基于Qt的農田信息監測系統研究與實現

史興燕，李俊霞

(河南農業職業學院電子信息工程系，河南 鄭州 451450)

21世紀飛速發展的世界經濟和不斷增長人口，使世界各國面臨的糧食危機越來越嚴重。2009年的羅馬世界糧食安全峰會聲明:“為了能夠持續解決世界糧食安全問題，到2050 年，……，需每年增產4400 萬噸糧食。”［1］也就是說，今后每年需要在現有糧食增長規模的基礎上再增產38%并再持續發展40年。要實現這一目標，就必須不斷改革農藝學、作物育種學等傳統技術［2］。

穩定可靠的作物生長環境是世界糧食增產的基本前提。全球CO2濃度的升高、土地沙漠化和鹽堿化面積的增加等生態問題正日益侵蝕生產農田，并進一步導致水土流失、生物多樣性破壞、糧食作物減產等負面效應。如何在可用耕地面積不斷減少、作物生態環境日益惡化的情況下，更為有效地降低病蟲害發生率，調控作物生長影響因素，實現農作物尤其是糧食作物的豐產和增產，已成為現代農業亟需解決的一個重要科學問題［1－3］。

為解決上述問題，本文基于精細農業的思想和Qt應用程序框架，設計實現了一套農田信息遠程數字化監測系統，通過采集溫度、濕度等影響田間作物生長的因素和實時圖像信息，為分析制定科學的作物田間澆灌、施肥、施藥及異常信息預警管理平臺提供技術支撐。

1 精細農業關鍵技術分析

精細農業［1］是基于信息采集和知識處理的現代農業技術，其本質是一種以知識為基礎的農業管理信息體系。該過程可以描述為:在動態、實時獲取農田水、肥、溫度、光照、病蟲害等農作物信息的基礎上，分析診斷作物長勢與產量之間的時空差異，指導灌溉、施肥、噴藥時機，提高水、肥、殺蟲劑的單位利用效率，降低環境污染，從而獲得最佳的經濟效益和生態效益。

從精細農業技術的具體實施過程而言，主要包括農田信息獲取、信息管理與分析、決策分析和決策的田間實施4個部分［2］。田間信息的獲取則主要有傳統采集法、田間GPS采集法、智能農機作業法和多平臺遙感法4種方法［3］。可見，農田信息獲取是精細農業后續實施步驟的基礎和重要環節，將對決策系統的總體實施效果起到決定性因素。

今天，計算機技術和“3S”(遙感技術RS、地理信息系統GIS、全球定位系統GPS)技術的發展已使農田信息監測向數字化、智能化和網絡化方向邁進。在農業成果的推廣實踐過程證明，為了能夠快速、實時地提供后續數字化決策依據，成本低、復用能力強、實時性好的產品具有較好的實際應用，這又使監測設備逐步向基于嵌入式和網絡技術的遠程信息系統發展。

2 下位機開發環境的建立

2.1 系統總體技術框架

由于農業田間現場的氣候復雜多變，這就要求監測系統必須能夠適應應用現場的環境要求。鑒于以微處理器為控制中心的嵌入式控制系統已在工農業自動化、國防、航天等領域取得了廣泛的應用，且具有可遠程實時監控、后期維護成本低、軟硬件擴展性良好等優點，本文選用基于ARM9芯片的韓國三星S3C2440嵌入式微處理器作為系統的硬件控制核心，選擇Linux操作系統作為嵌入式系統的軟件開發平臺;然后，通過外圍電路、攝像頭、溫度傳感器等構成信息采集硬件平臺，以從總體上實現軟硬件開發成本和開發難度的降低。系統的總體技術架構如圖1所示。

圖1 遠程監測系統的總體技術架構圖

2.2 監測節點的硬件平臺

監測系統選用飛凌公司的OK系列目標板作為硬件開發平臺，以使監測系統能夠擁有較好的穩定性、兼容性和數據處理能力。如圖2a所示，在硬件系統開發調試過程中，其嵌入式服務器平臺主要由嵌入式微處理器S3C2440、存儲器、電源和時鐘模塊、外圍電路及接口、3.5 in(1 in=2.54 cm)液晶顯示屏(帶觸摸功能)、ZC0301攝像頭和DS18B20溫度傳感器等硬件模塊。各硬件的參數和主要功能如下:

1)基于S3C2440的飛凌OK2440－Ⅲ目標開發板是系統的控制核心和嵌入式硬件開發平臺。S3C2440的ARM9處理器主頻400 MHz(可倍頻至533 MHz)，板載集成網絡控制接口和DMA網絡通道，擁有64 Mbyte的ROM和NAND Flash，并提供SD 卡、USB HOST、IDE 硬盤、LCD觸摸屏和攝像頭接口;5 V電源供電系統。

2)攝像頭采用中芯微ZC0301，它擁有301PLUS快速高性能圖像壓縮主控芯片，可輸出高清晰MJPEG視頻圖像數據，并有圖像數據壓縮(壓縮率可達6∶1)和傳輸功能;工作電壓3.3 V，電流200 mA，功耗較低。

圖2 檢測系統硬件平臺構建

3)溫度傳感器采用Dallas公司的單總線數字式溫度傳感器DS18B20，具有結構簡單、成本低、操作方便等特點。該傳感器可通過一根I/O數據線實現供電和數據傳輸兩種功能，抗干擾能力強;此外，溫度的轉換時間可根據分辨率自動調節:分辨率為9位時，轉換時間為93.75 ms;10位時為187.5 ms;12位時則可達750 ms。

在圖2b中，給出了農田監測系統硬件搭接后在實驗室進行開發測試的工作場景。為了能夠提高溫度、濕度和圖像的采集效率，在實驗室內組建了一個微型溫室，通過快速更換“室內”空氣的溫度和土壤內的水份含量，測試各監測設備的靈敏度并校正其偏差度。

2.3 軟件開發環境

監測系統的軟件程序是有效控制硬件平臺中各傳感器和集成設備的關鍵。因此，軟件開發應包括兩個步驟［4］:1)移植嵌入式系統;2)開發監測設備的控制程序。

2.3.1 建立嵌入式開發環境

通過PC主機(host)為基于Linux OS的目標板(target)上開發農田信息監測軟件，因host和target的體系結構不同，需要先為其建立交叉編譯環境。這一過程可以分為兩步:

1)建立交叉編譯工具鏈。首先需要確定target的平臺名稱(這里是arm－linux－gnu)，然后構建交叉編譯工具鏈的工作環境及其包含的目錄等，最后通過分步驟的手工編譯或者腳本編譯即可。

2)為host和target之間建立網絡文件系統(Networking File System，NFS)。這一步驟中包括對target的網卡設置、啟動NFS服務等操作，以實現本地文件可通過網絡進行輸出或者由遠程計算機通過mount命令進行掛載訪問。

這樣即可實現農田監測系統在host與host、host與target之間的文件資源共享或下載，為后續的監測數據接收和發送提供底層實現接口。

2.3.2 移植BootLoader

BootLoader是嵌入式系統加電運行后的第一段代碼，也是系統的引導加載程序，類似于PC機的BIOS程序［4］。由于BootLoader具有硬件依賴性，導致不同的BootLoader僅適于不同的硬件體系，故在移植BootLoader時需依據target中的設備而在操作系統內核中進行支持配置，如U－Boot，VIVI，ARMboot等。考慮到目標板主要基于三星公司的系列芯片，故而BootLoader選用VIVI。

在監測系統中移植BootLoader的步驟主要有:首先，對下載的VIVI源碼包進行解壓，修改其Makefile文件和分區信息，實現設備信息的配置;然后，通過交叉編譯器完成VIVI的編譯并獲得生成的映像文件;最后，通過host上的JTAG接口和sjf2440.exe工具，將生成的映像文件燒寫到target上。

2.3.3 編譯嵌入式系統內核

嵌入式系統的性能很大程度取決于內核的功能［4］。由于本文所采用的Linux內核具有較好的硬件獨立性，故可方便地對其內核進行裁剪和配置，主要包括:1)對CPU、U盤驅動、串口驅動、MMC/SD卡驅動、觸摸屏驅動、USB攝像頭驅動、網卡驅動和YAFFS文件系統等選項的修改配置;2)通過#make dep和#make zImage命令開啟內核編譯進程;3)獲得Linux內核的壓縮映像zImage。

2.3.4 Qt的移植

Qt［5］最初是一個跨平臺的圖形用戶接口(GUI)工具包。由于Qt自身良好的跨平臺特性，現已發展成類庫、開發工具和集成開發環境(IDE)為一體的應用框架，可輕松實現應用程序在PC、移動平臺和嵌入式設備上的“一次編寫，隨處編譯”。

Qt for Embedded Linux(前期稱為 Qtopia)［6］是一個基于Linux的全方位應用程序開發平臺，可方便地為嵌入式設備提供和創建GUI。通過設置交叉編譯器的編譯選項和Qt的環境變量后，即可利用make命令完成Qt的交叉編譯，從而實現Qt的移植。

經過上述步驟，全部移植工作就結束了。但對于target而言，還需加載YAFFS類型的嵌入式文件系統以避免內核恐慌［7］，并由此實現硬盤、U盤的管理和維護。最后，再次利用sjf2440.exe工具將文件系統寫入目標板，并最終完成整個嵌入式系統平臺的構建工作。

3 服務器端信息監測應用程序的開發

本文中，農田信息的監測主要是指溫度、濕度和圖像數據的采集。在軟件算法上，為降低冗余噪聲信息所占用的數據傳輸帶寬，在所設計的采集節點處，由嵌入式服務器應用程序首先會對數據信息進行濾波處理:以10個采樣時間片段內的采樣值為基準，后續采樣數據與其對比，如果超過該基準值的2倍，則認為是無效采樣值而予以舍棄，并同時調用重新采用命令進行二次采樣;否則，則認為該采樣值有效，通過網絡將采樣數據傳回監控中心服務器。

嵌入式目標板中已有的Qt應用程序開發環境為快速開發處理程序提供了極大便利。在利用上述方法構建的嵌入式設備應用程序開發中，可較好地避免編寫大量代碼而僅實現應用程序較少功能的局面。在基于Qt的嵌入式開發環境下，要快速處理鍵盤、鼠標甚至觸摸屏的輸入事件，可直接調用Qt類QWSKeyboardHandler的函數processKeyEvent()、pro－cessKeycode()等或對其予以重載而快速實現自定義設備的數據輸入或者其他擴展功能。

在Qt應用程序的開發方面，可直接基于QtCreator集成開發環境實現應用程序的開發。其主要流程如圖3所示。這一過程中用到的工具有:跨平臺的Makefile生成器tmake;元對象編譯器moc;將UI文件生成C++代碼的界面編譯器uic;用戶界面設計師QDesigner;以及Qt for Embedded Linux模塊中的qvfb，qpe等，它們為嵌入式平臺下開發各類應用程序提供了極大的便利，并使host上開發的代碼可直接在target上編譯運行。

圖3 使用QtCreator IDE開發應用程序流程

利用Qt開發環境和上述流程，可以方便地開發出基于Qt的農田信息監測系統。圖4給出的是集成了Qt和GIS［8］軟件的系統運行效果。

圖4 基于Qt的農田信息程序運行效果(截圖)

4 結束語

基于三星S3C2440微處理器的飛凌公司ARM9目標板為農田信息監測系統的控制平臺，使用嵌入式Linux操作系統和溫度、濕度傳感器及攝像頭，采集處理了田間作物的基本生長信息，通過有線網絡實現了數據信息的實時傳輸，構建了一套遠程數字化監測系統。

在該系統的初始設計時期引入Qt應用程序框架，不僅有利于設計出簡單易用的人機交互界面，來滿足當今農業工作人員計算機水平普遍不高的現實需求，還有利于化解嵌入式設備事件響應處理困難的局面，以充分利用Qt類庫來實現監測系統的并發處理功能和后續擴展兼容能力，為精細農業在田間實施規范化施肥、用藥和預警管理提供科學依據。

在系統的下一步開發中，在保證系統通信穩定性的基礎上，將通過重用現有ARM9目標板的軟硬件模塊并引入GPRS無線模塊來實現遠程監測信息的實時無線傳輸。

［1］于幫偉，鄧華秋.基于Qt/Embedded的嵌入式數字監控系統控制界面的實現［J］. 電視技術，2011，35(24):25－28.

［2］姚建松，劉飛.數字農業田間信息獲取技術研究現狀和發展趨勢［J］.農機化研究，2009，8(8):215－220.

［3］樊豐義.基于嵌入式Linux的農業遠程監測系統的研究［D］.咸陽:西北農林科技大學，2010.

［4］周春喜，唐軍，金心宇.面向目標跟蹤的混合WMSN設計與實現［J］.計算機工程與應用，2011，47(2):52－56.

［5］BLANCHETTE J，SUMMERFIELD M.C++GUI Qt4編程［M］.2版.閆鋒欣，曾泉人，張志強，譯.北京:電子工業出版社，2008.

［6］于幫偉，鄧華秋.基于Qt/Embedded的嵌入式數字監控系統控制界面的實現［J］. 電視技術，2011，35(24):25－28.

［7］包乃蘭.基于嵌入式PC/104的礦山監測系統設計與開發［D］.天津:河北工業大學，2004.

［8］姜代紅，戴磊.Dijkstra算法在嵌入式GIS中的改進與研究［J］.計算機工程與應用，2011，47(31):209－211.