基于ARM的田間圖像采集系統設計

李佳, 金永亮

(1. 西安職業技術學院； 2. 慶安集團有限公司， 西安 710000)

0 引言

現代信息技術的發展，為我國農業現代化發展帶來了巨大的契機。如今，智能化的信息技術在農業生產中的得到普遍的推廣，將現代信息技術融入農業生產，對農村經濟的發展有著極其重要的意義。尤其是現代農田監控系統的對農業的生產意義重大。為此，筆者基于ARM，設計出專業進行田間圖像采集的遠程系統。利用計算機、傳感器等設備進行圖像的采集，對農田中的作物長勢進行實時的監控、跟蹤以及分析。以便于農民及時的采取各類農業措施，促進農作物的生長，不斷提高我國農產品的產量。

1 田間圖像采集系統設計要求

要想設計出較為完備的，可用于農業田間圖像采集的系統，就必須按照相關的設計要求，有針對性的進行系統設計。而結合農田數據采集要求，該系統的設計要求如下：

第一，該系統在進行設計時應該著重考慮將農田的特點，如防灰塵、耐高低溫等等。

第二，在電池設計上，盡量采用供電時長的太陽能電池，環保又高效。

第三，在設計采集器時，應盡量的提升其擴展性能。例如其儲存空間的拓展、軟件更新拓展、測量要素拓展等等。

第四，該系統的圖像采集系統應注重對時鐘的設定，盡量避免系統供電不足造成時間不準。

第五，注重采集器的互換性，如傳感器的互換、外部設備的互換、電纜的互換等。

2 農田圖像采集系統總體設計

根據以上的設計要求，結合ARM處理器在耗電少、功能強、速度快等方面的特點[1-2]，采用嵌入式系統技術設計了田間圖像采集系統。該田間圖像采集系統設計包含硬件設計、軟件設計兩大部分。其中，硬件設計的部分包括：核心板底板、云臺、外部設施。軟件設計的部分包括：采集器軟件設計、終端服務軟件設計。以下是筆者基于ARM的田間圖像采集系統的總體設計構架。如圖1所示。

圖1 田間圖像采集系統總體構架

3 基于ARM的田間圖像采集系統硬件設計

硬件對于系統來說是至關重要的，硬件設備質量的高低將直接影響到該系統是否能正常、穩定的運行。為此，筆者從整體設計思路出發，在整合各項方案措施后，將設計包括電源、網絡接口、云臺控制、USB 擴展等，如圖2所示。

圖2 田間圖像采集系統硬件設計

在圖2中，其中一個比較重要的部分是云臺。考慮到視頻圖像采集需要面臨不同的天氣類型，因此選擇亞安公司的YD5309型號，該云臺可支持水平0°～360°，垂直0°～90°的圖像采集，同時可在高溫、雷雨天氣下對田間圖像進行采集，進而大大解決了當前視頻圖像采集在惡劣天氣下的問題[3]。

4 軟件設計

本次田間圖像采集系統的軟件設計包括采集器軟件設計、終端軟件的設計兩部分。具體軟件設計分析如下。

4.1 采集器軟件設計

采集器作為農田圖像采集系統的核心部分，在整個系統中都發揮著重要的作用。采集器的主要功能就是對田間的圖像進行采集。另外，還包含了其他的功能，如對采集到的數據進行儲存、傳輸等。本系統采用的是多線程處理方式，因此，系統的整體處理性能較快。本系統采用的是Linux操作系統，該操作系統能同時操作多個任務，但存在的不足在于該操作系統會自動屏蔽某些底層信息。具體的采集器軟件設計，如圖3所示。

圖3 采集器軟件設計

在該采集器軟件部分設計中，主線程的作用是開展各項設備的初始；終端命令處理線程負責接收數據以及命令，并對其進行分類。發送線程主要負責RS232串口通道，并將獲得的數據傳輸到上位機；照相機線程主要負責轉換圖像格式，將最初的BMP圖像格式轉換為JPEG 格式，并將其進行分類整理后傳輸到發送線程；定時器線程主要負責對各類時間的設置，完成對采集器的檢測。

4.4 終端服務軟件設計

本次上位機軟件設計筆者采用C#作為工具進行系統開發。利用C#在系統軟件開發上有許多的優點[4]，如快速、全面等。整個軟件的界面包括串口通信、云臺方位控制、采集器狀態信息獲取以及圖像控制四大方面，如圖4 所示。

以下是對該軟件界面中涉及的四大方面進行的具體闡述：

(1) 串口通信

串口通信中的控件筆者采用的是serial Port 控件該控件能夠較好搭建PC 端上位機與采集器之間橋梁，使得兩者之間的通信更加的順暢、高效。同時，利用serial Port 控件還能夠最大程度的減少系統開發的時間，從而提高了整個系統開發的實際效率。

(2) 采集器狀態獲取

通過采集器的狀態獲取，能夠掌握整個采集器的狀態信息。其中，該部分軟件的功能包括控制采集器和獲取設施的狀態。控制采集器的主要功能有設置設備ID、日期時間、IP 地址等。獲取設備狀態的主要功能有讀取設備溫度、通信參數、設備ID、日期時間、IP地址等。

(3) 云臺運動控制

上位機對云臺運動進行控制的目的在于，能及時的獲取最佳拍照位置，獲得用戶所需的清晰、完整的田間圖像。

(4) 圖像控制

圖像控制的目的是對上位機進行一定控制，從而獲得圖像。同時，上位機與采集器需要達成數據傳輸協議：圖片為JPEG 格式，且數據幀包括開始位、圖片名、CRC 校驗，圖片數據段字段組成，總共1015個字節。

5 田間圖像采集系統測試

通過以上對田間圖像采集的系統設計，筆者根據該系統運作的主要功能，決定對其采集器性能、云臺電源、圖像采集儲存進行相應的系統功能檢測。本次系統測試在云臺電源充足的情況下，檢測采集器是否能按照正常程序運行。另外，檢測還包括上位機對數據的處理是否達標。以下是具體的檢測分析。

圖4 上位機軟件設計界面圖

5.1 采集器性能測試

本次采集器性能測試經歷的周期為7天，在7天之內觀測系統是否出現卡頓、死機的情況。首先，筆者將 Linux操作系統中的內核鏡像與文件系統鏡像輸入flash中。然后，打開電源，啟動程序。最后，在7天內并未發現有卡頓、死機等現象，且整體運行較為穩定。證明該采集器性能良好。

5.2 云臺電源測試

首先，筆者要對采集器云臺電源的電壓進行測試，利用工具測試到云臺電源接口的電壓值為12V。其次，利用導線將C-AC 轉換模塊與云臺電源電壓接口連接，測試到的電壓值25V。符合云臺工作時所需的電壓。最后，筆者將采集器、電源轉換模塊、云臺三者接通，觀測云臺工作運行狀況。一段時間過后，云臺依然能在電源接通的情況下正常運行，證明該系統的云臺電源未存在問題。

5.3 圖像采集存儲測試

本次圖像采集儲存測試歷時10天，主要是利用采集器的圖像采集功能，檢測最終采集的圖像是否按照程序將其儲存到相應的CF卡中，且圖像的格式必須為JPEG格式。經過10天的圖像采集儲存測試，最終，筆者在CF卡中獲得采集到的圖像，且格式均為將采集到的田間圖像整理到文件夾中，發現文件夾中的圖像均為JPEG格式，圖片名以由具體的日期以及時間構成。

5.4 系統測試結果分析

以上對采集器的穩定性能、云臺電源性能、以及圖像采集的儲存功能進行一一的測試。根據上機位中顯示的各項測試數據數據，可以穩定的采集到用戶所需的農田圖像信息。小麥長勢圖像，如圖5所示。

圖5 小麥長勢圖像

通過上述的結果看出，該結果符合筆者對該系統的預期效果，具備穩定、高效等特點。

6 總結

綜上，本文基于ARM，設計關于田間圖像采集的系統，經過硬件設計、軟件設計以及系統測試，最終，該田間圖像采集系統性能符合筆者對該系統設計的預期效果。筆者認為，將該系統運用于農田圖像的采集，對農田作物產量的提高有較大的幫助。