基于太陽能供電的田間圖像采集系統(tǒng)設計

熊美東　李就好　田凱

摘要：設計了1種基于太陽能供電的田間圖像采集系統(tǒng)，解決了脫離田間配電網地域難以實時獲取作物圖像信息的問題。硬件設計主要包括信息采集模塊、太陽能供電模塊和無線通信模塊。其中信息采集模塊主要由Logitch Pro9000攝像頭、X86系統(tǒng)架構瘦客戶機（Fit-PC）進行圖像采集和暫時儲存；無線通信模塊基于AR9344芯片，將采集系統(tǒng)接入互聯(lián)網，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸功能；太陽能供電模塊采用STM8S003F3P6單片機，完成PWM脈寬調制技術，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，并選用鉛酸蓄電池作為儲能元件。軟件設計主要針對瘦客戶機CMOSSETUP程序設計系統(tǒng)工作時間，完成圖像采集步長設定，并完成對采集圖像的智能化管理。經測試表明：通過該項目的實施，擺脫了對田間配電網的依賴，實現(xiàn)了田間及作物圖像信息遠程采集管理的基本功能，促進了智能農業(yè)的發(fā)展。

關鍵詞：瘦客戶機；太陽能供電系統(tǒng)；農業(yè)資源信息；田間圖像；采集系統(tǒng)

中圖分類號： S214.9；TP274 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0389-05

農業(yè)資源信息的獲取是病蟲害分析和農作物長勢分析的重要手段[1]。傳統(tǒng)的病蟲害鑒定方法[2]和農作物長勢分析是根據(jù)作物的實際生長情況及其農業(yè)生產圖像來判斷。目前，農業(yè)圖像信息的傳統(tǒng)獲取方法是人工定點定時用相機設備拍照采集，這種方法一般效率低、范圍小、實時性差[3]。伴隨著現(xiàn)代農業(yè)信息技術迅速發(fā)展，越來越多的采集系統(tǒng)出現(xiàn)在人們視野中，其中采集系統(tǒng)按傳輸介質方式可分為有線采集、無線采集兩大類[4]。有線采集系統(tǒng)在實踐生產中常常存在諸如工程量大、布線困難且費時費力等問題[5]。無線采集系統(tǒng)作為一種全新的數(shù)據(jù)信息獲取技術，具有方便靈活、自組網、體積小等特點，在監(jiān)測采集領域為現(xiàn)代農業(yè)提供了新的途徑[6-11]。我國幅員遼闊，各地域氣候環(huán)境差異很大，給農業(yè)信息采集帶來了很大的難度，這就需要開發(fā)出農業(yè)工作人員可接受的、適合當?shù)丨h(huán)境的、滿足農業(yè)生產需求的設備。

本研究設計了1種基于太陽能供電的田間圖像采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)低成本、低功耗且脫離對大田間配電網的依賴，適合田間動態(tài)信息采集，實現(xiàn)實時采集農作物圖像信息的功能，可以解決難以獲取作物生產區(qū)域的圖像信息的問題。在信息管理方面，可以根據(jù)農業(yè)信息多樣性、復雜性等特點構建有地區(qū)特色的作物圖像信息采集管理系統(tǒng)，集中管理各類型的信息，方便、快捷地為用戶提供現(xiàn)場實時圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能管理作物生長信息和農田作業(yè)。

1 系統(tǒng)總體結構

采集系統(tǒng)由信息采集模塊、太陽能供電模塊和無線通信模塊3個部分組成，詳見圖1。信息采集模塊負責田間信息采集，主要由瘦客戶機（Fit-PC）、攝像頭組成，攝像頭通過USB串口連接瘦客戶機，并將圖像數(shù)據(jù)暫時儲存于瘦客戶機。太陽能供電模塊由太陽能電池板、電路控制器、蓄電池和逆變器組成，為采集系統(tǒng)主機提供電力供應。無線通信模塊則負責將采集模塊瘦客戶機接入Internet，然后將暫時儲存于瘦客戶機中的信息發(fā)送至服務器。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信息采集模塊

選用以Intel低功耗Mobile DualCore Intel Core i3-3217U處理器、Intel Panther Point HM77芯片組為核心的X86架構瘦客戶機作為本采集系統(tǒng)的主機。3217U處理器主頻 1.8 GHz，三級緩存3 MB，內存支持DDR3-1600，并支持PCI-E2.0等，

是一款低壓版處理器，熱設計功耗僅17W，可以有效地降低系統(tǒng)設計功耗。HM77芯片組內部結構復雜，提供可拓展的功能較多，利用芯片組的豐富功能，充分利用支持其USB接口、HDD接口、D-Sub接口、RJ45網絡接口的硬件平臺，用以完成圖像信息的實時采集、存儲、傳輸、顯示等功能。為減少采集模塊體積、功耗，在實際工作中USB鼠鍵和LCD顯示屏并不用實際連接。該采集模塊結構如圖2所示。

攝像頭是圖像采集系統(tǒng)的重要一環(huán)，田間圖像的成像質量與攝像頭密不可分，本設計采集USB攝像頭使用Logitch Pro9000，該攝像頭具備自動對焦功能和200萬互補金屬氧化物半導體（CMOS）像素傳感器，最大分辨率可達1 280×960，有效保證了圖像的采集質量。

2.2 太陽能供電模塊及其設計

太陽能供電模塊由單晶硅太陽能電池板、脈沖寬度調制（PWM）電路控制器、鉛酸蓄電池和逆變器組成，其結構見圖3。

該模塊設計思路為：首先，計算信息采集模塊、無線模塊（以下簡稱采集端）工作的總功耗，同時為使系統(tǒng)給瘦客戶機提供一致工作電壓，設計合適的DC/AC逆變器；然后，計算采集系統(tǒng)所需的蓄電池容量；再然后，根據(jù)蓄電池的容量計算太陽能電池板輸出功率；最后，為了提高充電效率和避免過充過放電對蓄電池的損害，根據(jù)太陽能電池板的輸出電流、輸出電壓，蓄電的充電電壓和瘦客戶機的工作電壓等參數(shù)，設計太陽能智能控制器[12]。

2.2.1 采集端硬件的總功耗估算 通過在實驗室實際測量瘦客戶機的平均耗電功率，可知在工作模式下其工作電壓為12 V，最大電流為3 A。為保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，瘦客戶機功耗P1考慮其最大值，故P1=36 W。

采集攝像頭通過USB接口與瘦客戶機連接，測定其工作電流為500 mA時的工作電壓為5 V，休眠條件下的電流為100 mA，其一般工作在占空比的工作模式下，在運行和休眠之間的功耗差別很大?？芍獢z像頭耗損功率P2[13]：

（1）

式中：U2為攝像頭工作電壓，V；Iw為工作狀態(tài)下的工作電流，A；Ir為休眠狀態(tài)下的工作電流，A；D為工作狀態(tài)占總工作時間的占空比，其實際值小于5%，計算中取5%，故P2=0.6 W。

系統(tǒng)無線模塊工作電壓為24 V，工作電流為800 mA，休眠下電流僅為100 mA，其工作原理與攝像頭相同，由式（1）可得AP模塊功耗P3=3.24 W。則采集端負載總功耗：

Pf=P1+P2+P3=3.6+0.6+3.25=39.84 W。

為了便于采集端各部件工作電壓變換及保持電壓穩(wěn)定，在蓄電池與負載間設計加入1個逆變器。在采集端設備啟動瞬間功率會是正常工作的2～3倍，而市面上主流的逆變器規(guī)格為100、300、500 W，所以本設計采用市面上主流的300 W功率規(guī)格逆變器。其耗電損失功率為：P4=ηPn。

式中：η為逆變器轉換損失系數(shù)，取5%；Pn為逆變器規(guī)格功率，W。

故采集系統(tǒng)總功耗為：

P=Pf+P4=39.84+0.5×300=54.84 W。

考慮現(xiàn)實情況中系統(tǒng)還有其他能耗，為了提高系統(tǒng)的安全，本研究選取55W為采集系統(tǒng)總功耗。

2.2.2 蓄電池存儲容量設計 由于太陽能電池的輸入電量非常不穩(wěn)定，所以太陽能電池組每天所發(fā)電量首先儲存到蓄電池內，再提供給負載。在白天，系統(tǒng)的供電電池會長期處于一邊充電一邊放電的狀態(tài)，所以本設計采用具有浮充特性好的鉛酸蓄電池作為儲能元件。蓄電池所需容量計算公式為：

C=P×T×fv×fc×flUn×fe

。

（2）

式中：P為采集系統(tǒng)總功耗，W；T為放電時間，該系統(tǒng)考慮2個陰雨天，采集系統(tǒng)每天自9：00開始工作，至17：00定時關機，單天工作8 h，則T計為16 h；fv為溫度系數(shù)，因為當溫度越高時，蓄電池放電能力越強，溫度降低，放電能力也相應減弱，綜合考慮其他因素，蓄電池溫度修正系數(shù)fv取1.1；fc為蓄電池容量補償系數(shù)，取1.1；fl為蓄電池壽命折算系數(shù)，一般選擇1.0～1.1，取1.1；Un為工作電壓，12V；fe為蓄電池放電深度，一般蓄電池取80%為最佳放電深度。所以蓄電池計算工作容量：

C=55×16×1.1×1.1×1.112×80%=122.01 A·h。

本研究設計的采集系統(tǒng)的工作地點為廣東省廣州市，地處亞熱帶沿海，北回歸線從中南部穿過，全年平均氣溫為 219 ℃，蓄電池在不同溫度下的容量修正系數(shù)見表1。

蓄電池標稱容量是按10 h放電率容量定的。低于10 h放電率時，放電容量低于標稱容量；大于10 h放電率時，放電容量高于標稱容量。活化系數(shù)fm就是蓄電池實際工作容量與標稱容量的比率，所以蓄電池標稱容量：

Q=Cfm=128.331.3=93.85 A·h。

根據(jù)蓄電池通用規(guī)格設計，實際選取容量為100 A·h、額定電壓12 V的鉛酸蓄電池，較標稱多出6.15 A·h，保證一些短時未計入核算負載。該蓄電池充滿電量后電壓為13.5 V，一般正常工作電壓為10.5～14.5 V。

2.2.3 太陽能電池板設計 當前晶體硅材料是最主要的光伏材料，分為單晶硅太陽能電池板、多晶硅太陽能電池板。單晶硅太陽能電池板的光電轉換效率是所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，而且單晶硅一般采用鋼化玻璃、防水樹脂進行封裝，因此堅固耐用。而多晶硅太陽能電池板的光電轉換效率則要降低不少，使用壽命也要比單晶硅太陽能電池板短。綜合考量，采集系統(tǒng)設計采用單晶硅太陽電池板。

已知逆變器換損失系數(shù)η為5%，系統(tǒng)總功耗為P為 55 W，系統(tǒng)每天工作時間t為8 h，則每天蓄電池耗電量[14]應為：

W=P×t1-η=55×81-5%=463.12 W·h。

年平均日照時間H計算公式：

H=1.63×Qm365×ε。

式中：Qm為當?shù)啬贻椛淇偭浚涍^查閱氣象部門提供的數(shù)據(jù)，廣州地區(qū)一般取值120 kcal/cm2；而 1 kcal=4 186.8 J；是25 ℃、AM1.5光譜時的輻照度，取0.1 W/cm2；1.63為W·h與kcal單位轉化系數(shù)。所以：

H=1.63×Qm365×ε=1.63×120365×0.1=5.35 h。

因此，太陽能電池組件實際使用功率：

Pm=WH=463.125.35=86.56 W。

在實際設計中，考慮太陽能電池板充電電壓應大于電池額定電壓的30%左右為宜，并且為了使系統(tǒng)功能穩(wěn)定，所以本采集系統(tǒng)中太陽能電池板最終選用功率為100 W、空載輸出電壓17.5 V、輸出電流5.71 A、尺寸為1 200 mm×550 mm的單晶硅太陽能電板。

2.2.4 太陽能智能控制器選擇 太陽能發(fā)電核心器件是太陽能控制器，其性能及設計水平直接影響著系統(tǒng)的效率和性價比，甚至影響工作壽命和維護成本，特別是蓄電池的壽命。使用單片機可使充電工作做得簡單而且又高效率[15]，本采集系統(tǒng)智能管理系統(tǒng)基于STM8S003F3P6單片機。該單片機具備脈沖寬度調制（PWM）管腳，使得太陽能電池板利用率較高，PWM讓蓄電池趨向充滿時，脈沖的頻率、時間縮短，充電過程中平均充電電流的變化更符合蓄電池的荷電狀態(tài)，真正從0～100%充電工作。

采集系統(tǒng)中蓄電池充電過程如下：當太陽能電池板受到太陽照射時，電壓信號輸入，控制器實現(xiàn)對太陽能電池采樣測量比較；當太陽能電池板輸出超過10.5 V時，太陽能電池板工作指示燈紅燈亮起，啟動充電程序，給蓄電池快速充電[16]。隨著蓄電池兩端電壓的不斷升高，狀態(tài)指示燈逐漸變黃，顯示蓄電池容量狀態(tài)變化。在充電過程中，如果蓄電池兩端電壓達到13.5 V時，并能維持30 s，電路轉為PWM浮充階段，頻率為30 Hz，向蓄電池充電。隨著蓄電池兩端電壓的升高，充電電流的開通脈寬越變窄，充電電流越??；當兩端電壓向下降時，充電占空比變寬，電流又增大。如此反復PWM不斷充電，到蓄電池兩端電壓達到過充電保護電壓14.5 V，并能維持30 s，整個充電過程結束，工作指示燈變綠。

2.3 無線通信模塊

本設計中無線通信模塊采用AtherosAR9344芯片實現(xiàn)[17]。該芯片支持IEEE 802.11 b/g/n無線標準，集成MIPS 24K系列嵌入式處理器，32位內核，主頻可達400 MHz，其無線傳輸距離為3～5 km，傳輸速度為300 Mbps，即傳輸速度是37.5 MB/s。此外該芯片支持傳輸信號頻段為5.8GHz，相比較于常用的2.4 GHz頻段，5.8 GHz的系統(tǒng)一般采用直接序列擴頻技術，它的信道較多、頻率較高，所以抗干擾能力相對要強一些。同時它可以滿足高帶寬應用支持大量用戶的需要——8個不重疊信道使部署的可擴展性、靈活性更高，很好地滿足設計需求。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 采集系統(tǒng)軟件設計

田間信息采集系統(tǒng)中瘦客戶機軟件工作流程[18]如圖4所示，在瘦客戶機內利用CMOSSETUP程序設置定時開機時間，當瘦客戶機到達預定開機時間，系統(tǒng)開機，同時新一輪瘦客戶機關機定時計時開始工作，系統(tǒng)默認設置1 h向系統(tǒng)發(fā)送請求詢問是否關機，系統(tǒng)判定未到達關機系統(tǒng)時間，則將請求發(fā)送于攝像頭工作程序，令攝像頭進行拍照，從而實現(xiàn)攝像頭1 h拍攝1次。拍攝的圖像按拍攝時間存儲到瘦客戶機上，然后再從瘦客戶機將圖像的邏輯信息（圖片名稱、攝像頭ID、拍攝時間、地點、類型、圖片大小等）通過大功率無線網橋路由器（AP）發(fā)送到服務器數(shù)據(jù)庫中，然后瘦客戶機、攝像頭與AP進入休眠狀態(tài)以減少能耗，再然定時器又開始新一輪

工作，周而復始，直至達到系統(tǒng)關機時間。

3.2 功能模塊劃分

系統(tǒng)信息采集平臺包括圖像數(shù)據(jù)采集、服務器系統(tǒng)管理兩大塊，如圖5所示。數(shù)據(jù)采集模塊由攝像頭、瘦客戶機共同完成。服務器系統(tǒng)管理模塊則包括系統(tǒng)登入、圖像管理、用戶管理3個小模塊，數(shù)據(jù)采集模塊利用攝像頭實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集，自動保存至瘦客戶機后實時上傳至系統(tǒng)服務器并將相關屬性信息寫到數(shù)據(jù)庫；用戶通過遠程瀏覽器訪問系統(tǒng)，可以查看圖像大田作物的即時信息，并獲得相關權限，實現(xiàn)智能化管理農田信息采集平臺。

系統(tǒng)從實際應用出發(fā)，為用戶設置了管理員、游客2種角色。用戶遠程登入系統(tǒng)IP服務頁面，即可選擇登入角色，如選擇管理員則需用戶ID和密碼通過表單提交的方式驗證，如果不存在則返回上級選擇菜單。當管理員成功登陸系統(tǒng)后，默認進入用戶管理模塊，系統(tǒng)管理員對所有作物數(shù)據(jù)擁有查看、刪除等全部權限，并且可以對系統(tǒng)用戶進行管理，如添加、刪除、修改用戶，為新用戶分配等權限。

4 系統(tǒng)測試

4.1 太陽能供電模塊測試

在試驗前，先將蓄電池電量耗盡。在對蓄電池進行放電到10.5 V時，此時蓄電池電量消耗殆盡，之后回升的電壓稱為反彈電壓，正常電池的反彈電壓應該在11～12 V之間。實際的太陽能供電系統(tǒng)試驗在瘦客戶機采集信息的工作時間段09：00—17：00內測試，得到的結果如圖6所示。圖6中，光照度曲線體現(xiàn)的是系統(tǒng)工作時的太陽光照度；PV板輸出電壓曲線是太陽能電池板在工作時對蓄電池的負載充電輸出電壓進行測量的數(shù)值曲線；蓄電池電壓曲線是隨著時間變化，蓄電池兩端負載輸出電壓的變化曲線。由圖6可知，當光照度超過一定范圍后，其增長對太陽能電池板的輸出電壓影響很??；而PV板的輸出電壓影響著對蓄電池的充電速率；經過1 d

8 h 的工作，蓄電池電壓達12.9 V。

在對系統(tǒng)進行陰雨天工作測試時，為防止在陰雨天太陽能電池板對蓄電池進行充電對蓄電池能量的影響，完全將太陽能板拆卸脫離系統(tǒng)，從而完全排除太陽能電池板的充電對蓄電池的能量干擾。圖7的蓄電池電壓曲線是蓄電池兩端負載輸出電壓的變化曲線，可以看出：在每天系統(tǒng)開始工作時，蓄電池電壓會比之前的電壓要高，這是因為電池內部不斷的化學反應，會在電極兩端產生密度不均的現(xiàn)象；當蓄電池經過1夜的放置，內部化學物質擴散均勻，電池內阻下降，所以電壓稍微上升。在經過2 d脫離太陽能電池板工作的情況下，蓄電池電壓降至11.8 V。測試結果表明：本測試所設計的太陽能供電模塊完全滿足系統(tǒng)的供電需求。

4.2 采集系統(tǒng)性能測試

在華南農業(yè)大學荔枝種植園內對本設計系統(tǒng)進行測試。在確定選取的監(jiān)測荔枝樹距離1m的向陽位置安裝好圖像采集系統(tǒng)。服務器則安放在華南農業(yè)大學華山區(qū)服務器機房，預先設定好接入Internet固定IP，確認接入網絡后工作2周。從圖8的登陸系統(tǒng)頁面可以看出，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，設計可行。

5 結論

本研究設計的基于太陽能供電的田間圖像采集系統(tǒng)具有以下特點：（1）實現(xiàn)了1種由太陽能對采集系統(tǒng)的供電方式，擺脫了對田間配電網的依賴，實現(xiàn)自給自足的能源供應，促進了智能農業(yè)的發(fā)展。

（2）通過對瘦客戶進行軟硬件開發(fā)，對及時采集的農作物圖像信息有良好的應用前景。對解決現(xiàn)有偏遠小區(qū)域采集系統(tǒng)缺乏獲取原始圖像的穩(wěn)定方法有一定的現(xiàn)實意義，可為田間智能遠程管理提供1種新的技術手段。

鑒于項目處于初步建設階段，很多細節(jié)差強人意，今后應該在圖像的傳輸質量方面取得更高的突破，而且有必要繼續(xù)改進整個系統(tǒng)的工作性能以及穩(wěn)定性，這些都有待于進一步研究。

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