基于STM32的稻縱卷葉螟監(jiān)控統(tǒng)計裝置設計

丁林++張輝

摘 要：現代農業(yè)科研生產中對于生物防治農業(yè)病蟲害的研究日益深入，合理地利用害蟲的天敵來減輕病蟲害對作物生長過程的危害已成為科技工作者研究的重要目標。然而現有的技術手段無法高效可靠地獲取作物生長過程中病蟲害發(fā)生的時間、位置、蟲害數量等試驗數據，也因此無法確定蟲害天敵的布放時機、數量、布放位置等，嚴重地制約著生物治蟲在農業(yè)生產中的大規(guī)模應用。提出了一種基于STM32的稻縱卷葉螟監(jiān)控測量裝置，為在農田等不宜架設大型設備的環(huán)境實時監(jiān)控統(tǒng)計病蟲害提供了有效可靠的測量方法。

關鍵詞：生物治蟲 STM32 實時監(jiān)控 稻縱卷葉螟

中圖分類號：S47 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0013-02

隨著現代生態(tài)農業(yè)概念的普及，“以蟲治蟲”的方法也逐漸成為農業(yè)生產公司、科研院所等關注的重點。而要采用“以蟲治蟲”的方法來減少病蟲害對農業(yè)生產的危害，就得對作物生長過程中，出現的病蟲害種類及數目進行統(tǒng)計，確定整個作物生長過程中需要投放的樣本數目。該文設計了一種基于STM32的便攜式圖像監(jiān)控裝置，通過在圖像信息中疊加裝置所處位置的GPS信息和姿態(tài)信息，監(jiān)控區(qū)域內的病蟲害數據，為一線工作人員提供第一手統(tǒng)計數據。

1 系統(tǒng)總體設計

目前常用的圖像信息采集和處理的方案主要有兩種：一種是利用CCD圖像傳感器和圖像采集卡；另一種則是采用CCD或CMOS圖像傳感器，利用DSP、FPGA、ARM等專業(yè)芯片進行處理。該文采用嵌入式處理器及CMOS圖像傳感器作為本裝置的設計方案，同時將當前時刻，設備的地理位置和姿態(tài)信息疊加到圖像信息中，便于工作人員對目標區(qū)域的定位與劃分。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要有嵌入式處理器、數據采集模塊、數據存儲模塊及供電系統(tǒng)四部分組成。其中數據采集模塊由圖像傳感器、GPS模塊及姿態(tài)測量模塊三部分組成。

嵌入式處理器是整個系統(tǒng)的大腦。目前，世界上已有超過30個系列，1000余種具有不同功能和優(yōu)勢的處理器。STM32微控制器是基于ARM公司的Cortex-M3內核而推出的系列，該系列采用ARMv7指令集，3級流水線的哈佛結構，功能強大，功耗較低，性價比極高，廣泛應用于消費電子、工業(yè)監(jiān)控等各領域[1]。本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6處理器作為裝置的運算處理核心。

圖像傳感器選擇方面，與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器可直接輸出數字信號，成本低廉，采集速度和效果可以滿足一般的設計需求等特點，在低成本應用方面具有較大的優(yōu)勢。因此本文采用的是OV7725圖像傳感器作為圖像信息的采集模塊。OV7725是由OV公司推出的具有高信噪比、微光靈敏度高的CMOS圖像傳感器。該傳感器提供了D7～D0的8位數字像素信號、VSYNC幀同步信號、HREF行同步信號、PCLK像素同步信號以及SCCB總線寄存器配置信號、XCLK工作時鐘信號等，可對傳感器的不同數據輸出格式、圖像分辨率、自動曝光控制、自動增益控制、自動白平衡以及飽和度、亮度、對比度等進行配置，支持8bitYUV/YCbCr 4：2：2、RGB565/555/444等多種格式的圖像數據。由于OV7725的時鐘頻率較高，為了保證圖像信息的連貫性，采用了FIFO AL422B作為數據的緩沖，減輕了CMOS的控制及時序關系給處理器帶來的負擔。

GPS模塊采用U-BLOX NEO-6M-001模組。該模組定位精度最高可達2 m，熱啟動與輔助啟動首次定位時間優(yōu)于1 s，輸出的GPS數據格式采用NMEA0183協(xié)議，控制協(xié)議為UBX協(xié)議，用戶通過UART的方式可以很方便地提取GPS數據。

姿態(tài)測量單元采用六軸高精度陀螺加速度計MPU6050，該單5143可以兼容3.3 V/5 V嵌入式系統(tǒng)。模塊內部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法，可在動態(tài)環(huán)境下準確輸出模塊的當前姿態(tài)，精度可達0.01 °，穩(wěn)定性高。

3 系統(tǒng)軟件設計

STM32系列芯片支持Keil編程環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境擁有很強的兼容性，支持51系列、ARM系列、STM32系列單片機，支持C語言、匯編語言編程[2]。同時Keil包含了C編譯器、宏匯編、庫管理和仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，提升了編程人員的軟件編譯效率。系統(tǒng)軟件的編寫采用移植性好、可讀性高、邏輯清晰的C語言完成（如圖1）。

3.1 圖像采集程序設計

OV7725輸出圖像時是以一幅圖像為一幀，其幀時序（也稱場時序）由多個行時序組成。因此圖像采集程序的設計思路為：STM32采集OV7725的幀同步信號為中斷信號，當捕捉中斷信號時，拉高WER管腳電平，將整幅圖像的數據存入FIFO；當再次捕捉到中斷信號時，關閉中斷使能，拉低WER電平，開始讀取FIFO中的數據進行應用處理，完成后，重新開啟中斷使能。

3.2 GPS接收模塊軟件設計

GPS模塊的通信接口為UART方式，采用NMEA-0813協(xié)議，數據輸出格式為ASCII碼流。系統(tǒng)接收機格式為：串口通信速率為9600bps，數據位8位，無奇偶校驗，1位停止位或起始位。本裝置采用的GPS定位信息為$GPRMC（推薦的最小具體定位數據）[3]，如圖3所示）。

3.3 姿態(tài)模塊軟件設計

MPU6050模塊的通信接口為UART方式，采用hex碼直接輸出。系統(tǒng)接收機格式為：串口通信速率為115200bps，數據位8位，無奇偶校驗，1位停止位或起始位（如圖4）。

4 裝置測試及結果

裝置硬件、軟件確認無誤后，將程序下載至核心控制芯片中，將設備放置于農田中進行測試，獲取測試圖像。將測試圖像通過本裝置配套的圖像讀取軟件進行判斷，可以獲得圖像及其相關的地理位置信息，如圖5所示。

測試結果表明：本裝置可以較好地應用于稻田卷葉螟的監(jiān)控測量，通過本裝置的數據，工作人員可以直觀地獲取特定區(qū)域特定時間蟲害的活動規(guī)律。

5 結論

本裝置通過STM32將圖像傳感器、GPS定位模塊、姿態(tài)模塊等傳感器的數據融合在一起為農業(yè)病蟲害的監(jiān)控測量提供了一種新的測量方法，并取得了較好的測試結果。在之后的運用中，可以通過選擇性能更高的傳感器以及核心控制芯片，不斷提高本裝置的應用性能，從而更好地滿足農業(yè)病蟲害防治領域的測量需求。

參考文獻

[1] 朱巖.基于STM32的車輛綜合無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].太原：太原理工大學，2012.

[2] STMieroelectronics. STM32F103xE STM32F103xD Data Sheet[M]. Geneva： STMGroup of company， 2008.

[3] 李洪濤，徐國昌，薛鴻印，等.GPS應用程序設計[M].北京：科學出版社，2000：4-17.

[4] STMieroelectronics. ARM-based 32-bit MCU STM32F101xx and STM32F103xxfirmware library[M]. Geneva： STM Group of company， 2008.endprint