状态###############################GSM#################################Send_Message_To_Phone_Number=#短信接受方号码（移动）Send_Message_Text_1="Thecropsareripe."#短信内容1#Send_Message_Text_2="MessageDrive2"#短信内容2#映射串口引脚fm.register(board_info.PIN_GSM_RXD_MCU_TX,fm.fpioa.UART2_TX,force=True)#注册MCU-TXfm.register(board_info.PIN_GSM_TXD_MCU_RX,fm.fpioa.UART2_RX,force=True)#注册MCU-RXuart=UART(UART.UART2,9600,read_buf_len=4096)#构建串口对象Message_01=SIM_800C_Drive_No_Print.SIM_800C(uart)#构建短信对象SIM_800C_State=Message_01.SIM_800C_Init()#初始化短信模块并获取状态time.sleep(5)#用法#SIM_800C_State=Message_01.Send_Message(Send_Message_To_Phone_Number,Send_Message_Text_1)#发送短信并获取状态####################RELAY（喷药）############################喷药--常开接线（继电器不工作状态是开路）fm.register(board_info.PIN_Relay_01,fm.fpioa.GPIO0)#注册IO-Ctr_RELAY_01Ctr_RELAY_01=GPIO(GPIO.GPIO0,GPIO.OUT)Relay_01=RELAY_Drive.RELAY(Ctr_RELAY_01,1)#构建对象:Relay_01，高电平控制Relay_01.Init()#初始化:Relay_01#Relay_01.ON()#继电器打开#Relay_01.OFF()#继电器打开############MP3_MODULE##########################################fm.register(board_info.PIN_MP3_01,fm.fpioa.GPIO1)#注册IO-Ctr_RELAY_01Ctr_MP3_01=GPIO(GPIO.GPIO1,GPIO.OUT)MP3_01=MP3_MODULE_Drive.MP3_MODULE(Ctr_MP3_01,0)#构建对象:MP3_01MP3_01.Init()#初始化:MP3_01#MP3_01.ON()#打开：音乐1#MP3_01.OFF()#关闭：音乐1##########################KEY####################################KEY_BOOTfm.register(board_info.PIN_KEY_BOOT,fm.fpioa.GPIOHS0)KEY_BOOT=GPIO(GPIO.GPIOHS0,GPIO.PULL_UP)#KEY_SYSfm.register(board_info.PIN_KEY_SYS,fm.fpioa.GPIOHS1)#注册IO-KEY_SYSKEY_SYS=GPIO(GPIO.GPIOHS1,GPIO.IN,GPIO.PULL_UP)#构建KEY_SYS对象defexit_KEY_SYS_fun(KEY_SYS):#KEY_SYS中断回调函数globalSYS_Status,train_statusglobalOperation_StateglobalLast_Operation_Stateiftrain_status!=0:#若：训练完成time.sleep_ms(10)#消除抖动ifKEY_SYS.value()==0:#确认按键被按下Operation_State=0Last_Operation_State=0ifSYS_Status=='END':SYS_Status='RUN'else:SYS_Status='END'KEY_SYS.irq(exit_KEY_SYS_fun,GPIO.IRQ_FALLING)#开启中断，下降沿触发#KEY1--#KEY2--#KEY3--#############文字显示#########################################defdraw_string(img,x,y,text,color,scale,bg=None):ifbg:img.draw_rectangle(x-2,y-2,len(text)*8*scale+4,16*scale,fill=True,color=bg)img=img.draw_string(x,y,text,color=color,scale=scale)returnimg#####异常/正常################################################Operation(SYS_Status,Operation_State,Send_Message_To_Phone_Number,Send_Message_Text_1)defOperation(sys_status,operation_state,phone_number,message_text):globalLast_Operation_StateglobalMP3_01#音乐globalRelay_01#喷药globalMessage_01#短信globalSIM_800C_State#短信模块，状态equipment=[0,0]mp3_01_flag=0#flag:mp3，初始默认，不播放relay_01_flag=0#flag:喷药，初始默认，不喷药message_flag=0#flag:短信，初始默认，不发送短信ifsys_status=="RUN":#RUNifoperation_state==1:#鸟类mp3_01_flag=1#flag:音乐，置位elifoperation_state==2:#虫类relay_01_flag=1#flag:喷药，置位elifoperation_state==3:#成熟ifLast_Operation_State!=operation_state:message_flag=1#flag:短信，置位else:#其他passelse:#ENDpassLast_Operation_State=operation_state#执行#MP3ifmp3_01_flag==1:MP3_01.ON()#音乐：开启else:MP3_01.OFF()#音乐：关闭#喷药ifrelay_01_flag==1:Relay_01.ON()#喷药：开启else:Relay_01.OFF()#喷药：关闭#短信ifmessage_flag==1:SIM_800C_State=Message_01.Send_Message(phone_number,message_text)#发送短信并获取状态else:passequipment[0]=mp3_01_flagequipment[1]=relay_01_flagreturnequipment#####################################################################设置摄像头sensor.reset()sensor.set_pixformat(sensor.RGB565)sensor.set_framesize(sensor.QVGA)sensor.set_windowing((224,224))#初始化LCDlcd.init()#设置摄像头水平与垂直镜像sensor.set_vflip(True)sensor.set_hmirror(True)#再次运行删除模型try:delmodelexceptException:passtry:delclassifierexceptException:passgc.collect()model=kpu.load("/sd/sipeed_learn_model.smodel")#加载模型#model=kpu.load(0x300000)classifier=kpu.classifier(model,class_num,sample_num)#模型初始化while1:img=sensor.snapshot()#采集图片#captureimgiftrain_status==0:#如果训练状态：0（未训练）ifKEY_BOOT.value()==0:#如果按键值为：0（按下）time.sleep_ms(30)#延时30msifKEY_BOOT.value()==0and(last_btn_status==1)and(time.ticks_ms()-last_cap_time>500):#如果按键按下&&上次按键状态==1&&时差大于500last_btn_status=0#上次按键状态=1last_cap_time=time.ticks_ms()#更新上次抓取时间ifcap_num<class_num:#如果抓取数量<类数量index=classifier.add_class_img(img)#添加类图片，并获取当前添加图片的indexcap_num+=1#cap_num自增1print("addclassimg:",index)#打印当前添加的类elifcap_num<class_num+sample_num:#如果：类数量<抓取数量<类数量+样例数量index=classifier.add_sample_img(img)#添加样例并获取当前添加样例的indexcap_num+=1#cap_num自增1print("addsampleimg:",index)#打印当前添加的样例else:#如果：按键弹起img=draw_string(img,2,200,"releasebootkeyplease",color=lcd.RED,scale=1,bg=lcd.WHITE)#请松开按键else:#如果未按下按键time.sleep_ms(30)#延时30msifKEY_BOOT.value()==1and(last_btn_status==0):#如果按键按下&&上次按键状态==0last_btn_status=1#上次按键状态=1ifcap_num<class_num:#如果抓取数量<类数量img=draw_string(img,0,200,"pressbootkeytocap"+class_names[cap_num],color=lcd.RED,scale=1,bg=lcd.WHITE)#显示请按键抓取类xelifcap_num<class_num+sample_num:#如果类数量<抓取数量<类数量+样例数量img=draw_string(img,0,200,"bootkeytocapsample{}".format(cap_num-class_num),color=lcd.RED,scale=1,bg=lcd.WHITE)#显示请按键抓取样例x#trainandpredictiftrain_status==0:#如果训练状态：0（未训练）ifcap_num>=class_num+sample_num:#如果类数量+样例数量<抓取数量print("starttrain")#print开始训练img=draw_string(img,30,100,"training...",color=lcd.RED,scale=2,bg=lcd.WHITE)#显示training...lcd.display(img)#显示classifier.train()#训练print("trainend")tra