基于STM32的稻縱卷葉螟監(jiān)控統(tǒng)計(jì)裝置設(shè)計(jì)

丁林++張輝

摘 要：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科研生產(chǎn)中對于生物防治農(nóng)業(yè)病蟲害的研究日益深入，合理地利用害蟲的天敵來減輕病蟲害對作物生長過程的危害已成為科技工作者研究的重要目標(biāo)。然而現(xiàn)有的技術(shù)手段無法高效可靠地獲取作物生長過程中病蟲害發(fā)生的時(shí)間、位置、蟲害數(shù)量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也因此無法確定蟲害天敵的布放時(shí)機(jī)、數(shù)量、布放位置等，嚴(yán)重地制約著生物治蟲在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用。提出了一種基于STM32的稻縱卷葉螟監(jiān)控測量裝置，為在農(nóng)田等不宜架設(shè)大型設(shè)備的環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控統(tǒng)計(jì)病蟲害提供了有效可靠的測量方法。

關(guān)鍵詞：生物治蟲 STM32 實(shí)時(shí)監(jiān)控 稻縱卷葉螟

中圖分類號：S47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0013-02

隨著現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)概念的普及，“以蟲治蟲”的方法也逐漸成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)公司、科研院所等關(guān)注的重點(diǎn)。而要采用“以蟲治蟲”的方法來減少病蟲害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害，就得對作物生長過程中，出現(xiàn)的病蟲害種類及數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定整個(gè)作物生長過程中需要投放的樣本數(shù)目。該文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的便攜式圖像監(jiān)控裝置，通過在圖像信息中疊加裝置所處位置的GPS信息和姿態(tài)信息，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的病蟲害數(shù)據(jù)，為一線工作人員提供第一手統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前常用的圖像信息采集和處理的方案主要有兩種：一種是利用CCD圖像傳感器和圖像采集卡；另一種則是采用CCD或CMOS圖像傳感器，利用DSP、FPGA、ARM等專業(yè)芯片進(jìn)行處理。該文采用嵌入式處理器及CMOS圖像傳感器作為本裝置的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)將當(dāng)前時(shí)刻，設(shè)備的地理位置和姿態(tài)信息疊加到圖像信息中，便于工作人員對目標(biāo)區(qū)域的定位與劃分。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要有嵌入式處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊及供電系統(tǒng)四部分組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊由圖像傳感器、GPS模塊及姿態(tài)測量模塊三部分組成。

嵌入式處理器是整個(gè)系統(tǒng)的大腦。目前，世界上已有超過30個(gè)系列，1000余種具有不同功能和優(yōu)勢的處理器。STM32微控制器是基于ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核而推出的系列，該系列采用ARMv7指令集，3級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大，功耗較低，性價(jià)比極高，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、工業(yè)監(jiān)控等各領(lǐng)域[1]。本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6處理器作為裝置的運(yùn)算處理核心。

圖像傳感器選擇方面，與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器可直接輸出數(shù)字信號，成本低廉，采集速度和效果可以滿足一般的設(shè)計(jì)需求等特點(diǎn)，在低成本應(yīng)用方面具有較大的優(yōu)勢。因此本文采用的是OV7725圖像傳感器作為圖像信息的采集模塊。OV7725是由OV公司推出的具有高信噪比、微光靈敏度高的CMOS圖像傳感器。該傳感器提供了D7～D0的8位數(shù)字像素信號、VSYNC幀同步信號、HREF行同步信號、PCLK像素同步信號以及SCCB總線寄存器配置信號、XCLK工作時(shí)鐘信號等，可對傳感器的不同數(shù)據(jù)輸出格式、圖像分辨率、自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)增益控制、自動(dòng)白平衡以及飽和度、亮度、對比度等進(jìn)行配置，支持8bitYUV/YCbCr 4：2：2、RGB565/555/444等多種格式的圖像數(shù)據(jù)。由于OV7725的時(shí)鐘頻率較高，為了保證圖像信息的連貫性，采用了FIFO AL422B作為數(shù)據(jù)的緩沖，減輕了CMOS的控制及時(shí)序關(guān)系給處理器帶來的負(fù)擔(dān)。

GPS模塊采用U-BLOX NEO-6M-001模組。該模組定位精度最高可達(dá)2 m，熱啟動(dòng)與輔助啟動(dòng)首次定位時(shí)間優(yōu)于1 s，輸出的GPS數(shù)據(jù)格式采用NMEA0183協(xié)議，控制協(xié)議為UBX協(xié)議，用戶通過UART的方式可以很方便地提取GPS數(shù)據(jù)。

姿態(tài)測量單元采用六軸高精度陀螺加速度計(jì)MPU6050，該單5143可以兼容3.3 V/5 V嵌入式系統(tǒng)。模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，可在動(dòng)態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)，精度可達(dá)0.01 °，穩(wěn)定性高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32系列芯片支持Keil編程環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境擁有很強(qiáng)的兼容性，支持51系列、ARM系列、STM32系列單片機(jī)，支持C語言、匯編語言編程[2]。同時(shí)Keil包含了C編譯器、宏匯編、庫管理和仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，提升了編程人員的軟件編譯效率。系統(tǒng)軟件的編寫采用移植性好、可讀性高、邏輯清晰的C語言完成（如圖1）。

3.1 圖像采集程序設(shè)計(jì)

OV7725輸出圖像時(shí)是以一幅圖像為一幀，其幀時(shí)序（也稱場時(shí)序）由多個(gè)行時(shí)序組成。因此圖像采集程序的設(shè)計(jì)思路為：STM32采集OV7725的幀同步信號為中斷信號，當(dāng)捕捉中斷信號時(shí)，拉高WER管腳電平，將整幅圖像的數(shù)據(jù)存入FIFO；當(dāng)再次捕捉到中斷信號時(shí)，關(guān)閉中斷使能，拉低WER電平，開始讀取FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用處理，完成后，重新開啟中斷使能。

3.2 GPS接收模塊軟件設(shè)計(jì)

GPS模塊的通信接口為UART方式，采用NMEA-0813協(xié)議，數(shù)據(jù)輸出格式為ASCII碼流。系統(tǒng)接收機(jī)格式為：串口通信速率為9600bps，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗(yàn)，1位停止位或起始位。本裝置采用的GPS定位信息為$GPRMC（推薦的最小具體定位數(shù)據(jù)）[3]，如圖3所示）。

3.3 姿態(tài)模塊軟件設(shè)計(jì)

MPU6050模塊的通信接口為UART方式，采用hex碼直接輸出。系統(tǒng)接收機(jī)格式為：串口通信速率為115200bps，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗(yàn)，1位停止位或起始位（如圖4）。

4 裝置測試及結(jié)果

裝置硬件、軟件確認(rèn)無誤后，將程序下載至核心控制芯片中，將設(shè)備放置于農(nóng)田中進(jìn)行測試，獲取測試圖像。將測試圖像通過本裝置配套的圖像讀取軟件進(jìn)行判斷，可以獲得圖像及其相關(guān)的地理位置信息，如圖5所示。

測試結(jié)果表明：本裝置可以較好地應(yīng)用于稻田卷葉螟的監(jiān)控測量，通過本裝置的數(shù)據(jù)，工作人員可以直觀地獲取特定區(qū)域特定時(shí)間蟲害的活動(dòng)規(guī)律。

5 結(jié)論

本裝置通過STM32將圖像傳感器、GPS定位模塊、姿態(tài)模塊等傳感器的數(shù)據(jù)融合在一起為農(nóng)業(yè)病蟲害的監(jiān)控測量提供了一種新的測量方法，并取得了較好的測試結(jié)果。在之后的運(yùn)用中，可以通過選擇性能更高的傳感器以及核心控制芯片，不斷提高本裝置的應(yīng)用性能，從而更好地滿足農(nóng)業(yè)病蟲害防治領(lǐng)域的測量需求。

參考文獻(xiàn)

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