基于嵌入式電子信息的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

譚會(huì)君，潘 霞

(1.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河 462002；2.河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，鄭州 450000)

0 引言

我國(guó)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起著不可替代的作用。要全面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化則首當(dāng)其沖。在農(nóng)、林、牧、副、漁5大產(chǎn)業(yè)中，以種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)排在首位。農(nóng)田是種植業(yè)的基礎(chǔ)，農(nóng)田的種類(lèi)決定了種植的作物種類(lèi)及產(chǎn)量。

農(nóng)田信息內(nèi)容豐富，主要由氣象因子、土壤環(huán)境和生物群落組成。氣象因子包括風(fēng)向風(fēng)速、光照強(qiáng)度、空氣溫濕度和降雨量等；土壤環(huán)境包括土壤類(lèi)型、酸堿性和含水量；生物群落包括病蟲(chóng)草害和農(nóng)作物。這些信息既描述環(huán)境條件，也反映作物的生長(zhǎng)狀況，是進(jìn)行各項(xiàng)農(nóng)藝操作的參考依據(jù)。采集準(zhǔn)確的農(nóng)田信息，有利于科學(xué)研究和各項(xiàng)農(nóng)藝操作的順利進(jìn)行，為作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供保障。

傳統(tǒng)的農(nóng)田信息采集以人工調(diào)查記載為主，不僅工作量大，而且精確度不高，容易對(duì)科學(xué)研究質(zhì)量和農(nóng)藝操作效果造成影響。在大力發(fā)展現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的形勢(shì)下，各種新型技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，用于農(nóng)田信息采集，如傳感器、車(chē)載攝像機(jī)、無(wú)人機(jī)航拍和衛(wèi)星遙感等。這些技術(shù)采集農(nóng)田信息的效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。不同的技術(shù)適用于不同的生態(tài)區(qū)域和信息內(nèi)容，如無(wú)人機(jī)適合我國(guó)單個(gè)田塊面積小、農(nóng)作物品種多樣的國(guó)情。無(wú)人機(jī)主要針對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)、缺水情況和病蟲(chóng)害檢測(cè)，其所獲得的農(nóng)田信息客觀準(zhǔn)確，且覆蓋范圍大，較其它方法具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[1-3]。

無(wú)論采用哪種技術(shù)，都必須將所有設(shè)備整合成為一個(gè)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田信息的高效準(zhǔn)確采集。目前，整合農(nóng)田信息采集設(shè)備的核心技術(shù)有單片機(jī)、嵌入式技術(shù)和PC機(jī)技術(shù)，它們均能對(duì)信息采集終端進(jìn)行控制。單片機(jī)的功能過(guò)于簡(jiǎn)單，以其作為核心的采集系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)的難度較大，還會(huì)對(duì)工作的穩(wěn)定性造成影響。若以PC機(jī)為核心，則系統(tǒng)的成本升高，功能冗余現(xiàn)象明顯，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用[4]。嵌入式技術(shù)與這兩種技術(shù)相比較，在系統(tǒng)集成上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

嵌入式技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，針對(duì)專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用功能設(shè)計(jì)，軟件和硬件具有較好可編輯性，兼顧了功能、成本和可靠性的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)電子信息系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)具有微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，直接面向用戶(hù)、產(chǎn)品及應(yīng)用，對(duì)各種性能的平衡性要求較高。另外，嵌入式系統(tǒng)軟件使用壽命長(zhǎng)，發(fā)展穩(wěn)定性好[5]。嵌入式系統(tǒng)的誕生較早，在20世紀(jì)60年代便已形成最初的形態(tài)；70年代，嵌入式系統(tǒng)概念正式確立，并且隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，產(chǎn)生了對(duì)操作系統(tǒng)的需求；隨后，以C語(yǔ)言為首的嵌入式操作系統(tǒng)逐漸成熟，大幅提高了其開(kāi)發(fā)的效率和速度，形成了如今多種嵌入式系統(tǒng)快速發(fā)展的局面。

嵌入式技術(shù)的應(yīng)用范圍涵蓋了國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生活的許多方面，主要包括電子消費(fèi)、工農(nóng)業(yè)、軍事國(guó)防和通信等[6]。在具體的用途上，可以設(shè)計(jì)基于嵌入式技術(shù)的產(chǎn)品信息采集系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)信息的收集工作[7]。李峰等和衛(wèi)建華等分別設(shè)計(jì)了基于嵌入式Linux和ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻圖像的實(shí)時(shí)采集和傳輸顯示，可以方便地嵌入到各種影像設(shè)備中[8-9]。

目前，嵌入式技術(shù)在農(nóng)業(yè)中主要用于智能灌溉。例如，李琦以之為核心設(shè)計(jì)了溫室自動(dòng)灌溉和監(jiān)控系統(tǒng)，既能提高溫室的智能化水平，還可以促進(jìn)作物對(duì)水資源的有效利用[10]。本文以嵌入式技術(shù)為核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，用于農(nóng)田氣象、土壤和作物信息的采集分析，以期為農(nóng)藝操作的實(shí)施提供參考依據(jù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平。

1 總體設(shè)計(jì)和工作流程

農(nóng)田信息采集系統(tǒng)以嵌入式芯片為核心，采集終端包括氣象、土壤和作物信息采集模塊。每個(gè)田塊中安裝1個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用于匯聚采集終端收集的農(nóng)田信息，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸給嵌入式芯片。嵌入式芯片上連接顯示模塊、控制面板和存儲(chǔ)模塊。其中，顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)，控制面板用于設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，存儲(chǔ)模塊用于數(shù)據(jù)信息和分析結(jié)果的存儲(chǔ)，以便作為農(nóng)藝操作中專(zhuān)家決策的依據(jù)。系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的工作流程Fig.1 Work flow of the system

2 硬件組成和軟件設(shè)計(jì)

2.1 信息采集模塊

氣象信息的采集模塊包括：TPJ-20型空氣溫濕度儀，用于測(cè)量空氣的溫濕度；TPJ-32型雨量傳感器，用于采集降雨量；WTF-B200型風(fēng)速風(fēng)向儀，用于測(cè)定風(fēng)向和風(fēng)速。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域安裝1套氣象信息采集模塊，位于沒(méi)有遮擋物的區(qū)域。土壤信息采集模塊包括：SWR-100型土壤水分傳感器，用于測(cè)定土壤含水量；SYT-901型土壤pH計(jì)，用于測(cè)量土壤的酸堿性。每個(gè)田塊中安裝1套土壤信息采集模塊。作物信息采集模塊為V10-IM型高光譜相機(jī)和DATA-LYNX型計(jì)數(shù)傳感器。其中，高光譜攝相機(jī)與AD6673型A/D轉(zhuǎn)換器連接，拍攝獲取田間的作物圖像，由嵌入式芯片進(jìn)行視覺(jué)分析；DATA-LYNX型計(jì)數(shù)傳感器記錄飛行的飛虱、蛾、蚊等害蟲(chóng)的數(shù)量；相機(jī)和計(jì)數(shù)傳感器安裝在田塊邊緣，均勻分布使其拍攝范圍覆蓋田塊各個(gè)角落。

2.2 無(wú)線(xiàn)通訊模塊

每個(gè)田塊中安裝1個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，為CC2530型芯片，與該田塊中的采集終端通過(guò)UART接口進(jìn)行有線(xiàn)連接，匯聚采集的數(shù)據(jù)信息。有線(xiàn)傳輸?shù)木€(xiàn)路復(fù)雜，鋪設(shè)成本高，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與核心芯片之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式上傳匯聚的信息。系統(tǒng)選用了ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，其通信距離較遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)農(nóng)業(yè)的自然環(huán)境。每個(gè)嵌入式芯片可以連接15個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，接收信號(hào)的有效距離最遠(yuǎn)達(dá)到5km。

2.3 嵌入式芯片

系統(tǒng)的核心是STC15F2K60型嵌入式芯片，內(nèi)置多媒體處理單元，可以對(duì)MPEG-4、H-264等格式的文件進(jìn)行編解碼，輸出到LCD和TV上顯示。核心芯片還配制3D圖像加速器，實(shí)現(xiàn)OpenGL加速渲染，增強(qiáng)圖像處理功能。嵌入式芯片外接P64CD1型LCD顯示屏用于顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，JZ-9型矩形控制面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，北京宏空HK-CRAM型存儲(chǔ)器用于信息和分析結(jié)果的保存。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件以L(fǎng)inux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行搭建，根據(jù)其內(nèi)核分層設(shè)計(jì)的思想，將穩(wěn)定的功能源代碼放置在相同的文件下。系統(tǒng)的模塊化程序按照C++語(yǔ)言編寫(xiě)，將相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)和函數(shù)作為一個(gè)有機(jī)的整體進(jìn)行處理。程序編寫(xiě)時(shí)，先針對(duì)單個(gè)功能的模塊，再將具有相近功能的模塊匯總，形成對(duì)外封閉的靜態(tài)函數(shù)，留下少數(shù)接口以供調(diào)用。當(dāng)功能需求發(fā)生改變時(shí)，只需對(duì)相應(yīng)的部分模塊進(jìn)行修改或更換，以降低維護(hù)的難度和更新的成本。上述設(shè)計(jì)使系統(tǒng)的軟件代碼利用率高，核心文件和源數(shù)據(jù)的安全性好。

系統(tǒng)的視頻設(shè)備具有視頻拍攝、信號(hào)轉(zhuǎn)換、圖像處理和LCD顯示的功能，每個(gè)功能都有自身的數(shù)據(jù)和操作函數(shù)。農(nóng)田作物圖像被采集后轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CD能夠顯示的數(shù)據(jù)類(lèi)型，然后基于RGB色彩空間進(jìn)行視覺(jué)處理，將各種的顏色在顯示屏上用不同的信號(hào)來(lái)區(qū)分。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

2017年，將該系統(tǒng)安裝在4個(gè)不同的水稻種植區(qū)域，采集農(nóng)田信息，以驗(yàn)證系統(tǒng)的功能。用來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)準(zhǔn)確性的信息包括降雨量、土壤含水量和水稻抽穗期，分別用人工采集和系統(tǒng)采集。人工采集是人工調(diào)查記錄，系統(tǒng)采集是從顯示屏上實(shí)時(shí)獲得，最后比較兩種方式所采集的數(shù)據(jù)差異。另外，測(cè)試視頻采集設(shè)備在發(fā)送5 000幀視頻時(shí)的丟幀率及延時(shí)時(shí)間，并檢驗(yàn)圖像的視覺(jué)處理和顏色區(qū)分效果。

兩種方式采集的農(nóng)田信息如表1所示。由表1可知：不同方式獲得的3種信息數(shù)據(jù)接近，差異不明顯；嵌入式系統(tǒng)對(duì)水稻抽穗期的評(píng)估最為準(zhǔn)確，與人工采集的結(jié)果僅相差1～2天。

表1 兩種方式采集的水稻數(shù)據(jù)差異Table 1 Difference of rice data collected by two methods

續(xù)表1

系統(tǒng)的視頻采集效果如表2所示。由表2可知：對(duì)于5 000幀的視頻數(shù)據(jù)，系統(tǒng)傳輸?shù)膩G幀率平均僅為0.40%，最長(zhǎng)延時(shí)僅為2s，視屏采集達(dá)到了非常流暢的效果。

表2 系統(tǒng)的視頻采集效果Table 2 Efficacy of video collected by system

對(duì)水稻圖像的視覺(jué)分析結(jié)果為圖2所示。其中，黑色區(qū)域代表葉片，白色區(qū)域代表稻穗。根據(jù)白色區(qū)域在整個(gè)圖像中所占的面積比例，可以反映水稻的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，準(zhǔn)確評(píng)判抽穗開(kāi)花時(shí)期。因此，該嵌入式系統(tǒng)可以完成對(duì)農(nóng)田信息的準(zhǔn)確采集，為農(nóng)藝操作提供參考依據(jù)，并極大地減少信息采集的人力成本。

圖2 水稻圖像的視覺(jué)分析Fig.2 Vision analysis of rice image

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于嵌入式技術(shù)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，系統(tǒng)以嵌入式芯片為核心，采集農(nóng)田氣象、土壤和作物信息，匯聚后并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸給嵌入式芯片。芯片上連接顯示模塊、控制面板和存儲(chǔ)模塊，能對(duì)所采集信息進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)采集的降雨量、土壤含水量和水稻抽穗期數(shù)據(jù)與實(shí)際值差異不明顯，對(duì)水稻抽穗期的評(píng)估最為準(zhǔn)確；系統(tǒng)對(duì)5 000幀視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G幀率僅為0.40%，最長(zhǎng)延時(shí)僅為2s，達(dá)到了非常流暢的效果。對(duì)水稻圖像的視覺(jué)分析可以反映水稻的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，準(zhǔn)確評(píng)判抽穗開(kāi)花時(shí)期，因此該嵌入式系統(tǒng)可以完成對(duì)農(nóng)田信息的準(zhǔn)確采集，為農(nóng)藝操作提供參考依據(jù)。