譚會君,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)
我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中起著不可替代的作用。要全面實現(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)田的種類決定了種植的作物種類及產(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)境包括土壤類型、酸堿性和含水量;生物群落包括病蟲草害和農(nóng)作物。這些信息既描述環(huán)境條件,也反映作物的生長狀況,是進(jìn)行各項農(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)的形勢下,各種新型技術(shù)被開發(fā)出來,用于農(nóng)田信息采集,如傳感器、車載攝像機(jī)、無人機(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,實時性強(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,如無人機(jī)適合我國單個田塊面積小、農(nóng)作物品種多樣的國情。無人機(jī)主要針對作物長勢、缺水情況和病蟲害檢測,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[1-3]。
無論采用哪種技術(shù),都必須將所有設(shè)備整合成為一個系統(tǒng),才能實現(xiàn)對農(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),它們均能對信息采集終端進(jìn)行控制。單片機(jī)的功能過于簡單,以其作為核心的采集系統(tǒng)擴(kuò)展和升級的難度較大,還會對工作的穩(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。
嵌入式技術(shù)是以計算機(jī)為基礎(chǔ),針對專門的應(yīng)用功能設(shè)計,軟件和硬件具有較好可編輯性,兼顧了功能、成本和可靠性的專用計算機(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、產(chǎn)品及應(yīng)用,對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,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)生了對操作系統(tǒng)的需求;隨后,以C語言為首的嵌入式操作系統(tǒng)逐漸成熟,大幅提高了其開發(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)、軍事國防和通信等[6]。在具體的用途上,可以設(shè)計基于嵌入式技術(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)視頻圖像的實時采集和傳輸顯示,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)計了溫室自動灌溉和監(jiān)控系統(tǒng),既能提高溫室的智能化水平,還可以促進(jìn)作物對水資源的有效利用[10]。本文以嵌入式技術(shù)為核心,設(shè)計了一個農(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)藝操作的實施提供參考依據(jù),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平。
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。每個田塊中安裝1個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),用于匯聚采集終端收集的農(nóng)田信息,并通過無線方式傳輸給嵌入式芯片。嵌入式芯片上連接顯示模塊、控制面板和存儲模塊。其中,顯示模塊用于實時顯示采集的數(shù)據(jù),控制面板用于設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù),存儲模塊用于數(shù)據(jù)信息和分析結(jié)果的存儲,以便作為農(nóng)藝操作中專家決策的依據(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
氣象信息的采集模塊包括:TPJ-20型空氣溫濕度儀,用于測量空氣的溫濕度;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,用于測定風(fēng)向和風(fēng)速。每個試驗區(qū)域安裝1套氣象信息采集模塊,位于沒有遮擋物的區(qū)域。土壤信息采集模塊包括:SWR-100型土壤水分傳感器,用于測定土壤含水量;SYT-901型土壤pH計,用于測量土壤的酸堿性。每個田塊中安裝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)行視覺分析;DATA-LYNX型計數(shù)傳感器記錄飛行的飛虱、蛾、蚊等害蟲的數(shù)量;相機(jī)和計數(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角落。
每個田塊中安裝1個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),為CC2530型芯片,與該田塊中的采集終端通過UART接口進(jìn)行有線連接,匯聚采集的數(shù)據(jù)信息。有線傳輸?shù)木€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無線方式上傳匯聚的信息。系統(tǒng)選用了ZigBee無線傳輸技術(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。每個嵌入式芯片可以連接15個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),接收信號的有效距離最遠(yuǎn)達(dá)到5km。
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顯示屏用于顯示實時數(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型存儲器用于信息和分析結(jié)果的保存。
系統(tǒng)的軟件以Linux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++語言編寫,將相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)和函數(shù)作為一個有機(jī)的整體進(jìn)行處理。程序編寫時,先針對單個功能的模塊,再將具有相近功能的模塊匯總,形成對外封閉的靜態(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,只需對相應(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、信號轉(zhuǎn)換、圖像處理和LCD顯示的功能,每個功能都有自身的數(shù)據(jù)和操作函數(shù)。農(nóng)田作物圖像被采集后轉(zhuǎn)換為LCD能夠顯示的數(shù)據(jù)類型,然后基于RGB色彩空間進(jìn)行視覺處理,將各種的顏色在顯示屏上用不同的信號來區(qū)分。
2017年,將該系統(tǒng)安裝在4個不同的水稻種植區(qū)域,采集農(nóng)田信息,以驗證系統(tǒng)的功能。用來評價系統(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時獲得,最后比較兩種方式所采集的數(shù)據(jù)差異。另外,測試視頻采集設(shè)備在發(fā)送5 000幀視頻時的丟幀率及延時時間,并檢驗圖像的視覺處理和顏色區(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)對水稻抽穗期的評估最為準(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%,最長延時僅為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
對水稻圖像的視覺分析結(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)域在整個圖像中所占的面積比例,可以反映水稻的生長發(fā)育狀況,準(zhǔn)確評判抽穗開花時期。因此,該嵌入式系統(tǒng)可以完成對農(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 水稻圖像的視覺分析Fig.2 Vision analysis of rice image
設(shè)計了一個基于嵌入式技術(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,匯聚后并通過無線方式傳輸給嵌入式芯片。芯片上連接顯示模塊、控制面板和存儲模塊,能對所采集信息進(jìn)行顯示、分析和存儲。試驗結(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)與實際值差異不明顯,對水稻抽穗期的評估最為準(zhǔn)確;系統(tǒng)對5 000幀視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G幀率僅為0.40%,最長延時僅為2s,達(dá)到了非常流暢的效果。對水稻圖像的視覺分析可以反映水稻的生長發(fā)育狀況,準(zhǔn)確評判抽穗開花時期,因此該嵌入式系統(tǒng)可以完成對農(nóng)田信息的準(zhǔn)確采集,為農(nóng)藝操作提供參考依據(jù)。