李佳, 金永亮

(1. 西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院； 2. 慶安集團(tuán)有限公司， 西安 710000)

0 引言

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展帶來了巨大的契機(jī)。如今，智能化的信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的得到普遍的推廣，將現(xiàn)代信息技術(shù)融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著極其重要的意義。尤其是現(xiàn)代農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)意義重大。為此，筆者基于ARM，設(shè)計(jì)出專業(yè)進(jìn)行田間圖像采集的遠(yuǎn)程系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)、傳感器等設(shè)備進(jìn)行圖像的采集，對(duì)農(nóng)田中的作物長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控、跟蹤以及分析。以便于農(nóng)民及時(shí)的采取各類農(nóng)業(yè)措施，促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，不斷提高我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。

1 田間圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

要想設(shè)計(jì)出較為完備的，可用于農(nóng)業(yè)田間圖像采集的系統(tǒng)，就必須按照相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，有針對(duì)性的進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而結(jié)合農(nóng)田數(shù)據(jù)采集要求，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：

第一，該系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重考慮將農(nóng)田的特點(diǎn)，如防灰塵、耐高低溫等等。

第二，在電池設(shè)計(jì)上，盡量采用供電時(shí)長(zhǎng)的太陽(yáng)能電池，環(huán)保又高效。

第三，在設(shè)計(jì)采集器時(shí)，應(yīng)盡量的提升其擴(kuò)展性能。例如其儲(chǔ)存空間的拓展、軟件更新拓展、測(cè)量要素拓展等等。

第四，該系統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)應(yīng)注重對(duì)時(shí)鐘的設(shè)定，盡量避免系統(tǒng)供電不足造成時(shí)間不準(zhǔn)。

第五，注重采集器的互換性，如傳感器的互換、外部設(shè)備的互換、電纜的互換等。

2 農(nóng)田圖像采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合ARM處理器在耗電少、功能強(qiáng)、速度快等方面的特點(diǎn)[1-2]，采用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)了田間圖像采集系統(tǒng)。該田間圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩大部分。其中，硬件設(shè)計(jì)的部分包括：核心板底板、云臺(tái)、外部設(shè)施。軟件設(shè)計(jì)的部分包括：采集器軟件設(shè)計(jì)、終端服務(wù)軟件設(shè)計(jì)。以下是筆者基于ARM的田間圖像采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架。如圖1所示。

圖1 田間圖像采集系統(tǒng)總體構(gòu)架

3 基于ARM的田間圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件對(duì)于系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的，硬件設(shè)備質(zhì)量的高低將直接影響到該系統(tǒng)是否能正常、穩(wěn)定的運(yùn)行。為此，筆者從整體設(shè)計(jì)思路出發(fā)，在整合各項(xiàng)方案措施后，將設(shè)計(jì)包括電源、網(wǎng)絡(luò)接口、云臺(tái)控制、USB 擴(kuò)展等，如圖2所示。

圖2 田間圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在圖2中，其中一個(gè)比較重要的部分是云臺(tái)?？紤]到視頻圖像采集需要面臨不同的天氣類型，因此選擇亞安公司的YD5309型號(hào)，該云臺(tái)可支持水平0°～360°，垂直0°～90°的圖像采集，同時(shí)可在高溫、雷雨天氣下對(duì)田間圖像進(jìn)行采集，進(jìn)而大大解決了當(dāng)前視頻圖像采集在惡劣天氣下的問題[3]。

4 軟件設(shè)計(jì)

本次田間圖像采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括采集器軟件設(shè)計(jì)、終端軟件的設(shè)計(jì)兩部分。具體軟件設(shè)計(jì)分析如下。

4.1 采集器軟件設(shè)計(jì)

采集器作為農(nóng)田圖像采集系統(tǒng)的核心部分，在整個(gè)系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要的作用。采集器的主要功能就是對(duì)田間的圖像進(jìn)行采集。另外，還包含了其他的功能，如對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、傳輸?shù)取１鞠到y(tǒng)采用的是多線程處理方式，因此，系統(tǒng)的整體處理性能較快。本系統(tǒng)采用的是Linux操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)能同時(shí)操作多個(gè)任務(wù)，但存在的不足在于該操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)屏蔽某些底層信息。具體的采集器軟件設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 采集器軟件設(shè)計(jì)

在該采集器軟件部分設(shè)計(jì)中，主線程的作用是開展各項(xiàng)設(shè)備的初始；終端命令處理線程負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)以及命令，并對(duì)其進(jìn)行分類。發(fā)送線程主要負(fù)責(zé)RS232串口通道，并將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；照相機(jī)線程主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換圖像格式，將最初的BMP圖像格式轉(zhuǎn)換為JPEG 格式，并將其進(jìn)行分類整理后傳輸?shù)桨l(fā)送線程；定時(shí)器線程主要負(fù)責(zé)對(duì)各類時(shí)間的設(shè)置，完成對(duì)采集器的檢測(cè)。

4.4 終端服務(wù)軟件設(shè)計(jì)

本次上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)筆者采用C#作為工具進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。利用C#在系統(tǒng)軟件開發(fā)上有許多的優(yōu)點(diǎn)[4]，如快速、全面等。整個(gè)軟件的界面包括串口通信、云臺(tái)方位控制、采集器狀態(tài)信息獲取以及圖像控制四大方面，如圖4 所示。

以下是對(duì)該軟件界面中涉及的四大方面進(jìn)行的具體闡述：

(1) 串口通信

串口通信中的控件筆者采用的是serial Port 控件該控件能夠較好搭建PC 端上位機(jī)與采集器之間橋梁，使得兩者之間的通信更加的順暢、高效。同時(shí)，利用serial Port 控件還能夠最大程度的減少系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)際效率。

(2) 采集器狀態(tài)獲取

通過采集器的狀態(tài)獲取，能夠掌握整個(gè)采集器的狀態(tài)信息。其中，該部分軟件的功能包括控制采集器和獲取設(shè)施的狀態(tài)。控制采集器的主要功能有設(shè)置設(shè)備ID、日期時(shí)間、IP 地址等。獲取設(shè)備狀態(tài)的主要功能有讀取設(shè)備溫度、通信參數(shù)、設(shè)備ID、日期時(shí)間、IP地址等。

(3) 云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制

上位機(jī)對(duì)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的目的在于，能及時(shí)的獲取最佳拍照位置，獲得用戶所需的清晰、完整的田間圖像。

(4) 圖像控制

圖像控制的目的是對(duì)上位機(jī)進(jìn)行一定控制，從而獲得圖像。同時(shí)，上位機(jī)與采集器需要達(dá)成數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：圖片為JPEG 格式，且數(shù)據(jù)幀包括開始位、圖片名、CRC 校驗(yàn)，圖片數(shù)據(jù)段字段組成，總共1015個(gè)字節(jié)。

5 田間圖像采集系統(tǒng)測(cè)試

通過以上對(duì)田間圖像采集的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，筆者根據(jù)該系統(tǒng)運(yùn)作的主要功能，決定對(duì)其采集器性能、云臺(tái)電源、圖像采集儲(chǔ)存進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)功能檢測(cè)。本次系統(tǒng)測(cè)試在云臺(tái)電源充足的情況下，檢測(cè)采集器是否能按照正常程序運(yùn)行。另外，檢測(cè)還包括上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理是否達(dá)標(biāo)。以下是具體的檢測(cè)分析。

圖4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)界面圖

5.1 采集器性能測(cè)試

本次采集器性能測(cè)試經(jīng)歷的周期為7天，在7天之內(nèi)觀測(cè)系統(tǒng)是否出現(xiàn)卡頓、死機(jī)的情況。首先，筆者將 Linux操作系統(tǒng)中的內(nèi)核鏡像與文件系統(tǒng)鏡像輸入flash中。然后，打開電源，啟動(dòng)程序。最后，在7天內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)有卡頓、死機(jī)等現(xiàn)象，且整體運(yùn)行較為穩(wěn)定。證明該采集器性能良好。

5.2 云臺(tái)電源測(cè)試

首先，筆者要對(duì)采集器云臺(tái)電源的電壓進(jìn)行測(cè)試，利用工具測(cè)試到云臺(tái)電源接口的電壓值為12V。其次，利用導(dǎo)線將C-AC 轉(zhuǎn)換模塊與云臺(tái)電源電壓接口連接，測(cè)試到的電壓值25V。符合云臺(tái)工作時(shí)所需的電壓。最后，筆者將采集器、電源轉(zhuǎn)換模塊、云臺(tái)三者接通，觀測(cè)云臺(tái)工作運(yùn)行狀況。一段時(shí)間過后，云臺(tái)依然能在電源接通的情況下正常運(yùn)行，證明該系統(tǒng)的云臺(tái)電源未存在問題。

5.3 圖像采集存儲(chǔ)測(cè)試

本次圖像采集儲(chǔ)存測(cè)試歷時(shí)10天，主要是利用采集器的圖像采集功能，檢測(cè)最終采集的圖像是否按照程序?qū)⑵鋬?chǔ)存到相應(yīng)的CF卡中，且圖像的格式必須為JPEG格式。經(jīng)過10天的圖像采集儲(chǔ)存測(cè)試，最終，筆者在CF卡中獲得采集到的圖像，且格式均為將采集到的田間圖像整理到文件夾中，發(fā)現(xiàn)文件夾中的圖像均為JPEG格式，圖片名以由具體的日期以及時(shí)間構(gòu)成。

5.4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

以上對(duì)采集器的穩(wěn)定性能、云臺(tái)電源性能、以及圖像采集的儲(chǔ)存功能進(jìn)行一一的測(cè)試。根據(jù)上機(jī)位中顯示的各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，可以穩(wěn)定的采集到用戶所需的農(nóng)田圖像信息。小麥長(zhǎng)勢(shì)圖像，如圖5所示。

圖5 小麥長(zhǎng)勢(shì)圖像

通過上述的結(jié)果看出，該結(jié)果符合筆者對(duì)該系統(tǒng)的預(yù)期效果，具備穩(wěn)定、高效等特點(diǎn)。

6 總結(jié)

綜上，本文基于ARM，設(shè)計(jì)關(guān)于田間圖像采集的系統(tǒng)，經(jīng)過硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)測(cè)試，最終，該田間圖像采集系統(tǒng)性能符合筆者對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。筆者認(rèn)為，將該系統(tǒng)運(yùn)用于農(nóng)田圖像的采集，對(duì)農(nóng)田作物產(chǎn)量的提高有較大的幫助。