基于嵌入式电子信息的农田信息采集系统开发

时间：2019-04-29 11:16:56 所属分类：计算机信息管理 浏览量:

摘 要: 农田信息内容丰富，既描述环境条件，也反映作物的生长状况，是进行各项农艺操作的参考依据。采集准确的农田信息，能为作物高产稳产提供保障。嵌入式技术是以计算机为基础发展起来的电子信息技术，已用于农业智能灌溉，取得了理想效果。为此，以嵌入式

　　摘 要: 农田信息内容丰富，既描述环境条件，也反映作物的生长状况，是进行各项农艺操作的参考依据。采集准确的农田信息，能为作物高产稳产提供保障。嵌入式技术是以计算机为基础发展起来的电子信息技术，已用于农业智能灌溉，取得了理想效果。为此，以嵌入式芯片为核心，设计了农田信息采集系统，采集农田气象、土壤和作物信息，并进行分析和存储。试验结果表明: 系统采集的水稻田数据与实际值差异不明显，对抽穗期的评估最为准确。系统的视屏传输达到了非常流畅的效果，图像视觉分析也可以反映水稻的生长状况。该嵌入式系统可以准确采集农田信息，为农艺操作提供了参考依据。

　　关键词: 农田信息; 采集系统; 嵌入式技术; 农艺操作

　　推荐期刊：《安徽电子信息职业技术学院学报》(双月刊)创刊于2002年 ， 本刊是安徽电子信息职业技术学院主办的拥有素质教育等十几个栏目的综合性学术期刊，注重学术研究上的开拓创新，对学术上的新观点、新理论、特别观注。主要读者对象为高等院校和职业学校的师生及有关科研院校、企业、事业单位的管理人员和科技人员。

　　0 引言

　　我国是传统农业大国，农业在国民经济和社会发展中起着不可替代的作用。要全面实现现代化，农业的现代化则首当其冲。在农、林、牧、副、渔 5 大产业中，以种植业为主的农业排在首位。农田是种植业的基础，农田的种类决定了种植的作物种类及产量。

　　农田信息内容丰富，主要由气象因子、土壤环境和生物群落组成。气象因子包括风向风速、光照强度、空气温湿度和降雨量等; 土壤环境包括土壤类型、酸碱性和含水量; 生物群落包括病虫草害和农作物。这些信息既描述环境条件，也反映作物的生长状况，是进行各项农艺操作的参考依据。采集准确的农田信息，有利于科学研究和各项农艺操作的顺利进行，为作物高产稳产提供保障。

　　传统的农田信息采集以人工调查记载为主，不仅工作量大，而且精确度不高，容易对科学研究质量和农艺操作效果造成影响。在大力发展现代智能农业的形势下，各种新型技术被开发出来，用于农田信息采集，如传感器、车载摄像机、无人机航拍和卫星遥感等。这些技术采集农田信息的效率高，实时性强，具有广阔的应用前景。不同的技术适用于不同的生态区域和信息内容，如无人机适合我国单个田块面积小、农作物品种多样的国情。无人机主要针对作物长势、缺水情况和病虫害检测，其所获得的农田信息客观准确，且覆盖范围大，较其它方法具有不可比拟的优势[1 - 3]。

　　无论采用哪种技术，都必须将所有设备整合成为一个系统，才能实现对农田信息的高效准确采集。目前，整合农田信息采集设备的核心技术有单片机、嵌入式技术和 PC 机技术，它们均能对信息采集终端进行控制。单片机的功能过于简单，以其作为核心的采集系统扩展和升级的难度较大，还会对工作的稳定性造成影响。若以 PC 机为核心，则系统的成本升高，功能冗余现象明显，不利于大规模推广应用[4]。嵌入式技术与这两种技术相比较，在系统集成上具有明显的优势。

　　嵌入式技术是以计算机为基础，针对专门的应用功能设计，软件和硬件具有较好可编辑性，兼顾了功能、成本和可靠性的专用计算机电子信息系统。嵌入式系统具有微型化、智能化和网络化的特点，直接面向用户、产品及应用，对各种性能的平衡性要求较高。另外，嵌入式系统软件使用寿命长，发展稳定性好[5]。嵌入式系统的诞生较早，在 20 世纪 60 年代便已形成最初的形态; 70 年代，嵌入式系统概念正式确立，并且随着系统复杂程度的增加，产生了对操作系统的需求; 随后，以 C 语言为首的嵌入式操作系统逐渐成熟，大幅提高了其开发的效率和速度，形成了如今多种嵌入式系统快速发展的局面。

　　嵌入式技术的应用范围涵盖了国民经济和生活的许多方面，主要包括电子消费、工农业、军事国防和通信等[6]。在具体的用途上，可以设计基于嵌入式技术的产 品 信 息 采 集 系 统，进 行 相 关 信 息 的 收 集 工作[7]。李峰等和卫建华等分别设计了基于嵌入式 Linux 和 ARM 的视频监控系统，能够实现视频图像的实时采集和传输显示，可以方便地嵌入到各种影像设备中[8 - 9]。

　　目前，嵌入式技术在农业中主要用于智能灌溉。例如，李琦以之为核心设计了温室自动灌溉和监控系统，既能提高温室的智能化水平，还可以促进作物对水资源的有效利用[10]。本文以嵌入式技术为核心，设计了一个农田信息采集系统，用于农田气象、土壤和作物信息的采集分析，以期为农艺操作的实施提供参考依据，提高农业生产的智能化水平。

　　1 总体设计和工作流程

　　农田信息采集系统以嵌入式芯片为核心，采集终端包括气象、土壤和作物信息采集模块。每个田块中安装 1 个网络节点，用于汇聚采集终端收集的农田信息，并通过无线方式传输给嵌入式芯片。嵌入式芯片上连接显示模块、控制面板和存储模块。其中，显示模块用于实时显示采集的数据，控制面板用于设定系统的运行参数，存储模块用于数据信息和分析结果的存储，以便作为农艺操作中专家决策的依据。系统的工作流程如图 1 所示。

　　

　　2 硬件组成和软件设计

　　2. 1 信息采集模块

　　气象信息的采集模块包括: TPJ - 20 型空气温湿度仪，用于测量空气的温湿度; TPJ - 32 型雨量传感器，用于采集降雨量; WTF - B200 型风速风向仪，用于测定风向和风速。每个试验区域安装 1 套气象信息采集模块，位于没有遮挡物的区域。土壤信息采集模块包括: SWR - 100 型土壤水分传感器，用于测定土壤含水量; SYT - 901 型土壤 pH 计，用于测量土壤的酸碱性。每个田块中安装 1 套土壤信息采集模块。作物信息采集模块为 V10 - IM 型高光谱相机和 DATA - LYNX 型 计 数 传 感 器。其 中，高 光 谱 摄 相 机 与 AD6673 型 A /D 转换器连接，拍摄获取田间的作物图像，由嵌入式芯片进行视觉分析; DATA - LYNX 型计数传感器记录飞行的飞虱、蛾、蚊等害虫的数量; 相机和计数传感器安装在田块边缘，均匀分布使其拍摄范围覆盖田块各个角落。

　　2. 2 无线通讯模块

　　每个田块中安装 1 个网络节点，为 CC2530 型芯片，与该田块中的采集终端通过 UART 接口进行有线连接，汇聚采集的数据信息。有线传输的线路复杂，铺设成本高，因此网络节点与核心芯片之间通过无线方式上传汇聚的信息。系统选用了 ZigBee 无线传输技术，其通信距离较远，抗干扰能力强，适应农业的自然环境。每个嵌入式芯片可以连接 15 个网络节点，接收信号的有效距离最远达到 5km。

　　2. 3 嵌入式芯片

　　系统的核心是 STC15F2K60 型嵌入式芯片，内置多媒体处理单元，可以对 MPEG - 4、H - 264 等格式的文件进行编解码，输出到 LCD 和 TV 上显示。核心芯片还配制 3D 图像加速器，实现 OpenGL 加速渲染，增强图像处理功能。嵌入式芯片外接 P64CD1 型 LCD 显示屏用于显示实时数据，JZ - 9 型矩形控制面板进行参数设定，北京宏空 HK - CRAM 型存储器用于信息和分析结果的保存。

　　2. 4 软件设计

　　系统的软件以 Linux 操作系统为基础进行搭建，根据其内核分层设计的思想，将稳定的功能源代码放置在相同的文件下。系统的模块化程序按照 C + + 语言编写，将相互关联的数据和函数作为一个有机的整体进行处理。程序编写时，先针对单个功能的模块，再将具有相近功能的模块汇总，形成对外封闭的静态函数，留下少数接口以供调用。当功能需求发生改变时，只需对相应的部分模块进行修改或更换，以降低维护的难度和更新的成本。上述设计使系统的软件代码利用率高，核心文件和源数据的安全性好。

　　系统的视频设备具有视频拍摄、信号转换、图像处理和 LCD 显示的功能，每个功能都有自身的数据和操作函数。农田作物图像被采集后转换为 LCD 能够显示的数据类型，然后基于 RGB 色彩空间进行视觉处理，将各种的颜色在显示屏上用不同的信号来区分。

　　3 试验方法及结果

　　2017 年，将该系统安装在 4 个不同的水稻种植区域，采集农田信息，以验证系统的功能。用来评价系统准确性的信息包括降雨量、土壤含水量和水稻抽穗期，分别用人工采集和系统采集。人工采集是人工调查记录，系统采集是从显示屏上实时获得，最后比较两种方式所采集的数据差异。另外，测试视频采集设备在发送 5 000 帧视频时的丢帧率及延时时间，并检验图像的视觉处理和颜色区分效果。

　　两种方式采集的农田信息如表 1 所示。由表 1 可知: 不同方式获得的 3 种信息数据接近，差异不明显; 嵌入式系统对水稻抽穗期的评估最为准确，与人工采集的结果仅相差 1 ～ 2 天。

　　

　　

　　系统的视频采集效果如表 2 所示。由表 2 可知: 对于 5 000 帧的视频数据，系统传输的丢帧率平均仅为 0. 40% ，最长延时仅为 2s，视屏采集达到了非常流畅的效果。

　　

　　对水稻图像的视觉分析结果为图 2 所示。其中，黑色区域代表叶片，白色区域代表稻穗。根据白色区域在整个图像中所占的面积比例，可以反映水稻的生长发育状况，准确评判抽穗开花时期。因此，该嵌入式系统可以完成对农田信息的准确采集，为农艺操作提供参考依据，并极大地减少信息采集的人力成本。

　　

　　4 结论

　　设计了一个基于嵌入式技术的农田信息采集系统，系统以嵌入式芯片为核心，采集农田气象、土壤和作物信息，汇聚后并通过无线方式传输给嵌入式芯片。芯片上连接显示模块、控制面板和存储模块，能对所采集信息进行显示、分析和存储。试验结果表明: 系统采集的降雨量、土壤含水量和水稻抽穗期数据与实际值差异不明显，对水稻抽穗期的评估最为准确; 系统对 5 000 帧视频数据传输的丢帧率仅为0. 40%，最长延时仅为 2s，达到了非常流畅的效果。对水稻图像的视觉分析可以反映水稻的生长发育状况，准确评判抽穗开花时期，因此该嵌入式系统可以完成对农田信息的准确采集，为农艺操作提供参考依据。

　　参考文献:

　　[1] 杨贵军，李长春，于海洋，等. 农用无人机多传感器遥感辅助小麦育种信息获取[J]. 农业工程学报，2015，31( 21) : 184 - 190.

　　[2] 张波，罗锡文，兰玉彬，等. 基于无线传感器网络的无人机农田信息检测系统[J]. 农业工程学报，2015，31( 17) : 176 - 181.

　　[3] 闵文芳，江朝晖，李想，等. 基于无人机平台和图像分析的田间作物检测[J]. 湖南农业大学学报: 自然科学版， 2017，43( 2) : 212 - 216.

　　[4] 刘飞天，李志球，韦建海，等. 基于嵌入式技术的智能排灌系统设计与实现[J]. 装备制造技术，2015 ( 10) : 220 - 222.

　　[5] 刘瑞安. 嵌入式系统的特征、研究概况与设计实现[J]. 自动化与仪表，2004，19( 3) : 5 - 8.

　　[6] 高立军. 嵌入式技术的实际应用技术和前景探讨[J]. 信息系统工程，2016( 2) : 40.

　　[7] 赵欣. 刍议嵌入式电子信息产品检测信息采集系统设计[J]. 魅力中国，2014( 12) : 104.

　　[8] 李峰，秦嘉凯. 基于嵌入式 Linux 的实时网络视频监控系统[J]. 视频应用于工程，2011，35( 23) : 145 - 148.

　　[9] 卫建华，邓云兵，高赕，等. 基于 ARM 的嵌入式视频采集系统的设计与实现[J]. 现代电子技术，2016，39( 3) : 30 - 34.

　　[10] 李琦. 基于无线嵌入式技术的温室自动灌溉监控系统的设计与研究[D]. 杭州: 浙江大学，2012

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