梁萬(wàn)杰　曹宏鑫

摘要：為獲得農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程的圖像信息、滿(mǎn)足農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)和病蟲(chóng)草害監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，同時(shí)減少圖像數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸流量費(fèi)用，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于ARM嵌入式平臺(tái)、OV9650圖像傳感器及3G無(wú)線模塊的農(nóng)作物圖像信息定時(shí)采集和管理系統(tǒng)。本研究在較成熟的硬件集成系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)功能完善的農(nóng)作物圖像采集節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)；同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于中間件和WEB技術(shù)的服務(wù)端應(yīng)用管理系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能按設(shè)定的時(shí)間連續(xù)獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)圖像信息，分辨率高達(dá)1 280×1 024，獲得的圖像質(zhì)量可滿(mǎn)足應(yīng)用需求；按1幀d圖像計(jì)算，1個(gè)月的流量?jī)H78 MB。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物圖像；ARM嵌入式系統(tǒng)；3G網(wǎng)絡(luò)；圖像傳感器；圖像信息定時(shí)采集系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP3914；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）21-0259-04

收稿日期：2017-02-08

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金探索類(lèi)項(xiàng)目編號(hào)：CX（13）5060]；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金編號(hào)：CX（15）1002]。

作者簡(jiǎn)介：梁萬(wàn)杰（1980—），男，河南商丘人，博士，副研究員，研究方向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用。Tel：（025）84390193；E-mail：wanjieliang@163com。

通信作者：曹宏鑫，研究員。Tel：（025）84391210；E-mail：caohongxin@hotmailcom。

隨著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)作物圖像及其處理和模式識(shí)別技術(shù)逐步在農(nóng)作物病蟲(chóng)害診斷、農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)元素缺失識(shí)別診斷、農(nóng)作物草害識(shí)別、監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用研究，并取得了較好的應(yīng)用成果1-4]。但農(nóng)作物圖像信息的傳統(tǒng)獲取方法大多是采取人工定點(diǎn)定時(shí)用相機(jī)拍照的方式，這種方法一般效率低、范圍小、實(shí)時(shí)性差5]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的采集系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)作物圖像信息采集，該類(lèi)系統(tǒng)按信息傳輸方式可分為有線和無(wú)線2種6]。有線采集系統(tǒng)多應(yīng)用于農(nóng)作物視頻信息采集，一般情況下，由于視頻監(jiān)控圖像拍攝的環(huán)境較為復(fù)雜以及圖像在傳輸、解碼、存儲(chǔ)等過(guò)程中時(shí)?；烊胍欢ǔ潭鹊碾S機(jī)噪聲，導(dǎo)致所獲取的圖像清晰度不高、工程量大、布線困難且費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題7-9]。無(wú)線采集系統(tǒng)作為一種新的數(shù)據(jù)信息獲取技術(shù)，具有方便靈活、自組網(wǎng)、體積小等特點(diǎn)10-12]，但存在流量費(fèi)用高的問(wèn)題13]。隨著傳感技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展以及ARM運(yùn)算能力的不斷增強(qiáng)，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和ARM的農(nóng)作物圖像采集系統(tǒng)研究不斷增多。史國(guó)濱等基于嵌入式系統(tǒng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)農(nóng)作物圖像及溫濕度無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)14]。肖德琴等提出一種基于ARM、CMOS圖像傳感器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的高分辨農(nóng)作物圖像采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，并取得了較好的應(yīng)用效果15]。姚仲敏等采用支持ZigBee協(xié)議的JN5139模塊和串口攝像頭PTC08模塊相結(jié)合，不外加協(xié)處理器的情況下實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的溫室圖像采集和無(wú)線傳輸系統(tǒng)16]。殷建軍等基于嵌入式處理器芯片S3C6410、CMOS圖像傳感器OV5640、自行設(shè)計(jì)的機(jī)械式濾光片轉(zhuǎn)換裝置以及3G通信模塊，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低成本、多光譜農(nóng)作物圖像遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，并取得了較穩(wěn)定的驗(yàn)證結(jié)果17]。本研究針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害草害監(jiān)測(cè)等應(yīng)用需求，及降低數(shù)據(jù)流量費(fèi)用的目標(biāo)，提出一個(gè)基于ARM嵌入式平臺(tái)、OV9650圖像傳感器及3G無(wú)線模塊的農(nóng)作物圖像信息定時(shí)采集和管理系統(tǒng)，并對(duì)圖像采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)集成、采集節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)、圖像采集管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。在硬件集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用V4L2（Linux視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架）、套接字編程技術(shù)、多線程編程、C語(yǔ)言等技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、Hadoop開(kāi)發(fā)技術(shù)、J2EE等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套農(nóng)作物圖像信息采集管理系統(tǒng)并取得了較好的應(yīng)用效果。

1系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)主要由CMOS圖像傳感器、ARM嵌入式平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)中心、管理系統(tǒng)和客戶(hù)端等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，是實(shí)現(xiàn)圖像采集的重要部件，其通過(guò)CMOS接口與嵌入式平臺(tái)相連，并受嵌入式平臺(tái)控制獲取農(nóng)作物圖像。嵌入式平臺(tái)的作用是定時(shí)采集農(nóng)作物圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行融合、質(zhì)量判別和壓縮，并在收到農(nóng)作物圖像信息采集管理系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)獲取指令后，把處理好的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)中心。農(nóng)作物圖像信息采集管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像采集節(jié)點(diǎn)管理、圖像數(shù)據(jù)獲取指令發(fā)布并接收數(shù)據(jù)、進(jìn)行圖像處理，并對(duì)用戶(hù)提供圖像檢索、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)分析、病蟲(chóng)害分析等服務(wù)。用戶(hù)可通過(guò)客戶(hù)端（臺(tái)式機(jī)、手機(jī)、PDA等）訪問(wèn)農(nóng)作物圖像信息采集管理系統(tǒng)，完成對(duì)圖像采集節(jié)點(diǎn)的管理、圖像檢索、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)分析、病蟲(chóng)害分析、草害分析等應(yīng)用。

2硬件系統(tǒng)及接口

本研究選用飛凌OK6410開(kāi)發(fā)板作為圖像采集平臺(tái)，該平臺(tái)的內(nèi)核是三星集團(tuán)的S3C6410，處理器主頻533 MHz，擁有256 MB內(nèi)存和1GB NAND FLASH，同時(shí)具備豐富的外設(shè)資源，能滿(mǎn)足圖像采集和壓縮的要求。CMOS圖像傳感器芯片采用豪威科技（上海）有限公司的OV9650，其最大分辨率為130萬(wàn)像素（1 280×1 024）。3G通信模塊選擇中興FIT-3G-AD3812，該模塊接口支持所有mini PCI Express（全高型）接口；支持WCDMA、GSMGPRSEDGE網(wǎng)絡(luò)，下載速度最高可達(dá)72 Mbits，上傳速度可達(dá)2 Mbits，支持上網(wǎng)，收發(fā)短信功能，支持AT命令。

由圖2可知，整個(gè)圖像采集節(jié)點(diǎn)主要由系統(tǒng)控制模塊和供電模塊組成。其中，控制模塊以S3C6410核心板、NAND FLAH、SDRAM以及外圍電路構(gòu)成，同時(shí)以COMS接口和USB接口分別與圖像采集模塊和3G通信模塊連接。控制模塊初始化并啟動(dòng)圖像采集模塊進(jìn)行圖像采集，然后通過(guò)mmap對(duì)象映射的方式把圖像讀取到內(nèi)存?？刂颇K對(duì)圖像進(jìn)行融合、圖像質(zhì)量判定、圖像壓縮后，通過(guò)3G通信模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端并在SD卡對(duì)圖像進(jìn)行備份。控制模塊還可以接收服務(wù)端的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像傳感器參數(shù)的設(shè)定、重啟關(guān)閉圖像傳感器等功能。endprint

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分考慮硬件系統(tǒng)的特點(diǎn)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅要滿(mǎn)足系統(tǒng)的功能要求，還要滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)操作的方便性和友好性。本研究提出的軟件系統(tǒng)主要分為圖像采集節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)和基于WEB的圖像信息采集管理服務(wù)系統(tǒng)2個(gè)部分。

31圖像采集節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)

圖像采集節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。圖像采集節(jié)點(diǎn)加電啟動(dòng)后，自動(dòng)啟動(dòng)圖像采集服務(wù)。服務(wù)啟動(dòng)后首先創(chuàng)建1個(gè)圖像采集線程，同時(shí)創(chuàng)建套接字服務(wù)等待接收服務(wù)端指令。圖像采集線程首先打開(kāi)圖像傳感器，并對(duì)傳感器進(jìn)行初始化啟動(dòng)讀寫(xiě)采集模式，通過(guò)mmap對(duì)象映射的方式把圖像讀取到內(nèi)存，獲得1幀農(nóng)作物圖像，間隔一段時(shí)間再獲取1幀圖像，直至獲取多幀不同時(shí)間段的農(nóng)作物圖像后，對(duì)多幀圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；然后對(duì)融合后的圖像進(jìn)行質(zhì)量判定，如果圖像質(zhì)量不達(dá)標(biāo)則重新獲取圖像并進(jìn)行融合處理，直到達(dá)到設(shè)定的圖像標(biāo)準(zhǔn)；質(zhì)量達(dá)標(biāo)后對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理，收到圖像獲取指令后，把圖像傳輸?shù)綀D像采集服務(wù)端。套接字服務(wù)接收?qǐng)D像采集服務(wù)端套件字連接，并為每次連接建立獨(dú)立的處理線程；處理線程根據(jù)服務(wù)端指令分別完成圖像采集、圖像傳感器重啟、圖像傳感器參數(shù)設(shè)置、關(guān)閉圖像傳感器等操作，并把數(shù)據(jù)或操作結(jié)果返回服務(wù)端。

32圖像采集服務(wù)端軟件系統(tǒng)

服務(wù)端系統(tǒng)有實(shí)現(xiàn)與圖像采集節(jié)點(diǎn)直接通信的中間件和基于BS架構(gòu)的WEB管理系統(tǒng)兩部分組成。其中，中間件的主要功能包括建立與圖像采集節(jié)點(diǎn)間的通信、定時(shí)從采集節(jié)點(diǎn)獲取圖像、轉(zhuǎn)發(fā)WEB管理系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)管理操作指令。農(nóng)作物圖像定時(shí)采集系統(tǒng)管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)架構(gòu)采用MVC架構(gòu)，做到表示層和業(yè)務(wù)邏輯層分離，使美工擺脫復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，而只注重界面設(shè)計(jì)的美工和易操作性；同時(shí)業(yè)務(wù)邏輯編程人員只須注重業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)，從而開(kāi)發(fā)出功能完善、執(zhí)行效率高、運(yùn)行穩(wěn)定的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用層3層。其中，數(shù)據(jù)層主要由關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和Hadoop云存儲(chǔ)系統(tǒng)組成。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)存儲(chǔ)用戶(hù)信息、菜單信息、系統(tǒng)參數(shù)、日志及其他結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)；云存儲(chǔ)系統(tǒng)主要用來(lái)存儲(chǔ)圖片、圖片處理中間結(jié)構(gòu)等非結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)信息。業(yè)務(wù)邏輯層主要實(shí)現(xiàn)圖像檢索、模式識(shí)別、圖像信息挖掘、圖像信息分析等算法以及傳感器節(jié)點(diǎn)管理、參數(shù)設(shè)置、圖像定時(shí)采集等功能。應(yīng)用層是直接面向用戶(hù)的接口，主要實(shí)現(xiàn)的功能包括用戶(hù)管理、通用工具、菜單管理、系統(tǒng)參數(shù)管理、修改密碼、圖像信息查詢(xún)、作物長(zhǎng)勢(shì)分析、病蟲(chóng)害分析、草害分析等功能。系統(tǒng)界面同時(shí)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)版和手機(jī)PDA終端版。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)包括圖像采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集中間件和管理系統(tǒng)3個(gè)部分。其中，圖像采集節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)主要基于OV9650驅(qū)動(dòng)、V4L2（Linux視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架）、套接字編程技術(shù)、多線程編程、C語(yǔ)言等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集中間件采用C語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、Hadoop開(kāi)發(fā)技術(shù)、套接字編程技術(shù)、多線程編程技術(shù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面采用Tomcat服務(wù)器作為WEB服務(wù)器，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，Hadoop與存儲(chǔ)操作方面采用基于Java的開(kāi)發(fā)技術(shù)，同時(shí)采用J2EE系統(tǒng)解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。Tomcat和Mysql均為開(kāi)源的WEB系統(tǒng)解決方案，其功能完善、技術(shù)成熟、用戶(hù)界面友好。J2EE架構(gòu)是應(yīng)用較廣泛的WEB系統(tǒng)解決方案，采用EJB組件實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層開(kāi)發(fā)，可以提高代碼的重復(fù)利用率，從而提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)采用Struts架構(gòu)實(shí)現(xiàn)表示層與業(yè)務(wù)邏輯層的分離，使表示層只須注意界面美工和操作功能的實(shí)現(xiàn)；表示層主要用JSP、Javascript等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。圖5為圖像信息檢索的用戶(hù)界面。

本研究在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溧水植物科學(xué)基地進(jìn)行部署應(yīng)用，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行和調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并按設(shè)定的時(shí)間定時(shí)采集農(nóng)作物圖像信息。以最高分辨率（1 280×1 024）采集農(nóng)作物圖像，以無(wú)壓縮、24位圖像深度的bmp圖像CM（25]格式，圖像的大小是375 MB幀，壓縮后大小可減小到26 MB幀。按1 d獲取1幀圖像計(jì)算，1個(gè)月的數(shù)據(jù)流量是 78 MB。在對(duì)圖像質(zhì)量要求不高的應(yīng)用流域，可以采用GIF、PNG、JPG等圖像格式，將更大幅度地降低數(shù)據(jù)流量。從圖5可以清晰地看到玉米植株的莖、葉、雄穗等，此外還可以看到雄穗的很多細(xì)節(jié)。應(yīng)用結(jié)果表明，采集的圖像可以滿(mǎn)足作物長(zhǎng)勢(shì)分析、病蟲(chóng)害草害分析等應(yīng)用的需求，同時(shí)可以較大幅度地降低數(shù)據(jù)流量，減少系統(tǒng)運(yùn)行成本。

5結(jié)論

本研究為實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物圖像信息的定時(shí)采集、圖像信息管理及應(yīng)用的需求提出了一套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，采用飛凌OK6410開(kāi)發(fā)板結(jié)合OV9650圖像傳感器實(shí)現(xiàn)圖像采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，其軟硬件技術(shù)較成熟、系統(tǒng)較穩(wěn)定，且可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。在圖像采集節(jié)點(diǎn)軟件功能設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了圖像的融合、質(zhì)量判定、圖像壓縮及定時(shí)采集等功能。因農(nóng)作物生長(zhǎng)速度緩慢，周期性采集農(nóng)作物生長(zhǎng)圖片信息，即能滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)等應(yīng)用的需要，同時(shí)又能減少數(shù)據(jù)的流量，節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。在服務(wù)端軟件方面分別提出了數(shù)據(jù)采集中間件以及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，中間件的設(shè)計(jì)可以有效分離硬件和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，同時(shí)提高軟件系統(tǒng)的兼容性、可移植性和可擴(kuò)展性。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用及用戶(hù)操作體驗(yàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)用戶(hù)界面友好，應(yīng)用方便快捷，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物圖像信息定時(shí)采集，滿(mǎn)足作物長(zhǎng)勢(shì)分析、病蟲(chóng)害分析、草害分析等應(yīng)用需求。但本系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物圖像的定時(shí)采集，在圖像應(yīng)用方面的研究較少，下一步須要進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用功能，并對(duì)農(nóng)作物圖像信息挖掘、模式識(shí)別算法進(jìn)行深入的研究，進(jìn)一步提高農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害識(shí)別、草害識(shí)別的精確度、自動(dòng)化及智能化水平。

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