基于3G和ARM嵌入式系統的農作物圖像信息定時采集系統

梁萬杰　曹宏鑫

摘要：為獲得農作物生長過程的圖像信息、滿足農作物生長過程監測和病蟲草害監測的應用需求，同時減少圖像數據遠程傳輸流量費用，設計開發了一個基于ARM嵌入式平臺、OV9650圖像傳感器及3G無線模塊的農作物圖像信息定時采集和管理系統。本研究在較成熟的硬件集成系統基礎上，實現功能完善的農作物圖像采集節點軟件系統；同時設計實現了基于中間件和WEB技術的服務端應用管理系統。應用結果表明，系統運行穩定，能按設定的時間連續獲取農作物生長圖像信息，分辨率高達1 280×1 024，獲得的圖像質量可滿足應用需求；按1幀d圖像計算，1個月的流量僅78 MB。

關鍵詞：農作物圖像；ARM嵌入式系統；3G網絡；圖像傳感器；圖像信息定時采集系統

中圖分類號： TP3914；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0259-04

收稿日期：2017-02-08

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金探索類項目編號：CX（13）5060]；江蘇省農業科技自主創新資金編號：CX（15）1002]。

作者簡介：梁萬杰（1980—），男，河南商丘人，博士，副研究員，研究方向農業物聯網關鍵技術及其應用。Tel：（025）84390193；E-mail：wanjieliang@163com。

通信作者：曹宏鑫，研究員。Tel：（025）84391210；E-mail：caohongxin@hotmailcom。

隨著農業信息化技術的飛速發展，農作物圖像及其處理和模式識別技術逐步在農作物病蟲害診斷、農作物營養元素缺失識別診斷、農作物草害識別、監測農作物生長等農業領域得到了廣泛應用研究，并取得了較好的應用成果1-4]。但農作物圖像信息的傳統獲取方法大多是采取人工定點定時用相機拍照的方式，這種方法一般效率低、范圍小、實時性差5]。隨著現代農業信息技術的不斷發展，越來越多的采集系統應用到農作物圖像信息采集，該類系統按信息傳輸方式可分為有線和無線2種6]。有線采集系統多應用于農作物視頻信息采集，一般情況下，由于視頻監控圖像拍攝的環境較為復雜以及圖像在傳輸、解碼、存儲等過程中時常混入一定程度的隨機噪聲，導致所獲取的圖像清晰度不高、工程量大、布線困難且費時費力等問題7-9]。無線采集系統作為一種新的數據信息獲取技術，具有方便靈活、自組網、體積小等特點10-12]，但存在流量費用高的問題13]。隨著傳感技術、無線網絡技術的不斷發展以及ARM運算能力的不斷增強，基于無線網絡和ARM的農作物圖像采集系統研究不斷增多。史國濱等基于嵌入式系統和GPRS網絡設計和實現了一個農作物圖像及溫濕度無線遠程監測系統14]。肖德琴等提出一種基于ARM、CMOS圖像傳感器和嵌入式Linux操作系統的高分辨農作物圖像采集節點的設計方案，并取得了較好的應用效果15]。姚仲敏等采用支持ZigBee協議的JN5139模塊和串口攝像頭PTC08模塊相結合，不外加協處理器的情況下實現了基于ZigBee的溫室圖像采集和無線傳輸系統16]。殷建軍等基于嵌入式處理器芯片S3C6410、CMOS圖像傳感器OV5640、自行設計的機械式濾光片轉換裝置以及3G通信模塊，實現了一個低成本、多光譜農作物圖像遠程采集系統，并取得了較穩定的驗證結果17]。本研究針對農作物生長監測、病蟲害草害監測等應用需求，及降低數據流量費用的目標，提出一個基于ARM嵌入式平臺、OV9650圖像傳感器及3G無線模塊的農作物圖像信息定時采集和管理系統，并對圖像采集節點系統集成、采集節點軟件系統、圖像采集管理系統進行了詳細的設計。在硬件集成系統的基礎上，綜合應用V4L2（Linux視頻設備驅動框架）、套接字編程技術、多線程編程、C語言等技術、數據庫技術、Hadoop開發技術、J2EE等技術，開發了一套農作物圖像信息采集管理系統并取得了較好的應用效果。

1系統整體架構

系統主要由CMOS圖像傳感器、ARM嵌入式平臺、網絡設備、數據中心、管理系統和客戶端等組成，其結構如圖1所示。CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，是實現圖像采集的重要部件，其通過CMOS接口與嵌入式平臺相連，并受嵌入式平臺控制獲取農作物圖像。嵌入式平臺的作用是定時采集農作物圖像，然后對圖像進行融合、質量判別和壓縮，并在收到農作物圖像信息采集管理系統的圖像數據獲取指令后，把處理好的圖像數據通過3G網絡傳送到數據中心。農作物圖像信息采集管理系統負責圖像采集節點管理、圖像數據獲取指令發布并接收數據、進行圖像處理，并對用戶提供圖像檢索、農作物長勢分析、病蟲害分析等服務。用戶可通過客戶端（臺式機、手機、PDA等）訪問農作物圖像信息采集管理系統，完成對圖像采集節點的管理、圖像檢索、農作物長勢分析、病蟲害分析、草害分析等應用。

2硬件系統及接口

本研究選用飛凌OK6410開發板作為圖像采集平臺，該平臺的內核是三星集團的S3C6410，處理器主頻533 MHz，擁有256 MB內存和1GB NAND FLASH，同時具備豐富的外設資源，能滿足圖像采集和壓縮的要求。CMOS圖像傳感器芯片采用豪威科技（上海）有限公司的OV9650，其最大分辨率為130萬像素（1 280×1 024）。3G通信模塊選擇中興FIT-3G-AD3812，該模塊接口支持所有mini PCI Express（全高型）接口；支持WCDMA、GSMGPRSEDGE網絡，下載速度最高可達72 Mbits，上傳速度可達2 Mbits，支持上網，收發短信功能，支持AT命令。

由圖2可知，整個圖像采集節點主要由系統控制模塊和供電模塊組成。其中，控制模塊以S3C6410核心板、NAND FLAH、SDRAM以及外圍電路構成，同時以COMS接口和USB接口分別與圖像采集模塊和3G通信模塊連接?？刂颇K初始化并啟動圖像采集模塊進行圖像采集，然后通過mmap對象映射的方式把圖像讀取到內存?？刂颇K對圖像進行融合、圖像質量判定、圖像壓縮后，通過3G通信模塊把數據發送到服務器端并在SD卡對圖像進行備份?？刂颇K還可以接收服務端的指令，實現對圖像傳感器參數的設定、重啟關閉圖像傳感器等功能。endprint

3軟件系統設計

軟件系統的設計要充分考慮硬件系統的特點和拓撲結構，不僅要滿足系統的功能要求，還要滿足用戶對系統操作的方便性和友好性。本研究提出的軟件系統主要分為圖像采集節點軟件系統和基于WEB的圖像信息采集管理服務系統2個部分。

31圖像采集節點軟件系統

圖像采集節點軟件系統架構如圖3所示。圖像采集節點加電啟動后，自動啟動圖像采集服務。服務啟動后首先創建1個圖像采集線程，同時創建套接字服務等待接收服務端指令。圖像采集線程首先打開圖像傳感器，并對傳感器進行初始化啟動讀寫采集模式，通過mmap對象映射的方式把圖像讀取到內存，獲得1幀農作物圖像，間隔一段時間再獲取1幀圖像，直至獲取多幀不同時間段的農作物圖像后，對多幀圖像進行數據融合；然后對融合后的圖像進行質量判定，如果圖像質量不達標則重新獲取圖像并進行融合處理，直到達到設定的圖像標準；質量達標后對圖像進行壓縮處理，收到圖像獲取指令后，把圖像傳輸到圖像采集服務端。套接字服務接收圖像采集服務端套件字連接，并為每次連接建立獨立的處理線程；處理線程根據服務端指令分別完成圖像采集、圖像傳感器重啟、圖像傳感器參數設置、關閉圖像傳感器等操作，并把數據或操作結果返回服務端。

32圖像采集服務端軟件系統

服務端系統有實現與圖像采集節點直接通信的中間件和基于BS架構的WEB管理系統兩部分組成。其中，中間件的主要功能包括建立與圖像采集節點間的通信、定時從采集節點獲取圖像、轉發WEB管理系統的節點管理操作指令。農作物圖像定時采集系統管理系統架構如圖4所示。系統架構采用MVC架構，做到表示層和業務邏輯層分離，使美工擺脫復雜的業務邏輯關系，而只注重界面設計的美工和易操作性；同時業務邏輯編程人員只須注重業務邏輯關系的實現，從而開發出功能完善、執行效率高、運行穩定的軟件系統。系統架構分為數據層、業務邏輯層和應用層3層。其中，數據層主要由關系數據庫和Hadoop云存儲系統組成。關系數據庫主要用來存儲用戶信息、菜單信息、系統參數、日志及其他結構性數據；云存儲系統主要用來存儲圖片、圖片處理中間結構等非結構或半結構信息。業務邏輯層主要實現圖像檢索、模式識別、圖像信息挖掘、圖像信息分析等算法以及傳感器節點管理、參數設置、圖像定時采集等功能。應用層是直接面向用戶的接口，主要實現的功能包括用戶管理、通用工具、菜單管理、系統參數管理、修改密碼、圖像信息查詢、作物長勢分析、病蟲害分析、草害分析等功能。系統界面同時實現了計算機版和手機PDA終端版。

4系統實現與應用

系統軟件的實現包括圖像采集節點、數據采集中間件和管理系統3個部分。其中，圖像采集節點軟件系統主要基于OV9650驅動、V4L2（Linux視頻設備驅動框架）、套接字編程技術、多線程編程、C語言等技術實現，數據采集中間件采用C語言、數據庫技術、Hadoop開發技術、套接字編程技術、多線程編程技術等技術實現，管理系統實現方面采用Tomcat服務器作為WEB服務器，關系數據庫采用Mysql數據庫，Hadoop與存儲操作方面采用基于Java的開發技術，同時采用J2EE系統解決方案來實現系統開發。Tomcat和Mysql均為開源的WEB系統解決方案，其功能完善、技術成熟、用戶界面友好。J2EE架構是應用較廣泛的WEB系統解決方案，采用EJB組件實現業務邏輯層開發，可以提高代碼的重復利用率，從而提高系統的開發效率，同時采用Struts架構實現表示層與業務邏輯層的分離，使表示層只須注意界面美工和操作功能的實現；表示層主要用JSP、Javascript等技術實現。圖5為圖像信息檢索的用戶界面。

本研究在江蘇省農業科學院溧水植物科學基地進行部署應用，經過一段時間的運行和調試，系統運行穩定，并按設定的時間定時采集農作物圖像信息。以最高分辨率（1 280×1 024）采集農作物圖像，以無壓縮、24位圖像深度的bmp圖像CM（25]格式，圖像的大小是375 MB幀，壓縮后大小可減小到26 MB幀。按1 d獲取1幀圖像計算，1個月的數據流量是 78 MB。在對圖像質量要求不高的應用流域，可以采用GIF、PNG、JPG等圖像格式，將更大幅度地降低數據流量。從圖5可以清晰地看到玉米植株的莖、葉、雄穗等，此外還可以看到雄穗的很多細節。應用結果表明，采集的圖像可以滿足作物長勢分析、病蟲害草害分析等應用的需求，同時可以較大幅度地降低數據流量，減少系統運行成本。

5結論

本研究為實現農作物圖像信息的定時采集、圖像信息管理及應用的需求提出了一套系統軟硬件設計和實現方案，采用飛凌OK6410開發板結合OV9650圖像傳感器實現圖像采集節點的設計方案，其軟硬件技術較成熟、系統較穩定，且可實現較復雜的應用系統。在圖像采集節點軟件功能設計方面，實現了圖像的融合、質量判定、圖像壓縮及定時采集等功能。因農作物生長速度緩慢，周期性采集農作物生長圖片信息，即能滿足作物生長監測、病蟲害監測等應用的需要，同時又能減少數據的流量，節約系統運行費用。在服務端軟件方面分別提出了數據采集中間件以及管理系統設計和實現方案，中間件的設計可以有效分離硬件和軟件系統，實現自動控制功能，同時提高軟件系統的兼容性、可移植性和可擴展性。經過實際應用及用戶操作體驗調查發現，系統用戶界面友好，應用方便快捷，系統運行穩定，同時能實現農作物圖像信息定時采集，滿足作物長勢分析、病蟲害分析、草害分析等應用需求。但本系統的主要目標是實現農作物圖像的定時采集，在圖像應用方面的研究較少，下一步須要進一步擴展系統的應用功能，并對農作物圖像信息挖掘、模式識別算法進行深入的研究，進一步提高農作物長勢監測、病蟲害識別、草害識別的精確度、自動化及智能化水平。

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