文/王威卜 孫宇航 黃啟宏 雷婧

我國自古以來便是農(nóng)業(yè)大國，占據(jù)著世界將近一成的耕地資源和大約為百分之六的淡水資源，我國的農(nóng)田承擔(dān)著重大使命，養(yǎng)活的是世界五分之一人口，讓無數(shù)百姓免于饑荒。如今隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新在提高農(nóng)作物產(chǎn)量、增強(qiáng)作物抗性等方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，越來越受到各界的重視。其中智能化、自動化莊園和農(nóng)場采用高科技對植物進(jìn)行監(jiān)測，并能夠自動計(jì)算出動植物生長所需，采取最優(yōu)措施進(jìn)行培育，將會是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向，本文講述基于AVR芯片的智能作物遠(yuǎn)程監(jiān)控控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 AVR芯片控制系統(tǒng)簡介

1.1 起源與發(fā)展

AVR控制系統(tǒng)誕生于二十世紀(jì)九十年代，彼時遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)處在發(fā)展期，但沒有人創(chuàng)造性地提出將AVR控制系統(tǒng)應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，遑論智能作物的監(jiān)控。當(dāng)時它是一種即時系統(tǒng)，專為工業(yè)生產(chǎn)而設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)類似微電腦，但又與電腦存在很大差異。

此后汽車制造業(yè)率先引入AVR控制系統(tǒng)，提高了汽車的性能，為汽車制造業(yè)帶來福音。它在之后數(shù)年內(nèi)得到了飛速發(fā)展，當(dāng)時世界范圍AVR控制器的數(shù)量以每年20%-30%的速率增長，市場之巨大令人咋舌。近年來，其在發(fā)達(dá)國家的市場趨近飽和，因而增長速度大大減緩，但在以我國為代表的發(fā)展中國家仍然保持著迅猛的增長勢頭，近年來智能化與自動化概念深入人心，許多行業(yè)都發(fā)生了重大變革，于是有人創(chuàng)設(shè)性地提出智能作物構(gòu)想，其中遠(yuǎn)程監(jiān)控控制系統(tǒng)乃是實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)場、自動化莊園必不可少的一環(huán)。

1.2 組成結(jié)構(gòu)

它的組成結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)類似，具有CPU、存儲器等，并且具備接受和輸出數(shù)據(jù)的功能，但是又區(qū)別于計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗痪邆?/0設(shè)備，并且體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計(jì)算機(jī)。簡單說來，AVR本身就是一塊智能化芯片，它自己同時也是一個小型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠高速地對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

1.3 特點(diǎn)與優(yōu)勢

1.3.1 抗干擾能力強(qiáng)

許多設(shè)備都是使用電波進(jìn)行信息的傳遞，而波在傳播過程中會發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生干擾，尤其是同頻率的波。但AVR芯片采用的是大規(guī)模集成電路，擁有強(qiáng)悍的抗干擾性，可以在復(fù)雜環(huán)境中正常工作。

1.3.2 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)

AVR發(fā)展到今天，經(jīng)歷了二十多年的漫長歷程，為了滿足不同行業(yè)消費(fèi)者的需求，它已經(jīng)形成了一系列不同尺寸，小到建筑工地的大型器械和電廠中的發(fā)電設(shè)備，小到電子手表，都能夠有與之對應(yīng)的芯片。并且經(jīng)歷多年發(fā)展，AVR的功能愈發(fā)強(qiáng)大和完善，如今它已經(jīng)能夠在很短時間內(nèi)處理龐大的數(shù)據(jù)，在數(shù)控領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，經(jīng)過調(diào)整后也可用于植物生長情況的監(jiān)測。

1.3.3 界面簡潔，容易學(xué)會

AVR的適用人群十分廣泛，由于它的界面簡潔易懂，許多不具備專業(yè)IT知識或是只有一點(diǎn)基礎(chǔ)的人也能夠使用，并且它的編程語言相較于其它同類型產(chǎn)品而言算是十分簡單，能夠?yàn)閺V大工程師接受。

1.3.4 設(shè)計(jì)容易，維護(hù)方便

AVR采用的是存儲邏輯，這就意味著相比起使用布線邏輯的產(chǎn)品，它的設(shè)計(jì)步驟要簡潔得多，設(shè)計(jì)和建造所需時間也十分短暫，并且控制系統(tǒng)裝置外部很少出現(xiàn)線路，維護(hù)工作也輕松不少。更重要的是，它有可能通過改變同一裝置來改變生產(chǎn)過程。

1.3.5 體積小，重量輕，能耗低

AVR產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)超小體積的類型，其尺寸小于十公分，能耗也極低，很容易適應(yīng)在機(jī)器內(nèi)部的工作環(huán)境，不會占據(jù)太大空間，因而它是機(jī)電一體化的理想控制裝置。

2 設(shè)計(jì)基于AVR芯片的智能作物遠(yuǎn)程監(jiān)控控制系統(tǒng)的原則

在AVR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要遵循以下基本原則：

2.1 確保滿足控制需求

使AVR芯片的能力充分發(fā)揮出來，盡可能地滿足在進(jìn)行控制設(shè)計(jì)的要求，這是設(shè)計(jì)AVR控制系統(tǒng)的最重要的原則。這就需要設(shè)計(jì)人在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)前就要去現(xiàn)場進(jìn)行分析和研究，并且多多研讀相關(guān)著作。

例如，對作物進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)就需要能夠區(qū)分不同種類作物的基本功能，還需要能夠根據(jù)作物的長勢、高度、大小等判定其生長時間長短，另外能夠監(jiān)測植物生長環(huán)境中溫度等的變化，從而為決策者提供依據(jù)，使之能夠準(zhǔn)確判斷是否需要澆水或是增加/減少光照。

2.2 確保AVR控制系統(tǒng)可靠性

在設(shè)計(jì)的時候，必須確保AVR智能作物遠(yuǎn)程監(jiān)控控制系統(tǒng)可以安全地長在很長一段時間內(nèi)不出現(xiàn)任何問題地運(yùn)轉(zhuǎn)和操作，具備強(qiáng)大的穩(wěn)定性和可靠性，這也是在設(shè)計(jì)所有控制系統(tǒng)時需要遵守的最重要的原則之一。

2.3 力求設(shè)計(jì)簡單方便，后期維護(hù)容易

在滿足控制要求的前提下，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時要注意將生產(chǎn)成本和獲得的效益相結(jié)合。也就是說在設(shè)計(jì)時要充分考慮成本價格的高低，在滿足要求的前提下將控制系統(tǒng)變得簡潔明了、較為經(jīng)濟(jì)，而且要盡量使系統(tǒng)的操作簡單化，畢竟想要實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)場的普及，就一定需要廣大農(nóng)民群體的參與，而我國很大一部分農(nóng)民并沒有很高的知識水平，過于復(fù)雜的系統(tǒng)不會被他們接受，因此設(shè)計(jì)師不能盲目地增添系統(tǒng)功能，要以簡潔實(shí)用為主。

2.4 適應(yīng)社會發(fā)展需要

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們的需求在不斷的提升，對于控制系統(tǒng)的要求也將越來越高，例如需要它能夠同時監(jiān)測多個區(qū)域的作物種植情況，或是除了獲取光照強(qiáng)度、空氣濕度等信息外還要具備一定的數(shù)據(jù)分析和處理功能，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時也要考慮到未來控制系統(tǒng)的進(jìn)展和人們的需要。

3 基于AVR芯片的智能作物遠(yuǎn)程監(jiān)控控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 視頻與圖像采集部分

在農(nóng)場中的適當(dāng)位置，需要安裝一定數(shù)量的攝像機(jī)，用于檢測農(nóng)作物生長環(huán)境的整體情況。農(nóng)場中的大多數(shù)攝像機(jī)像素不必過高，否則會大大增加系統(tǒng)的成本，但一定要保證有足夠數(shù)量的高清攝像機(jī)能夠真切地反映出每種作物的生長情況，及時發(fā)現(xiàn)葉、莖上的斑點(diǎn)或是昆蟲蠶食產(chǎn)生的洞，尤其是某些觀賞性農(nóng)作物，例如玫瑰，其主要的病害為灰霉病還有黑斑病，此二者會使玫瑰花出現(xiàn)色差、長出斑點(diǎn)，影響其植株的經(jīng)濟(jì)價值，并且能夠傳染；而主要蟲害為蚜蟲和紅蜘蛛，這些昆蟲會啃食玫瑰花的花瓣與莖葉，嚴(yán)重的可致死。及時發(fā)現(xiàn)病蟲害可以挽救大面積的作物，若是因?yàn)閿z像機(jī)精度問題而導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)不夠敏銳，則容易造成無法挽回的損失。夜晚或者光照不充足時它們需要自動切換模式，確保能夠獲取較為清晰的圖像。

3.2 光照、濕度等信息采集部分

除了病蟲害等導(dǎo)致的表象特征發(fā)生改變外，植物生長過程中還可能出現(xiàn)許多其他問題，例如缺水、缺乏充足光照等，這就需要在作物生長的區(qū)域安裝不同種類的傳感器，例如光照傳感器和溫度傳感器，從而獲取農(nóng)場內(nèi)的具體環(huán)境信息。

3.3 信息分析和處理部分

使用基于AVR芯片的系統(tǒng)作為處理中心，可實(shí)現(xiàn)大批數(shù)據(jù)同時輸入、采集、分析和運(yùn)算。處理中心是整個監(jiān)控系統(tǒng)中最為重要的部分，它需要提前錄入正常生長的作物的特征數(shù)據(jù)，并將采集到的圖像與之進(jìn)行對比，從而判斷植物是否能夠茁壯生長；此外，還需綜合溫度、濕度等信息進(jìn)行判斷，決定植物是否需要澆水、遮光等，并智能化地作出最佳選擇，例如需要澆水的量、遮光程度和面積等。

3.4 反饋部分

智能化農(nóng)場并非完全不需要人工參與，它只是具備較高的自動化水平，但機(jī)器的智能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與人類的大腦相比，出現(xiàn)很多問題時它們都無法變通。該監(jiān)控系統(tǒng)必須具備反饋功能，忠實(shí)記錄植物生長情況并將其總結(jié)成圖表等，方便操作人員進(jìn)行檢查，另外還需嚴(yán)格記錄每一次對植物進(jìn)行的工作，例如記錄澆水時間、澆水量，或是農(nóng)藥的種類和用量等。