基于AI視覺的湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

[19]。2021年，YuxiWang、IderbatDamba、QingshanZhao在《Organisingajuvenileratiomonitoringprogrammefor10keywaterbirdspeciesintheYangtzeRiverfloodplain:analysisandproposals》文中的產(chǎn)品設(shè)計??中，將??到當(dāng)前??電動滑??板系統(tǒng)??的設(shè)計??問題，??對于這??些問題??需要進??一步研??究，才??能使得??其具備??一定的??市場，??受到廣大用戶的歡迎。2021年，ThalingerBettina、DeinerKristy在《AvalidationscaletodeterminethereadinessofenvironmentalDNAassaysforroutinespeciesmonitoring》文中談?wù)摰胶吹??生態(tài)維??持，如??果存在??外來物??種的入??侵，將??會打破??湖泊的??平衡，??對原先??的物種??產(chǎn)生較??大的影??響REF_Ref136965591\r\h[20]。綜??上所述??，當(dāng)今??社會科??學(xué)技術(shù)??發(fā)展迅??速，已??經(jīng)發(fā)展??成一套??功能齊??全，能??夠提供??安全的??保障，??現(xiàn)代化??的控制??系統(tǒng)。??開發(fā)一??款可以??監(jiān)測湖??泊外來??入侵物??種的系??統(tǒng)將是??當(dāng)前主??要的研??究方向??，并且??具有一??定的保護作用。1.3主要研究內(nèi)容1.閱讀相關(guān)文獻(xiàn)確定了設(shè)計功能和軟件硬件的選擇方案2.硬件部分采用K210開發(fā)板3.設(shè)計采用python軟件平臺和C編程語言完成軟件設(shè)計4.將系統(tǒng)進行調(diào)試運行并成功實現(xiàn)5.實現(xiàn)的成果為實物該系統(tǒng)應(yīng)完成的主要功能有：ZigBee通信，電腦端上位機上位機：1.發(fā)送下位機指令，學(xué)習(xí)本地魚類生物；2.接收到物種入侵信號，彈窗示警；下位機：1.系統(tǒng)可實時顯示攝像頭采集的畫面；2.系統(tǒng)可接收上位機指令學(xué)習(xí)本地魚類物種數(shù)據(jù)；3.系統(tǒng)可識別本地魚類物種數(shù)據(jù)；4.系統(tǒng)識別到外來物種時，開啟蜂鳴器示警；5.系統(tǒng)識別到外來物種入侵時，發(fā)送警告信號到上位機。

第2章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1設(shè)計方案本設(shè)計是一種基于A??I視??覺的湖??泊外來??魚類入??侵物種??監(jiān)測系??統(tǒng)設(shè)計??。為了解決外來魚類物??種入侵??對湖泊??生態(tài)環(huán)??境造成??的嚴(yán)重??危害和??潛在的威??脅，開??發(fā)了湖??泊外來魚類??入侵物??種監(jiān)測??系統(tǒng)。??本系統(tǒng)??應(yīng)用人??工智能??百度A??I開發(fā)??平臺的??圖像識??別接口??服務(wù)，??實現(xiàn)了畫面采集、本地物種學(xué)習(xí)、魚類物種識別、外來物種識別等功能。總體設(shè)計如下：硬件部分采用以K210為主控芯片，LCD顯示屏、GC0328攝像頭、ZigBee通信模塊、基于K210的AI模塊。軟件部分采用上位機模塊（電腦端）、下位機模塊、ZigBee模塊和報警模塊。2.2功能需求分析2.2.1技術(shù)路線（1）硬件部分需要單片機K210、上位機模塊、下位機模塊、報警模塊、zigbee通信模塊；（2）采用KEIL5軟件平臺和C編程語言完成下位機軟件設(shè)計；（3）采用K210單片機技術(shù)；（4）采用QT平臺、利用C語言和MYSQL完成系統(tǒng)設(shè)計；（5）設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖；圖2-1系統(tǒng)框圖2.2.2預(yù)期結(jié)果作品展示，完成一個基于AI視覺的湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，并且該設(shè)計能實現(xiàn)的功能如下：ZigBee通信，電腦端上位機上位機：1.發(fā)送下位機指令，學(xué)習(xí)本地魚類生物；2.接收到物種入侵信號，彈窗示警；下位機：1.系統(tǒng)可實時顯示攝像頭采集的畫面；2.系統(tǒng)可接收上位機指令學(xué)習(xí)本地魚類物種數(shù)據(jù)；3.系統(tǒng)可識別本地魚類物種數(shù)據(jù)；4.系統(tǒng)識別到外來物種時，開啟蜂鳴器示警；5.系統(tǒng)識別到外來物種入侵時，發(fā)送警告信號到上位機；2.3開發(fā)板型號選擇圖2-4K210芯片原理圖K210是由一家叫做嘉楠??的曾經(jīng)??做挖礦??芯片的??公司推??出的一??款MC??U，其??特色在??于芯片??架構(gòu)中??包含了??一個自??研的神??經(jīng)網(wǎng)絡(luò)??硬件加??速器K??PU，??可以高??性能地??進行卷??積神經(jīng)??網(wǎng)絡(luò)運算。值得注意的是，芯??片的算??力不一??定和模??型推理??速度成??正比，??嵌入式??AI的??另一個??核心是??inf??ere??nce??框架。??對于C??PU架??構(gòu)來說??，是否??使用S??IMD??（AR??M從v??7開始??就支持??NEO??N指令??了）、??是否使??用多核??多線程??、是否??有高效??的卷積??實現(xiàn)方??式、是??否有做??匯編優(yōu)??化等等??都會極??大影響??模型運??行速度??；而對??DSP??/NP??U等硬??件架構(gòu)??來說，??是否對??模型進??行量化??推理、??量化的??方式、??訪存的??優(yōu)化等??也會有很大影響。K210是一款基于RISC-V架構(gòu)的人工智能芯片，廣泛應(yīng)用于邊緣計算和嵌入式系統(tǒng)中。下面是K210開發(fā)板的最小系統(tǒng)電路設(shè)計：供電電路：連接USB接口或外部DC電源適配器，提供5V直流電源。使用穩(wěn)壓芯片將5V電源轉(zhuǎn)換為K210芯片所需的工作電壓（通常為3.3V）。添加電源濾波電容，以穩(wěn)定供電電壓，并減少噪音和電源干擾。外部晶振：連接外部晶振或諧振器，為K210芯片提供時鐘信號。在晶振輸入引腳（如XTAL_IN）和晶振輸出引腳（如XTAL_OUT）之間添加合適的電容，以穩(wěn)定晶振的工作。復(fù)位電路：連接復(fù)位按鈕或復(fù)位開關(guān)，用于將K210芯片復(fù)位到初始狀態(tài)。添加上拉電阻，以確保復(fù)位引腳在無操作時保持高電平。外部擴展接口：添加GPIO引腳，用于連接外部設(shè)備、傳感器和其他模塊。根據(jù)需要添加SPI接口、I2C接口、UART接口等，以支持外部設(shè)備的通信。連接指示燈：添加LED指示燈，用于顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，如電源指示燈、運行狀態(tài)指示燈等。

第3章系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計本文設(shè)計了一種以K210為主控芯片的基于AI視覺的湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。為了解決外來魚類物種入侵對湖泊生態(tài)環(huán)境造成的嚴(yán)重危害和潛在威脅，開發(fā)了湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于K210單片機模塊，使用LCD顯示模塊、GC0328攝像頭、ZigBee通信模塊，應(yīng)用人工智能百度AI開發(fā)平臺的圖像識別接口服務(wù)，實現(xiàn)了畫面采集、本地物種學(xué)習(xí)、魚類物種識別、外來物種識別等功能。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)識別準(zhǔn)確度較高，對終端性能要求較低，運行基本正常穩(wěn)定，具有較強的移植性，可以適用于相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)識別功能的二次開發(fā)，能夠有效支持湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測工作?？傮w原理圖如下所示：3.2系統(tǒng)的主要功能模塊設(shè)計3.2.1ZigBee模塊設(shè)計Zigbee是基于IE??EE8??02.??15.??4標(biāo)準(zhǔn)??的低功??耗個域??網(wǎng)協(xié)議??。根據(jù)??這個協(xié)??議規(guī)定??的技術(shù)??是一種??短距離??、低功??耗的無??線通信??技術(shù)。??這一名??稱來源??于蜜蜂??的八字??舞，由??于蜜蜂??(be??e)是??靠飛翔??和“嗡??嗡”(??zig??)地抖??動翅膀??的“舞??蹈”來??與同伴??傳遞花??粉所在??方位信??息，也??就是說??蜜蜂依??靠這樣??的方式??構(gòu)成了??群體中??的通信??網(wǎng)絡(luò)。??其特點??是近距??離、低??復(fù)雜度??、自組??織、低??功耗、??高數(shù)據(jù)??速率。??主要適??合用于??自動控??制和遠(yuǎn)??程控制??領(lǐng)域，??可以嵌??入各種??設(shè)備。??簡而言??之，Z??igB??ee就??是一種??便宜的??，低功??耗的近??距離無??線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee是一個由可多到??650??00個??無線數(shù)??傳模塊??組成的??一個無??線數(shù)傳??網(wǎng)絡(luò)平??臺，十??分類似??現(xiàn)有的??移動通??信的C??DMA??網(wǎng)或G??SM網(wǎng)??，每一??個Zi??gBe??e網(wǎng)絡(luò)??數(shù)傳模??塊類似??移動網(wǎng)??絡(luò)的一??個基站??，在整??個網(wǎng)絡(luò)??范圍內(nèi)??，它們??之間可??以進行??相互通??信;每??個網(wǎng)絡(luò)??節(jié)點間??的距離??可以從??標(biāo)準(zhǔn)的??75米??，到擴??展后的??幾百米??，甚至??幾公里??;另外??整個Z??igB??ee網(wǎng)??絡(luò)還可??以與現(xiàn)??有的其??它的各??種網(wǎng)絡(luò)??連接。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是為了自動化??控制數(shù)??據(jù)傳輸??而建立??，而移??動通信??網(wǎng)主要??是為語??音通信??而建立??;每個??移動基??站價值??一般都??在百萬??元人民??幣以上??，而每??個Zi??gBe??e"基??站"卻??不到1??000??元人民??幣;每??個Zi??gBe??e網(wǎng)??絡(luò)節(jié)點??不僅本??身可以??與監(jiān)控??對對象??，例如??傳感器??連接直??接進行??數(shù)據(jù)采??集和監(jiān)??控，它??還可以??自動中??轉(zhuǎn)別的??網(wǎng)絡(luò)節(jié)??點傳過??來的數(shù)??據(jù)資料??;除??此之外??，每一??個Zi??gBe??e網(wǎng)絡(luò)??節(jié)點(??FFD??)還可??在自己??信號覆??蓋的范??圍內(nèi)，??和多個??不承擔(dān)??網(wǎng)絡(luò)信??息中轉(zhuǎn)??任務(wù)的??孤立的??子節(jié)點(RFD)無線連接。ZigBee技術(shù)是一種近距離??、低復(fù)??雜度、??低功耗??、低速??率、低??成本的??雙向無??線通訊??技術(shù)。??主要用??于距離??短、功??耗低且??傳輸速??率不高??的各種??電子設(shè)??備之間??進行數(shù)??據(jù)傳輸??以及典??型的??周期性??數(shù)據(jù)、??間歇性??數(shù)據(jù)和??低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。圖3-2-1ZigBee模塊原理圖ZigBee模塊的硬件電路設(shè)計主要涉及以下幾個方面：供電電路：ZigBee模塊需要提供適當(dāng)?shù)碾娫垂╇?。一般情況下，ZigBee模塊工作電壓為3.3V，因此需要設(shè)計相應(yīng)的穩(wěn)壓電路或使用適配器來提供穩(wěn)定的電源。通信接口：ZigBee模塊通常使用串行接口（如UART）與其他設(shè)備進行通信。因此，需要設(shè)計串行接口電路，包括電平轉(zhuǎn)換電路（如果需要與不同電平的設(shè)備通信）和串行通信線路連接。天線設(shè)計：ZigBee模塊需要與其他設(shè)備進行無線通信，因此需要設(shè)計適當(dāng)?shù)奶炀€電路。天線可以是外置的，需要設(shè)計天線匹配電路來優(yōu)化傳輸效果。如果使用板載天線，需要注意其位置和設(shè)計，以確保良好的無線信號覆蓋范圍。外部接口：根據(jù)具體應(yīng)用需求，可能需要設(shè)計其他外部接口電路，如傳感器接口、GPIO接口等。這些接口電路用于與外部設(shè)備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制。PCB設(shè)計：硬件電路設(shè)計完成后，需要進行PCB（PrintedCircuitBoard）設(shè)計，將電路布局在PCB上，并進行布線。在設(shè)計PCB時，需要注意信號的走線規(guī)劃、分離模擬與數(shù)字信號、電源地的布局等，以確保信號的完整性和穩(wěn)定性。射頻干擾和抗干擾設(shè)計：ZigBee模塊使用無線通信，需要考慮射頻干擾和抗干擾設(shè)計。這包括對模塊和其他電路之間的隔離、濾波和屏蔽措施的設(shè)計，以減小干擾對無線通信的影響。測試和驗證：完成硬件電路設(shè)計后，需要進行測試和驗證，以確保電路的正常工作。這包括對電源穩(wěn)定性、通信功能、天線性能等進行測試和驗證，以確保硬件電路設(shè)計滿足預(yù)期要求。3.2.2AI模塊設(shè)計本設(shè)計采用的是K210模塊??。K210全??稱為堪??智K210,??是嘉楠??科技自??主研發(fā)??的一款??采用R??ISC??-V處??理器架??構(gòu)，具??備視聽??一體、??自主I??P內(nèi)核??與可編??程能力??強三大??特點，??支持機??器視覺??與機器??聽覺多??模態(tài)識??別，可??廣泛應(yīng)??用于智??能家居??、智能??園區(qū)、??智能能??耗和智??能農(nóng)場??等場景???？爸?K210使用??臺積電??超低功??耗的2??8納米??先進制??程，具??有雙核??64位??處理器??，總算??力可達(dá)??1TO??PS，??內(nèi)置多??種硬件??加速單??元（K??PU、??FPU??、FF??T等）??，并且??擁有較??好的功耗性能、穩(wěn)定性與可靠性。K210功耗僅為0.3w，典型設(shè)備工??耗為1??W，算??力為1??TOP??S（比??樹莓派??、Je??tso??nN??ano??要高）??，但是??1TO??PS≠??1TF??lop??s。T??OPS??，（T??era??Op??era??tio??ns??Per??Se??con??d），??1TO??PS代??表處理??器每秒??鐘可進??行一萬??億次（??10^??12）??操作。??TFl??ops??/s，??（Te??ra??Flo??ati??ng??Poi??nt??Ope??rat??ion??sP??er??Sec??ond??），可??以簡單??寫為T??/s，??是數(shù)據(jù)??流量的??計數(shù)單??位，意??思是“??1萬億??次浮點??指令每??秒”，??它是衡??量一個電腦計算能力的標(biāo)準(zhǔn)。圖3-2-3K210AI設(shè)計原理圖K210AI模塊是一款基于RISC-V架構(gòu)的嵌入式人工智能處理器，用于圖像識別、語音識別和機器學(xué)習(xí)等應(yīng)用。其硬件電路設(shè)計主要涉及以下幾個方面：供電電路：K210AI模塊需要提供適當(dāng)?shù)碾娫垂╇?。一般情況下，K210工作電壓為3.3V，因此需要設(shè)計相應(yīng)的穩(wěn)壓電路或使用適配器來提供穩(wěn)定的電源。處理器和存儲器：K210AI模塊集成了處理器核心和內(nèi)存，需要設(shè)計處理器和存儲器的電路。這包括處理器的外部連接和引腳分配，以及與存儲器（如DDRRAM或Flash存儲器）的接口電路。外部接口：K210AI模塊通常具有多種外部接口，如UART、SPI、I2C和GPIO等。需要設(shè)計這些接口的電路，包括電平轉(zhuǎn)換電路（如果需要與不同電平的設(shè)備通信）和串行通信線路連接。觸摸屏和顯示器接口：如果K210AI模塊需要連接觸摸屏或顯示器，需要設(shè)計相應(yīng)的接口電路。這包括觸摸屏控制器和顯示器控制器的接口電路，以實現(xiàn)觸摸和圖像顯示功能。攝像頭接口：K210AI模塊通常用于圖像識別應(yīng)用，需要設(shè)計攝像頭接口電路。這包括攝像頭模塊的連接和接口電路設(shè)計，以實現(xiàn)圖像采集和傳輸功能。射頻干擾和抗干擾設(shè)計：K210AI模塊需要考慮射頻干擾和抗干擾設(shè)計。這包括對模塊和其他電路之間的隔離、濾波和屏蔽措施的設(shè)計，以減小干擾對模塊性能的影響。PCB設(shè)計：完成硬件電路設(shè)計后，需要對PCB（PrintedCircuitBoard）進行設(shè)計，將電路布局在PCB板上，并進行布線。在設(shè)計PCB時，需要考慮信號的走線規(guī)劃、分離模擬與數(shù)字信號、電源地的布局等，以確保信號的完整性和穩(wěn)定性。測試和驗證：完成硬件電路設(shè)計后，需要進行測試和驗證，以確保電路的正常工作。這包括對電源穩(wěn)定性、外部接口功能、射頻性能等進行測試和驗證，以保障達(dá)到硬件電路設(shè)計預(yù)期的要求。3.2.3顯示模塊設(shè)計液晶顯示模塊已作為??很多電??子產(chǎn)品??的通過??器件，??如在計??算器、??萬用表??、電子??表及很??多家用??電子產(chǎn)??品中都??可以看??到，顯??示的主??要是數(shù)??字、專??用符號??和圖形??。在單??片機的??人機交??流界面??中，一??般的輸??出方式??有以下??幾種：??發(fā)光管??、LE??D數(shù)碼??管、液??晶顯示??器。發(fā)??光管和??LED??數(shù)碼管??比較常??用，軟??硬件都??比較簡??單，在此??介紹一下字符型液晶顯示器的應(yīng)用。在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：1.顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。2.數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。3.體積小、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。4.功耗低相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。LCD顯示屏的硬件電路設(shè)計主要涉及以下幾個方面：供電電路：LCD顯示屏需要提供適當(dāng)?shù)碾娫垂╇?。一般情況下，LCD顯示屏工作電壓為3.3V或5V，因此需要設(shè)計相應(yīng)的穩(wěn)壓電路或使用適配器來提供穩(wěn)定的電源?？刂破鹘涌陔娐罚篖CD顯示屏通常通過并行或串行接口與控制器或主板進行通信。需要設(shè)計控制器接口電路，包括引腳分配、電平轉(zhuǎn)換電路（如果需要與不同電平的設(shè)備通信）和信號線連接。背光電路：LCD顯示屏通常需要背光來提供顯示亮度。需要設(shè)計背光電路，包括背光模塊的連接和控制電路。背光電路可以使用LED或CCFL等光源，需要考慮其電源供應(yīng)和亮度調(diào)節(jié)控制。驅(qū)動電路：LCD顯示屏的驅(qū)動電路用于控制液晶像素的刷新和顯示。根據(jù)具體的液晶技術(shù)，可能需要設(shè)計液晶驅(qū)動器和時序控制電路。這些電路用于控制行列掃描、像素刷新、電壓施加等操作，確保顯示效果和刷新速度的穩(wěn)定性。PCB設(shè)計：硬件電路設(shè)計完成后，需要PCB（PrintedCircuitBoard）進行設(shè)計，將電路布局在PCB上，并進行布線。在設(shè)計PCB時，需要考慮信號的走線規(guī)劃、分離模擬與數(shù)字信號、電源地的布局等，以確保信號的完整性和穩(wěn)定性。射頻干擾和抗干擾設(shè)計：LCD顯示屏可能會產(chǎn)生射頻干擾，同時也需要考慮抗射頻干擾的設(shè)計。這包括對顯示屏電路和其他電路之間的隔離、濾波和屏蔽措施的設(shè)計，以減小干擾對顯示效果的影響。圖3-2-3顯示模塊原理圖

第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件主流程圖以下是該系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計：系統(tǒng)架構(gòu)：上位機：運行在電腦端的應(yīng)用程序，提供用戶界面和控制功能。下位機：負(fù)責(zé)實時圖像采集和處理的設(shè)備，與上位機通過無線通信（如Zigbee）連接。上位機功能設(shè)計：用戶界面：提供直觀的界面，包括圖像顯示區(qū)域、指令發(fā)送按鈕和警報彈窗等。學(xué)習(xí)本地魚類生物：用戶可通過指令發(fā)送給下位機，引導(dǎo)下位機學(xué)習(xí)本地魚類物種數(shù)據(jù)，以建立物種庫。監(jiān)測外來魚類入侵：接收下位機發(fā)送的物種入侵信號，并通過警報彈窗向用戶示警。下位機功能設(shè)計：實時圖像顯示：連接攝像頭，實時獲取湖泊的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像傳輸給上位機進行顯示。接收上位機指令學(xué)習(xí)本地魚類物種數(shù)據(jù)：通過無線通信接收上位機發(fā)送的指令，下位機根據(jù)指令進行學(xué)習(xí)本地魚類物種數(shù)據(jù)的操作。本地魚類物種識別：利用AI視覺技術(shù)，對攝像頭采集的圖像進行處理和分析，識別圖像中的魚類物種，并將識別結(jié)果發(fā)送給上位機。外來物種入侵檢測：通過與本地魚類物種數(shù)據(jù)進行對比，判斷是否存在外來物種入侵。如果檢測到外來物種，觸發(fā)蜂鳴器示警，并向上位機發(fā)送警告信號。圖4-1總體流程圖4.2AI模塊軟件的設(shè)計AI模塊是湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)處理圖像數(shù)據(jù)并進行魚類物種識別。以下是AI模塊的軟件設(shè)計：數(shù)據(jù)預(yù)處理：圖像獲取：接收來自下位機的實時圖像數(shù)據(jù)。圖像增強：對圖像進行預(yù)處理，包括降噪、增強對比度、調(diào)整亮度等，以提高識別準(zhǔn)確性。圖像分割：將圖像分割為不同的魚類區(qū)域，便于后續(xù)的物種識別。物種識別模型：模型選擇：選擇適合魚類物種識別的深度學(xué)習(xí)模型，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）。模型訓(xùn)練：使用帶有標(biāo)記的魚類圖像數(shù)據(jù)集，對選定的模型進行訓(xùn)練，以學(xué)習(xí)不同魚類物種的特征。特征提?。和ㄟ^卷積層和池化層，從輸入圖像中提取關(guān)鍵特征。分類器：在全連接層上構(gòu)建分類器，將提取的特征與魚類物種進行匹配，并預(yù)測魚類物種的類別。物種識別與結(jié)果輸出：物種識別：將經(jīng)過預(yù)處理的圖像輸入到物種識別模型中，利用訓(xùn)練好的模型進行物種分類和識別。結(jié)果輸出：將識別的魚類物種信息輸出為標(biāo)簽或代碼，表示該物種的類別。結(jié)果傳輸：將識別結(jié)果傳輸給下位機，以觸發(fā)蜂鳴器示警和向上位機發(fā)送警告信號。圖4-2AI模塊設(shè)計流程圖4.3ZigBee模塊的軟件設(shè)計圖4-3ZigBee模塊流程圖ZigBee是一種低功耗、低速率無線通信協(xié)議，常用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備之間的通信。設(shè)計ZigBee模塊的軟件涉及以下幾個方面：ZigBee協(xié)議棧：ZigBee協(xié)議棧是實現(xiàn)ZigBee通信的關(guān)鍵部分。它包括物理層（PHY）、介質(zhì)訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）。你可以選擇使用現(xiàn)有的ZigBee協(xié)議棧實現(xiàn)，如TexasInstruments的Z-Stack或Digi的XBee固件。在軟件設(shè)計中，你需要了解協(xié)議棧的API和功能，以便正確配置和使用它。硬件驅(qū)動：ZigBee模塊通常需要與主控制器（如微處理器或微控制器）進行通信。你需要編寫硬件驅(qū)動程序，以便主控制器能夠與ZigBee模塊進行交互。這可能涉及串口通信、SPI（串行外設(shè)接口）或I2C（Inter-IntegratedCircuit）等接口。應(yīng)用層開發(fā)：在設(shè)計ZigBee模塊的軟件時，你需要考慮模塊的具體用途和功能。你可以開發(fā)特定的應(yīng)用層協(xié)議或協(xié)議擴展，以滿足特定的需求。例如，你可以設(shè)計一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，收集環(huán)境數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。在這種情況下，你需要編寫相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)倪壿嫛＞W(wǎng)絡(luò)配置和管理：ZigBee網(wǎng)絡(luò)通常是一個星型或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中包含一個協(xié)調(diào)器（Coordinator）和多個終端設(shè)備（EndDevice）。你需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置和管理的功能，包括設(shè)備的加入和離開、路由選擇和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾淼取＿@涉及到ZigBee協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。安全性：在設(shè)計ZigBee模塊的軟件時，要注意網(wǎng)絡(luò)的安全性。ZigBee協(xié)議提供了一些安全功能，如身份驗證、加密和密鑰管理。你需要正確配置和使用這些安全功能，以確保通信的機密性和完整性。4.4顯示模塊的軟件設(shè)計在本設(shè)計中需要系統(tǒng)信息。系統(tǒng)使用LCD液晶顯示數(shù)據(jù),單片機初始化完成后顯示屏?xí)詣訉懣刂谱?，控制字為單片機中獲得的數(shù)據(jù)，隨后顯示出來。如圖為顯示模塊流程圖。圖4-4顯示模塊流程圖LCD顯示屏的軟件設(shè)計通常涉及以下幾個方面：顯示驅(qū)動：LCD顯示屏通常由一個控制器芯片驅(qū)動。你需要編寫相應(yīng)的代碼來與該控制器通信，以控制顯示屏的操作，如清屏、光標(biāo)位置、字符顯示等。具體的通信方式取決于控制器的接口，可以是并行接口（如8位或4位并行接口）或串行接口（如I2C或SPI）。字符和圖形渲染：如果你需要在LCD顯示屏上顯示文本或圖形，你需要開發(fā)相應(yīng)的渲染邏輯。對于文本顯示，你可以設(shè)計一個字符庫，將字符映射到顯示像素，并實現(xiàn)字符的繪制函數(shù)。對于圖形顯示，你可以設(shè)計基本的圖形繪制函數(shù)，如繪制線條、矩形、圓形等。用戶界面：如果你的應(yīng)用需要交互式用戶界面（UI），你可以設(shè)計相應(yīng)的UI框架和控件。這可能包括菜單、按鈕、滾動條等。你需要定義UI元素的外觀和行為，并實現(xiàn)用戶輸入的處理邏輯。多任務(wù)處理：在一些應(yīng)用中，LCD顯示屏可能需要同時顯示多個不同的信息或執(zhí)行多個任務(wù)。你需要設(shè)計合適的任務(wù)調(diào)度和顯示刷新機制，以確保每個任務(wù)都能及時更新并顯示在屏幕上。節(jié)能和屏幕保護：為了延長LCD顯示屏的壽命和節(jié)省能源，你可以實現(xiàn)節(jié)能功能和屏幕保護機制。例如，可以設(shè)置顯示屏的亮度和背光燈的控制，以根據(jù)需要進行調(diào)整或自動關(guān)閉屏幕背光。

第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實物圖圖5-1系統(tǒng)完整實物圖5.2測試目的驗證物種識別準(zhǔn)確性：系統(tǒng)測試的主要目的是驗證AI視覺算法在湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測中的物種識別準(zhǔn)確性。測試將使用包含各種外來魚類物種的圖像數(shù)據(jù)集，通過系統(tǒng)進行物種識別，并評估系統(tǒng)在準(zhǔn)確性方面的表現(xiàn)。測試結(jié)果將與人工物種識別的準(zhǔn)確性進行對比，以確保系統(tǒng)的識別結(jié)果可靠和準(zhǔn)確。評估系統(tǒng)的實時性能：湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測需要及時響應(yīng)和處理大量的圖像數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測試將評估系統(tǒng)在實時處理圖像的能力，包括圖像上傳、處理、物種識別和結(jié)果返回的時間。測試將模擬不同負(fù)載和場景，以確保系統(tǒng)能夠在實際應(yīng)用中快速、高效地處理大量的圖像數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性：湖泊環(huán)境可能具有不同的光照條件、水質(zhì)狀況和魚類種類。系統(tǒng)測試將模擬不同環(huán)境條件和物種組合，以評估系統(tǒng)對于這些變化的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。測試將包括光照變化、水下環(huán)境模擬和不同物種組合的圖像數(shù)據(jù)，以驗證系統(tǒng)在各種條件下的可靠性和一致性。確保系統(tǒng)的用戶友好性：系統(tǒng)測試將評估用戶界面和交互的易用性。測試將涉及普通用戶的使用場景，包括圖像上傳、監(jiān)測結(jié)果查看和系統(tǒng)配置。用戶友好性測試將確保系統(tǒng)對于普通用戶而言易于理解、操作和導(dǎo)航，以提高系統(tǒng)的實際可用性。評估系統(tǒng)的擴展性和性能：系統(tǒng)測試還將評估系統(tǒng)的擴展性和性能，包括系統(tǒng)的處理能力、并發(fā)性能和可擴展性。測試將模擬多個用戶同時上傳圖像和使用系統(tǒng)的情況，以評估系統(tǒng)在高負(fù)載和大規(guī)模應(yīng)用環(huán)境下的表現(xiàn)。5.3測試原理圖5-2-1如圖5-2-1為按鍵模塊，依次為RST復(fù)位按鍵、BOOT學(xué)習(xí)按鍵和SYS系統(tǒng)按鍵。復(fù)位按鍵按下，清空之前所學(xué)習(xí)的所有內(nèi)容，此時按下系統(tǒng)按鍵讓設(shè)備運行，無法識別出該魚類是否為本地物種或外來物種。學(xué)習(xí)按鍵按下進行視覺學(xué)習(xí)，環(huán)境、物種1、物種2和外來物種分別記錄5次，此時按下系統(tǒng)按鍵，設(shè)備能夠識別出是否有外來物種，若有外來物種，蜂鳴器報警，并轉(zhuǎn)給上位機，上位機就會彈窗示警，警告有外來魚類物種入侵。具體操作如下：圖5-2-2如圖5-2-2和5-2-3，分別對環(huán)境、本地物種1、本地物種2和外來物種進行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)完成后，再次對每個種類識別5次，學(xué)習(xí)完之后打開上位機運行程序。圖5-2-3圖5-2-4如圖5-2-4，打開串口，系統(tǒng)狀態(tài)為關(guān)閉，識別物種為0時，表示未識別到生物，為1時表示識別到本地物種1，為2時表示識別到本地物種2，為3時表示識別到外來物種。外觀狀態(tài)為0時表示無物種入侵，為1時表示有外來物種入侵。圖5-2-5如圖5-2-5，點擊運行，系統(tǒng)狀態(tài)為運行，下位機進行物種識別，當(dāng)識別到外來物種時，蜂鳴器報警；并且上位機發(fā)出彈窗警告（如圖5-2-6）。圖5-2-6

第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)系統(tǒng)軟件的調(diào)試過程并不是一帆風(fēng)順，在調(diào)試過程中出現(xiàn)了一些錯誤。但在老師的輔導(dǎo)下，我總算發(fā)現(xiàn)了問題，并糾正了設(shè)計中的錯誤和不科學(xué)的地方。設(shè)計方案中的問題和解決方法主要包含下面一些層面。(1)在功率模塊模擬仿真過程中，發(fā)現(xiàn)調(diào)試輸出值一直達(dá)不上設(shè)計規(guī)定。查驗基本原理錯誤后，發(fā)現(xiàn)電路板焊接時出現(xiàn)了一些技術(shù)問題，于是重新焊接。(2)應(yīng)用仿真軟件，發(fā)現(xiàn)錯誤代碼。然后調(diào)整，發(fā)現(xiàn)在啟用程序流程時，單片機沒有正常復(fù)位，在程序流程中添加復(fù)位程序流程后才獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。(3)在模擬仿真以及實物演示時，一直提醒存有邏輯錯誤。盡管不危害效果的輸出，但在具體印刷制版過程中確實會危害電源電路。之后通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)信息發(fā)送錯誤代碼表明時，未能分辨忙碌情況。之后在制定中添加忙碌情況分辨后，系統(tǒng)軟件工作中一切正常，數(shù)據(jù)信息口也沒有提醒邏輯錯誤。6.2展望設(shè)計以外來物種入侵監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，在具體分析外來物種對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡的影響上，明確提出了一種基于AI視覺的湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。全部設(shè)計的首要工作中如下所示。(1)根據(jù)查看相關(guān)資料，確定了外來物種入侵的危害，并在這個基礎(chǔ)上明確提出了通過檢測是否有外來魚類物種入侵為首要目的的湖泊外來魚類入侵物種監(jiān)測系統(tǒng)；(2)對于上一部分提及的問題，明確提出了運用AI視覺技術(shù)實現(xiàn)對外來魚類物種入侵的監(jiān)控，運用AI視覺設(shè)計操縱所有體系的設(shè)計計劃方案。(3)硬件配置電源電路K210為主板芯片。盡管模擬仿真說明全部設(shè)計徹底可以達(dá)到監(jiān)測湖泊外來魚類物種監(jiān)測的要求，可是全部系統(tǒng)軟件還具有一些問題和優(yōu)化的地區(qū)，必須在之后的探討中進行健全。(1)設(shè)計的操作系統(tǒng)包括ZigBee模塊。在具體的操作運用中，通過ZigBee進行上位機下位機通信。(2)在日后的作業(yè)和學(xué)習(xí)中，此產(chǎn)品可以獲得充足的開發(fā)設(shè)計。

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附錄電路圖源代碼importKPUaskpuimportsensorimportlcdfromMaiximportGPIOfromfpioa_managerimportfmimporttimeimportgcfrommicropythonimportconst#導(dǎo)入constfromboardimportboard_infofrommachineimportUARTfrommachineimportTimerimportBEEP_3V3_Drive###########################################configclass_num=4#類數(shù)量sample_num=20#樣本數(shù)量THRESHOLD=11#閾值class_names=['Surroundings','Nativespecies1','Nativespecies2','Alienspecies']#類名稱：環(huán)境、本地物種1、本地物種2、外來物種Identify_Results={'Identify_Situation':"",'Identify_Index':''}#識別結(jié)果SYS_Status='END'#系統(tǒng)狀態(tài)：狀態(tài)last_btn_status=1#上次按鍵狀態(tài)##########################################BEEP###################################################fm.register(board_info.PIN_Ctr_BEEP,fm.fpioa.GPIO0)#注冊IO-Ctr_BEEPCtr_BEEP=GPIO(GPIO.GPIO0,GPIO.OUT)BEEP=BEEP_3V3_Drive.BEEP_3V3(Ctr_BEEP,0)#構(gòu)建對象:BEEPBEEP.Init()#初始化:BEEP#BEEP.OFF()#蜂鳴器關(guān)閉#BEEP.ON()#蜂鳴器開啟#####################################文字顯示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#####################################異常/正常Operation_State=0Species_Invasion_State=0#物種入侵狀態(tài)defOperation(operation_state):globalSYS_StatusglobalMangoes_typeglobalWeight_StateglobalSpecies_Invasion_StateifSYS_Status=='RUN':#系統(tǒng)RUN狀態(tài)下ifOperation_State==1:#類1（本地物種1）Species_Invasion_State=0elifOperation_State==2:#類2（本地物種2）Species_Invasion_State=0elifOperation_State==3:#類3（外來物種）Species_Invasion_State=1elifOperation_State==0:#環(huán)境--surroundingsSpecies_Invasion_State=0else:Species_Invasion_State=0else:Species_Invasion_State=0#入侵示警ifSpecies_Invasion_State==1:BEEP.ON()#蜂鳴器開啟else:BEEP.OFF()#蜂鳴器開啟###########################################ZigBeefm.register(board_info.PIN_ZRXD_MCU_TX,fm.fpioa.UART2_TX,force=True)#注冊到內(nèi)部IOfm.register(board_info.PIN_ZTXD_MCU_RX,fm.fpioa.UART2_RX,force=True)#注冊到內(nèi)部IOZigBee=UART(UART.UART2,38400,8,1,0,timeout=1000,read_buf_len=4096)#inituartSend_Data='-'Rece_Data='-'###################################Send_Data_HandledefSend_Data_Handle():#發(fā)送globalSend_DataglobalSYS_StatusglobalOperation_StateglobalSpecies_Invasion_StateSend_Data='+SS%sAS%dW%d-'%(SYS_Status,Operation_State,Species_Invasion_State)ZigBee.write(Send_Data)##########################################Tim-1TIM_1_THRESHOLD_MS=1000#定時器回調(diào)函數(shù)周期1000msdeffun(tim):iftrain_status!=0:#若：學(xué)習(xí)完成Send_Data_Handle()#定時器1初始化，周期10mstim1=Timer(Timer.TIMER1,Timer.CHANNEL0,mode=Timer.MODE_PERIODIC,period=TIM_1_THRESHOLD_MS,callback=fun)###################################Rece_Data_HandledefRece_Data_Handle():globalRece_DataglobalSYS_Statustmp=ZigBee.read()ifnottmpisNone:print(tmp)Rece_Data=tmp.decode()print(Rece_Data)ifRece_Data[0]=='+'andRece_Data[-1]=='-':ifRece_Data[1]=='S'andRece_Data[2]=='S':SYS_Status=Rece_Data[3:-1]else: