水平式移動農(nóng)情視頻監(jiān)視系統(tǒng)

王一涯　牛濤　陳曙光　王憲菊

摘要：為實現(xiàn)對大田農(nóng)作物視頻信息的實時觀測，設(shè)計了可水平移動的農(nóng)情視頻監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)由攝像頭、控制電路、攝像頭水平移動的機(jī)械承載裝置、太陽能供電電源組成。攝像頭安裝在云臺上，可實現(xiàn)對農(nóng)作物的多角度，全方位的圖像信息采集；控制電路使攝像頭自動在機(jī)械承載裝置上做水平往返移動；由于本系統(tǒng)應(yīng)用于大田作物，不方便供電，可采用太陽能和充電電池雙電源供電。經(jīng)測試，本系統(tǒng)不但可以實現(xiàn)對農(nóng)作物生長狀態(tài)和環(huán)境實時監(jiān)測，與傳統(tǒng)的固定攝像頭方法相比，減低了成本。

關(guān)鍵詞：農(nóng)情；單片機(jī)；控制電路；水平移動；視頻監(jiān)視

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）29-0241-02

1概述

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)力求廣泛應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、智能設(shè)備和現(xiàn)代科學(xué)管理方法，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和安全的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)，通過實時圖像傳輸和視頻監(jiān)控，可以直觀的反應(yīng)農(nóng)作物生產(chǎn)的實時狀態(tài)，有助于農(nóng)業(yè)科研人員掌握農(nóng)作物生長狀態(tài)和生長環(huán)境，幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題，并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置，這樣農(nóng)業(yè)將逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式。

目前，監(jiān)測農(nóng)作物生長狀態(tài)最有效、最直觀的方法是采用視頻監(jiān)視。農(nóng)民可以在家通過電腦或手機(jī)了解農(nóng)作物的生長狀態(tài)和存在問題，并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。傳統(tǒng)的農(nóng)作物監(jiān)測方法是在大田中布置多個攝像頭，這種方法雖然簡單，但是成本很高，成為制約農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應(yīng)用的最大因素。而本設(shè)計只需一個攝像頭便可實現(xiàn)對大范圍的農(nóng)田進(jìn)行巡回監(jiān)視。這樣，就大大地降低了成本，農(nóng)民只需要花少量的錢就可以使用這些設(shè)備，為農(nóng)民節(jié)省了開支，減輕了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究中水平式農(nóng)情視頻監(jiān)視系統(tǒng)有兩部分組成，即水平移動承載結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)自動控制部分。水平式移動承載結(jié)構(gòu)由支架、導(dǎo)軌、牽引繩索、攝像頭、直流步進(jìn)電機(jī)和控制箱組成；系統(tǒng)自動控制部分由控制器、通信模塊、光敏傳感器、限位開關(guān)、人機(jī)界面和供電電源組成。兩端支架各安裝一個控制箱，控制器通過無線通信模塊進(jìn)行通信，將導(dǎo)軌固定在兩端支架上，導(dǎo)軌上安裝可移動的攝像頭，控制器通過限位開關(guān)檢測攝像頭位置以實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。從而可以實現(xiàn)攝像頭在導(dǎo)軌上做水平往返移動。如圖1所示。

2.1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要包括單片機(jī)、光敏傳感器、限位開關(guān)、無線通信模塊、按鍵、LCD液晶顯示和供電電源。如圖2所示，單片機(jī)上電復(fù)位后，支架兩端的單片機(jī)分別讀取同一位置的限位開關(guān)狀態(tài)，若其中任何一個控制器檢測到限位開關(guān)為閉合狀態(tài)，則將此信息通過無線通信模塊發(fā)送給另一端的控制器，另一個控制器接收到信息后，首先應(yīng)答此信息。兩控制器通信成功后，協(xié)同工作，控制兩個直流電機(jī)向同一個方向轉(zhuǎn)動，從而可以實現(xiàn)攝像頭在支架兩端水平巡回移動。

光敏傳感器用來檢測大田中的光信息，根據(jù)當(dāng)前大田光信息以判斷當(dāng)前為白天、黑夜或陰雨天氣。光敏傳感器將檢測到的光信息轉(zhuǎn)換為電壓信號，若電壓信號大于設(shè)置的上限值，則認(rèn)為是晴天，系統(tǒng)正常工作；若電壓信號緩慢下降，下降到低于設(shè)置的下限值，則認(rèn)為是黑夜，攝像頭返回當(dāng)前運(yùn)行方向的控制箱，停止工作；若電壓信號突然下降，即電壓的變化量超過一定的值，則認(rèn)為是陰天，此時，攝像頭高速返回控制箱，停止工作。

按鍵由三個按鈕組成，分別為設(shè)置按鈕，修改參數(shù)按鈕。用來設(shè)置用戶命令，包括電機(jī)的速度、運(yùn)行過程中停止的次數(shù)和電機(jī)初始運(yùn)行的方向等；LCD液晶顯示可以實時顯示當(dāng)前電機(jī)的速度、運(yùn)行方向和按鍵設(shè)置信息；當(dāng)按下設(shè)置按鈕后，液晶顯示進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，這時可按修改參數(shù)按鈕增加或減小電機(jī)運(yùn)行速度和單次運(yùn)行停靠次數(shù)。延時數(shù)秒后，無任何按鈕被按下，LCD液晶顯示自動跳轉(zhuǎn)到運(yùn)行界面，即實時顯示當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行速度和運(yùn)行方向。

電機(jī)的運(yùn)行速度由單片機(jī)向電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)送不同的PWM值來控制，可實現(xiàn)電機(jī)的三擋調(diào)速，即低速、中速和高速。低速和中速為攝像頭的正常移動速度，此模式下，攝像頭移動較穩(wěn)定，可減小視頻信息的抖動，提高視頻信息的清晰度。高速模式一般用在攝像頭出現(xiàn)故障或供電不足的情況，使攝像頭高速返回控制箱，進(jìn)行充電。

由于該系統(tǒng)用于大田作物，空曠無遮擋，無線通信模塊采用AS01-ML01DP5，該模塊通信頻段為2.4GHz，是一種高速、高穩(wěn)定性、工業(yè)級的無線收發(fā)一體的數(shù)傳模塊，通訊距離可達(dá)2000米。與單片機(jī)采用SPI總線通訊。單片機(jī)與無線通信模塊的電路圖如圖3所示。

2.1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件采用模塊化思想，通用性比較好的C51語言編寫。根據(jù)硬件電路對軟件模塊進(jìn)行分組。主要分為按鍵處理模塊、光敏傳感器信息采集模塊、限位開關(guān)采集模塊、液晶顯示模塊、通信模塊和電機(jī)驅(qū)動控制模塊。上電復(fù)位后，系統(tǒng)首先判斷按鍵是否按下，若按下，則調(diào)用按鍵處理子函數(shù)；若沒有按下，系統(tǒng)自動進(jìn)入正常運(yùn)行模式。兩個控制器通個采集限位信息來判斷攝像頭所在位置，根據(jù)攝像頭所在位置，調(diào)用通信子函數(shù)，兩控制器通信成功后，共同對電機(jī)驅(qū)動電路輸出控制信號，以控制兩個電機(jī)向同一方向運(yùn)轉(zhuǎn)，使攝像頭向與當(dāng)前閉合的限位開關(guān)相反的方向運(yùn)行。同時液晶顯示屏上顯示出當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行的速度和方向?？刂破魍ㄟ^檢測光敏傳感器的信息來判斷當(dāng)前光照情況，若光信息值大于設(shè)定的上限值，攝像頭正常工作，若光信息值低于設(shè)定的下限值，攝像頭則回頭當(dāng)前運(yùn)行方向的控制箱，停止工作。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

3結(jié)論

系統(tǒng)經(jīng)過測試，完全符合設(shè)計目標(biāo)。攝像頭移動速度可進(jìn)行三級控制，即低速、中速和高速，速度分別為0.5m/min、1m/min和1.5m/min。攝像頭不但可以實現(xiàn)連續(xù)拍攝，還可定點(diǎn)拍攝。兩支架之間距離長達(dá)1km，兩通信模塊之間通信正常。攝像頭可實現(xiàn)在白天兩支架之間安全穩(wěn)定運(yùn)行，晚上或陰雨天氣，攝像頭自動回到控制箱中。