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基于嵌入式电子信息的农田信息采集系统开发

发布时间:2019-01-24 15:47所属分类:理工论文浏览:1

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

  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

信息系统工程

  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。

  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5000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。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5000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.

  相关期刊推荐:《信息系统工程》杂志是由天津市发展和改革委员会主管,天津市信息中心主办、国家信息中心及各省市信息中心为支持单位的科技类月刊,国家经济信息系统核心期刊、中国核心期刊(遴选)数据库入选期刊、CNKI中国期刊全文数据库收录期刊。

  

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