低功耗儲糧害蟲圖像采集裝置設(shè)計

顏永彪， 張璇璇， 程雯婷， 李曉輝

(安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

隨著糧食產(chǎn)量的提高，儲糧過程中糧蟲造成的糧食損失也與日俱增，糧蟲的高效、快速檢測刻不容緩。當(dāng)前國內(nèi)外檢測儲糧害蟲的方法有聲測法、事物引誘、近紅外法和圖像識別法等[1]，其中圖像識別法因具有高辨識率、操作簡易、成本低廉等優(yōu)點，是近年來糧蟲防治領(lǐng)域的研究熱點和主要技術(shù)手段[2～4]。

文獻(xiàn)[5,6]中設(shè)計了一種儲糧害蟲檢測裝置，實現(xiàn)了儲糧害蟲誘捕，采集糧蟲圖像，并遠(yuǎn)程傳輸功能。這些設(shè)計雖然減輕了大量人工，但由于其電容檢測電路需要一直掃描，另外采集到的圖像數(shù)據(jù)都是直接上傳到終端，未經(jīng)任何處理,包含了大量冗余信息，通過無線模塊上傳時會帶來巨大的能量消耗，甚至造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。因此，本文設(shè)計了一種高效率、低功耗的儲糧害蟲圖像采集裝置，通過無線模塊將采集到的圖像數(shù)據(jù)上傳到終端供分析、識別處理。

1 糧蟲采集裝置內(nèi)部設(shè)計

糧蟲圖像采集裝置設(shè)計如圖1所示。該裝置主要是通過放置在集蟲漏斗中的誘蟲劑，引誘糧食中的糧蟲從蟲洞入口進(jìn)入該裝置，通過光滑斜口式漏口掉落到光滑落板上，其中,光電傳感器會檢測到糧蟲落入信號，并通知單片機(jī)(microcontroller unit,MCU)從睡眠狀態(tài)切換為正常工作模式，驅(qū)動攝像頭模塊采集圖像。對采集后的圖像進(jìn)行背景減法，將提取出來的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到終端后，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，并采集1次光滑落蟲板背景色，存入到存儲器中，供下次背景減法時使用，至此1次采集過程結(jié)束，MCU重新回到睡眠模式，除光電傳感器外，其他模塊全部掉電。

圖1 裝置內(nèi)部

1.1 MCU模塊

文獻(xiàn)[7]驗證了STM32系列芯片在圖像采集中的優(yōu)越性能，因此，本設(shè)計的MCU控制單元選用STM32F407ZG芯片，其自帶了一個數(shù)字?jǐn)z像頭(DCMI)接口，該接口是一個同步并行接口，可以接收外部 8，10，12，14位CMOS攝像頭模塊輸出的高速數(shù)據(jù)流。

1.2 糧蟲落入檢測模塊

本文設(shè)計通過反射式光電傳感器來檢測糧蟲落入信號，光電傳感器輸出引腳接至MCU的外部中斷1處，正常情況下，接收端可以接收到反射紅外光，接收三極管導(dǎo)通，輸出高電平；當(dāng)有糧蟲從漏口落下時，接收端接收不到反射光，此時輸出低電平，并將該信號提供給MCU的I/O口，MCU被喚醒，并執(zhí)行后續(xù)的操作。電路如圖2(a)所示。

1.3 圖像采集模塊

使用的ATK-OV5640攝像頭是由ALIEBTEK公司推出的高性能500萬像素高清攝像頭。該模塊集成有源晶振，且集成了自動對焦(auto-focusing,AF)功能，自帶2個1W的可程序控制高亮發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)閃光燈。通過攝像頭時序的分析[8]，在設(shè)計中控制該模塊幀內(nèi)圖像掃描方式為從左至右、從上到下，輸出分辨率為640×480的RGB565格式數(shù)據(jù)。其與MCU的硬件連接電路如圖2(b)所示。

圖2 光電傳感器檢測電路與圖像采集模塊硬件連接

1.4 旋轉(zhuǎn)控制模塊

步進(jìn)電機(jī)受MCU控制，其旋轉(zhuǎn)軸和光滑落蟲板的中間軸相連，當(dāng)每采集完1次糧蟲圖像后，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)而將光滑落蟲板翻轉(zhuǎn)180°，此時糧蟲落入到集蟲漏斗中，防止對下次采集產(chǎn)生干擾。

由圖3(為了便于觀察圖像縮小顯示)可以看到該圖像數(shù)據(jù)包含了糧蟲和落蟲板背景色，如果不進(jìn)行任何處理，通過無線模塊傳送的字節(jié)數(shù)為共600 kB(640×480×2)，即使使用JPEG壓縮編碼仍然有70 kB大小，顯然不適合運用于低功耗應(yīng)用中的低速網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2 糧蟲數(shù)據(jù)區(qū)域提取

對采集到的RGB565數(shù)據(jù)進(jìn)行背景減法。每次MCU控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°后，會驅(qū)動圖像采集模塊采集背景色，也將其存儲到存儲器中，其中第1次背景色的采集是在模塊上電初始化完成后，如圖4所示。

圖3 糧蟲圖片 圖4 光滑落蟲板背景色

在該裝置中，每次拍照都在同樣的光照下，基本處于一個穩(wěn)定的監(jiān)控場景,因此使用背景減法，將采集到的糧蟲圖像數(shù)據(jù)和背景色圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)的像素相減，之后將差值圖像進(jìn)行閾值化處理，通過連通性分析后提取出圖像中前景像素點即糧蟲像素點。背景減法算法簡單描述如下：

假設(shè)f(i,j)，g(i,j)分別為從存儲器中提取出來的糧蟲落入后采集到的圖片序列和光滑落蟲板背景色圖像序列，則差分序列為

D(i,j)=|f(i,j)-g(i,j)|

(1)

式中 (i,j)為離散圖像坐標(biāo)，對差分后的序列利用選取的閾值T來進(jìn)行二值化處理，當(dāng)差分后的序列中某一像素值大于給定的閾值T時，此時認(rèn)為該像素為前景像素，即有用的糧蟲像素點，反之則認(rèn)為是背景像素，即背景色像素點

(2)

對采集的600 kB RGB565數(shù)據(jù)流，按行讀取再差分,便于單片機(jī)直接處理。對差分后的序列每2個1組(RGB565數(shù)據(jù)一個像素點由2個字節(jié)表示)求2個數(shù)的均值,此時組成序列長度縮短為原來的1/2，同樣按照式(2)找出前景像素和背景像素。循環(huán)至最后1行，依次找到可能的前景像素從而提取完整的糧蟲所在區(qū)域。

由于可能會存在噪聲干擾，最后對提取的區(qū)域進(jìn)行連通性分析，當(dāng)某一連通的區(qū)域面積大于給定的閾值時，認(rèn)為采集到有效糧蟲數(shù)據(jù)并提取出各個區(qū)域所在的最小行、最大行、最小列、最大列。當(dāng)區(qū)域面積小于閾值時，認(rèn)為是噪聲干擾。通過對上述兩幅圖進(jìn)行背景減法得到糧蟲所在區(qū)域的最小行為第185行，最大行為第212行，最小列為第412列，最大列為第433列，然后將該信息代入到糧蟲落入后采集到數(shù)據(jù)中進(jìn)而提取出糧蟲所在區(qū)域的數(shù)據(jù)。此時無線模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量僅為(212-185)×(433-412)×2僅1 134 B，大大減少了無線模塊需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，節(jié)省傳輸耗時。通過背景減法后得到有效糧蟲圖像如圖5所示。

圖5 有效圖像

3 功耗分析

通過查閱STM32F407數(shù)據(jù)手冊，可知在3.3 V供電條件下，使用72 MHz時鐘時，芯片正常工作電流為69 mA，而停機(jī)模式下，所有時鐘停止，電流僅為0.38 mA。使用電容檢測電路檢測糧蟲落入信號時，僅MCU一天的耗電量為69 mA×24 h=1 656 mA·h，另外電容電路也持續(xù)耗電，且即使將圖像采集模塊設(shè)置為JPEG輸出格式，在640×480的分辨率下，通過無線模塊需要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)為70 kB。當(dāng)使用光電傳感器作為檢測電路時，光電傳感器的工作電流為50 mA，光電傳感器和MCU一天的耗電量為50.38 mA×24 h=1 209 mA·h，另外本裝置雖然需要通過背景減法對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但是通過無線模塊傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)僅為1 134 B，大大降低了系統(tǒng)的功耗。

4 結(jié) 論

糧蟲圖像采集裝置能夠保證系統(tǒng)在低功耗下實時地監(jiān)測是否有糧蟲落入，背景減法通過對糧蟲落入后采集到的圖片和背景色做差不需要其他復(fù)雜的計算即可快速提取出糧蟲所在區(qū)域，并通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，減輕了網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，同時更便于終端進(jìn)行相關(guān)的識別、分類操作。