李路里，姚凱學(xué)，王凱鵬，任 莎

(貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

國(guó)內(nèi)消費(fèi)者對(duì)于農(nóng)作物種植產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，這導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量正處于快速轉(zhuǎn)變階段，按照產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)展的需求，國(guó)家農(nóng)業(yè)部推動(dòng)農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)品從總量的擴(kuò)張向高質(zhì)量進(jìn)行轉(zhuǎn)變，并唱響綠色興農(nóng)，質(zhì)量興農(nóng)。提高農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，加快推進(jìn)農(nóng)作物種植產(chǎn)品信息化[1]建設(shè)。國(guó)家大力推進(jìn)全國(guó)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與體制改革的有機(jī)結(jié)合促進(jìn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。并且隨著全球高新技術(shù)的飛速發(fā)展和萬物物聯(lián)的信息化[2]建設(shè)，農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)等代表農(nóng)業(yè)方面的前沿科技的發(fā)展深刻促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)格局的變革，對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的生長(zhǎng)環(huán)境信息[3]進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋評(píng)估，并將結(jié)果反向應(yīng)用于農(nóng)事管理。隨著農(nóng)業(yè)精細(xì)化的發(fā)展，用戶對(duì)于影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境因子有著越來越嚴(yán)格的要求，農(nóng)業(yè)智慧農(nóng)業(yè)墑情站可對(duì)農(nóng)業(yè)中農(nóng)作物等所需要的農(nóng)業(yè)小氣候因子進(jìn)行采集、檢測(cè)和分析，從而將這些數(shù)據(jù)服務(wù)于農(nóng)業(yè)。

文中所研制的智慧農(nóng)業(yè)墑情站系統(tǒng)主要是針對(duì)偏遠(yuǎn)農(nóng)作物種植環(huán)境研制，其中安裝有GSM無線通信模塊，主要具備圖像視頻[4]監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息采集[5]兩大功能，并且可以靈活地應(yīng)用于偏遠(yuǎn)山區(qū)種植場(chǎng)所的信息采集分析，圖像與視頻監(jiān)控為農(nóng)作物的生長(zhǎng)等提供了更加直觀的展現(xiàn)方式。比如哪塊地缺水了，如果只是從土壤溫濕度傳感器[6]傳來的數(shù)據(jù)上進(jìn)行分析，會(huì)顯得這些數(shù)據(jù)過于單一，因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)的環(huán)境具有不均勻性，從而決定了農(nóng)產(chǎn)品信息獲取的先天性弊端，而這些弊端又很難單純地通過技術(shù)進(jìn)行解決。所以通過對(duì)農(nóng)作物種植產(chǎn)品圖像視頻信息采集的引用，更加直觀反映了農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)品生長(zhǎng)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，引入圖像及視頻處理不僅可以直觀反映農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)品的生長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)，而且可以從側(cè)面反映出農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)品生長(zhǎng)的整體狀態(tài)及營(yíng)養(yǎng)水平。最終從整體上為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者提供更加科學(xué)的種植決策理論依據(jù)[7]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)墑情站系統(tǒng)通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)，并通過外接圖像傳感器可對(duì)農(nóng)田的農(nóng)作物進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集，并將采集到的圖像視頻信息通過GPRS回傳到信息管理中心，農(nóng)業(yè)種植人員可以通過回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，分析農(nóng)田中農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，蟲害情況，以便及時(shí)做出處理。同時(shí)農(nóng)事操作人員也可以通過PC端進(jìn)行管理設(shè)置從而定時(shí)獲取環(huán)境圖像，實(shí)時(shí)查看農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)品的生長(zhǎng)情況。

首先通過控制單元控制圖像視頻傳感器采集圖像視頻信息，并將其采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee和RS485/232模式上傳到網(wǎng)關(guān)，在無線通信情況下，采用ZigBee模塊將圖像視頻傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到ZigBee節(jié)點(diǎn)上；在有線的情況下，采用雙絞線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485/232節(jié)點(diǎn)上。無線通信具有部署靈活，擴(kuò)展方便等特點(diǎn)，有線版具有部署快捷，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。接著將圖像傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過3G/GPRS/Inernet網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器，在使用的傳輸協(xié)議上，支持IPV4現(xiàn)網(wǎng)協(xié)議以及下一代互聯(lián)網(wǎng)IPV6協(xié)議。農(nóng)事操作人員負(fù)責(zé)對(duì)傳送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并把采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，將結(jié)果反饋給農(nóng)事操作人員，為其提供決策和分析依據(jù)，最后農(nóng)事操作人員可以隨時(shí)地通過手機(jī)APP版、PC版等終端進(jìn)行查看。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：圖像傳感器模塊硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理模塊硬件設(shè)計(jì)。

2.1 圖像傳感器模塊硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)墑情站所采用的圖像傳感器是由OV(Omni Vision)公司生產(chǎn)的OV7670，它是一顆1/6寸的CMOS VGA圖像傳感器。該傳感器體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能，通過SCCB總線控制可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊采用基于Cortex-M3[8]內(nèi)核的STM32F103ZET6 MCU[9]，它的最高工作頻率為72 MHz，SRAM可達(dá)64 KB，有5個(gè)串口、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)I2C、3個(gè)ADC、3個(gè)SPI、2個(gè)DMA控制器等資源。

數(shù)據(jù)處理模塊作為圖像視頻信息采集的核心模塊，實(shí)現(xiàn)了種植場(chǎng)所農(nóng)作物生長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)及周圍環(huán)境等圖像信息的采集及傳輸。STM32F103ZET6芯片通過串口1[10]與GPRS模塊進(jìn)行連接，通過串口2與藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接，通過I2C接口與wifi模塊進(jìn)行連接，通過MAX485芯片[11]控制圖像視頻信息的采集與發(fā)送，最后直接通過相應(yīng)電平引腳調(diào)節(jié)控制傳感器數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。

具體工作流程：首先對(duì)圖像視頻傳感器進(jìn)行初始化操作，并通過控制上位機(jī)給圖像視頻傳感器發(fā)送采集指令，圖像視頻傳感器開始工作，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到MCU，MCU將采集到的信息進(jìn)行分析處理后，通過自定義的通信協(xié)議[12]將圖像數(shù)據(jù)信息封裝成一幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息經(jīng)由GPRS傳輸?shù)缴衔粰C(jī)(PC端或手機(jī)端)，由終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、可視化等。

圖像采集處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 圖像采集處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖

3 農(nóng)業(yè)墑情站圖像視頻采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)墑情站圖像視頻采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)模塊，一個(gè)是上位機(jī)顯示控制設(shè)計(jì)，另一個(gè)是下位機(jī)控制設(shè)計(jì)。下位機(jī)設(shè)計(jì)包括圖像視頻傳感器模塊的下圖像信息采集傳輸程序設(shè)計(jì)；上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及實(shí)現(xiàn)將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像同時(shí)可以向下位機(jī)發(fā)送命令(如休眠指令[13]、喚醒指令、采集頻率指令、工作方式等)。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在圖像傳感器采集圖像數(shù)據(jù)[14]時(shí)，HREF為高時(shí)進(jìn)行輸出，當(dāng)HREF變高后，每一個(gè)像素時(shí)鐘，只輸出一個(gè)字節(jié)大小的信息，所使用的是RGB格式輸出即每?jī)蓚€(gè)字節(jié)組成一個(gè)像素顏色。OV7670在VGA模式下的數(shù)據(jù)輸出時(shí)，HSYNC和HREF是由同一個(gè)引腳產(chǎn)生的信號(hào)，只是在不同的場(chǎng)合下采用不同的信號(hào)方式。文中采用外部中斷信號(hào)來捕捉幀同步信號(hào)，然后在中斷中啟動(dòng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并等待下一次幀同步信號(hào)的到來，一旦第二次檢測(cè)到幀同步信號(hào)就關(guān)閉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后一幀數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)完成，最后在主函數(shù)中將這一幀數(shù)據(jù)讀取出來，同時(shí)開啟下一幀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。具體過程如下：

首先是圖像信息采集過程：首先等待幀同步信號(hào)，接著FIFO寫指針復(fù)位并進(jìn)行FIFO寫使能，然后等待第二個(gè)OV7670幀同步信號(hào)，最后FIFO寫禁止。通過以上5個(gè)步驟，就可以完成1幀圖像數(shù)據(jù)在AL422B的存儲(chǔ)。注意：FIFO寫禁止操作不是必須的，只有當(dāng)想將一幀圖片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FIFO，并在外部MCU讀取完這幀圖片數(shù)據(jù)之前，不再采集新的圖片數(shù)據(jù)的時(shí)候，才需要進(jìn)行FIFO寫禁止。

接著是圖像讀取過程：在存儲(chǔ)完一幀圖像以后，就可以開始讀取圖像信息了。讀取過程：首先讀指針復(fù)位，接著給FIFO讀時(shí)鐘(FIFO_RCLK)并開始讀取第一個(gè)像素高字節(jié)，再給FIFO讀時(shí)鐘讀取，并繼續(xù)讀取該像素低字節(jié)，再給FIFO讀時(shí)鐘，開始下一個(gè)像素的讀取即循環(huán)讀取剩余像素，結(jié)束。

OV7670采集傳輸流程如圖3所示。

圖3 OV7670采集傳輸流程

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)[15]是屬于前端采集機(jī)，通過上位機(jī)控制圖像傳感器，采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過串口或者其他方式發(fā)送給服務(wù)端。上位機(jī)主要有如下功能：IP地址、設(shè)置波特率、奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位，停止位，信息處理提示窗口，圖像顯示窗口，圖像保存，像素大小設(shè)置。

IP地址：用于網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像。

波特率：是指數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來表示，通過設(shè)置波特率來改變圖像數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目炻?/p>

奇偶校驗(yàn)位：是指偶數(shù)或者奇數(shù)或甚至對(duì)一個(gè)數(shù)字的性質(zhì)。奇偶校驗(yàn)用在數(shù)據(jù)通信中來保證數(shù)據(jù)的有效性。

數(shù)據(jù)位：每組所傳輸幾個(gè)數(shù)據(jù)位。

停止位：是在每個(gè)字節(jié)傳輸之后進(jìn)行發(fā)送，用來幫助接收信號(hào)方硬件置位。

信息處理提示窗口：該窗口主要用于顯示錯(cuò)誤信息、所采集的幀數(shù)、采集時(shí)間等。

圖像顯示窗口：用于顯示圖像。

圖像保存：保存圖像到指定的位置。

像素大?。涸O(shè)置像素的大小，像素有720*480，360*240，1 440*960，根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇采集。

所設(shè)計(jì)的智慧農(nóng)業(yè)墑情站圖像視頻采集系統(tǒng)中上位機(jī)和下位機(jī)的通信，主要有兩種方式，一種是通過串口，即通過雙絞線RS485/232進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種傳輸方式只需要連接上數(shù)據(jù)線，并在串口中打開串口，設(shè)置好波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位、數(shù)據(jù)位等就可以直接顯示圖像；另一種方式是通過ZigBee進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一個(gè)由可多到65 535個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m無限擴(kuò)展。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。

上位機(jī)所采用編程語言為C#，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2013。最終的目的主要是控制圖像視頻的顯示，包括控制串口的波特率，奇偶校驗(yàn)位，停止位，數(shù)據(jù)位，采集頻率，保存圖像等功能。

上位機(jī)界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

該系統(tǒng)測(cè)試時(shí)主要是通過串口查看其是否能夠穩(wěn)定地傳輸圖像視頻。首先將下位機(jī)上電，連接串口，然后在上位機(jī)上打開串口，設(shè)置其波特率，同時(shí)在上位機(jī)上將數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位等進(jìn)行設(shè)置，最后得出如圖5所示的界面。可以看出圖像采集較為穩(wěn)定，清晰，能夠很好地進(jìn)行圖像視頻傳輸。

圖5 采集圖像測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)墑情站圖像視頻采集系統(tǒng)，采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)。通過自定義的通信協(xié)議將圖像傳感器模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，遠(yuǎn)程PC端、手機(jī)端有機(jī)地結(jié)合在一起。該系統(tǒng)成本低，操作方便，擴(kuò)展性強(qiáng)，通過該系統(tǒng)農(nóng)事操作人員可遠(yuǎn)程直觀地查看農(nóng)業(yè)種植場(chǎng)所的農(nóng)作物生長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)及農(nóng)作物周圍情況而不用下地查看，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。