基于AVR芯片的智能作物遠程監控控制系統的設計與實現

文/王威卜 孫宇航 黃啟宏 雷婧

我國自古以來便是農業大國，占據著世界將近一成的耕地資源和大約為百分之六的淡水資源，我國的農田承擔著重大使命，養活的是世界五分之一人口，讓無數百姓免于饑荒。如今隨著科技的發展，農業科技創新在提高農作物產量、增強作物抗性等方面作出了巨大的貢獻，越來越受到各界的重視。其中智能化、自動化莊園和農場采用高科技對植物進行監測，并能夠自動計算出動植物生長所需，采取最優措施進行培育，將會是未來農業發展的主要方向，本文講述基于AVR芯片的智能作物遠程監控控制系統的設計與實現。

1 AVR芯片控制系統簡介

1.1 起源與發展

AVR控制系統誕生于二十世紀九十年代，彼時遠程監控已經處在發展期，但沒有人創造性地提出將AVR控制系統應用于遠程監控，遑論智能作物的監控。當時它是一種即時系統，專為工業生產而設計，其結構類似微電腦，但又與電腦存在很大差異。

此后汽車制造業率先引入AVR控制系統，提高了汽車的性能，為汽車制造業帶來福音。它在之后數年內得到了飛速發展，當時世界范圍AVR控制器的數量以每年20%-30%的速率增長，市場之巨大令人咋舌。近年來，其在發達國家的市場趨近飽和，因而增長速度大大減緩，但在以我國為代表的發展中國家仍然保持著迅猛的增長勢頭，近年來智能化與自動化概念深入人心，許多行業都發生了重大變革，于是有人創設性地提出智能作物構想，其中遠程監控控制系統乃是實現智能農場、自動化莊園必不可少的一環。

1.2 組成結構

它的組成結構與計算機類似，具有CPU、存儲器等，并且具備接受和輸出數據的功能，但是又區別于計算機，因為它不具備1/0設備，并且體積遠遠小于計算機。簡單說來，AVR本身就是一塊智能化芯片，它自己同時也是一個小型的數據處理系統，能夠高速地對所獲得的數據進行分析處理。

1.3 特點與優勢

1.3.1 抗干擾能力強

許多設備都是使用電波進行信息的傳遞，而波在傳播過程中會發生相互作用，從而產生干擾，尤其是同頻率的波。但AVR芯片采用的是大規模集成電路，擁有強悍的抗干擾性，可以在復雜環境中正常工作。

1.3.2 配套齊全，功能完善，適用性強

AVR發展到今天，經歷了二十多年的漫長歷程，為了滿足不同行業消費者的需求，它已經形成了一系列不同尺寸，小到建筑工地的大型器械和電廠中的發電設備，小到電子手表，都能夠有與之對應的芯片。并且經歷多年發展，AVR的功能愈發強大和完善，如今它已經能夠在很短時間內處理龐大的數據，在數控領域發揮了巨大作用，經過調整后也可用于植物生長情況的監測。

1.3.3 界面簡潔，容易學會

AVR的適用人群十分廣泛，由于它的界面簡潔易懂，許多不具備專業IT知識或是只有一點基礎的人也能夠使用，并且它的編程語言相較于其它同類型產品而言算是十分簡單，能夠為廣大工程師接受。

1.3.4 設計容易，維護方便

AVR采用的是存儲邏輯，這就意味著相比起使用布線邏輯的產品，它的設計步驟要簡潔得多，設計和建造所需時間也十分短暫，并且控制系統裝置外部很少出現線路，維護工作也輕松不少。更重要的是，它有可能通過改變同一裝置來改變生產過程。

1.3.5 體積小，重量輕，能耗低

AVR產品已經出現超小體積的類型，其尺寸小于十公分，能耗也極低，很容易適應在機器內部的工作環境，不會占據太大空間，因而它是機電一體化的理想控制裝置。

2 設計基于AVR芯片的智能作物遠程監控控制系統的原則

在AVR控制系統設計過程中，要遵循以下基本原則：

2.1 確保滿足控制需求

使AVR芯片的能力充分發揮出來，盡可能地滿足在進行控制設計的要求，這是設計AVR控制系統的最重要的原則。這就需要設計人在設計控制系統前就要去現場進行分析和研究，并且多多研讀相關著作。

例如，對作物進行監控的系統就需要能夠區分不同種類作物的基本功能，還需要能夠根據作物的長勢、高度、大小等判定其生長時間長短，另外能夠監測植物生長環境中溫度等的變化，從而為決策者提供依據，使之能夠準確判斷是否需要澆水或是增加/減少光照。

2.2 確保AVR控制系統可靠性

在設計的時候，必須確保AVR智能作物遠程監控控制系統可以安全地長在很長一段時間內不出現任何問題地運轉和操作，具備強大的穩定性和可靠性，這也是在設計所有控制系統時需要遵守的最重要的原則之一。

2.3 力求設計簡單方便，后期維護容易

在滿足控制要求的前提下，在設計系統時要注意將生產成本和獲得的效益相結合。也就是說在設計時要充分考慮成本價格的高低，在滿足要求的前提下將控制系統變得簡潔明了、較為經濟，而且要盡量使系統的操作簡單化，畢竟想要實現智能化農場的普及，就一定需要廣大農民群體的參與，而我國很大一部分農民并沒有很高的知識水平，過于復雜的系統不會被他們接受，因此設計師不能盲目地增添系統功能，要以簡潔實用為主。

2.4 適應社會發展需要

隨著社會的發展和技術的進步，人們的需求在不斷的提升，對于控制系統的要求也將越來越高，例如需要它能夠同時監測多個區域的作物種植情況，或是除了獲取光照強度、空氣濕度等信息外還要具備一定的數據分析和處理功能，在設計系統時也要考慮到未來控制系統的進展和人們的需要。

3 基于AVR芯片的智能作物遠程監控控制系統設計方案

3.1 視頻與圖像采集部分

在農場中的適當位置，需要安裝一定數量的攝像機，用于檢測農作物生長環境的整體情況。農場中的大多數攝像機像素不必過高，否則會大大增加系統的成本，但一定要保證有足夠數量的高清攝像機能夠真切地反映出每種作物的生長情況，及時發現葉、莖上的斑點或是昆蟲蠶食產生的洞，尤其是某些觀賞性農作物，例如玫瑰，其主要的病害為灰霉病還有黑斑病，此二者會使玫瑰花出現色差、長出斑點，影響其植株的經濟價值，并且能夠傳染；而主要蟲害為蚜蟲和紅蜘蛛，這些昆蟲會啃食玫瑰花的花瓣與莖葉，嚴重的可致死。及時發現病蟲害可以挽救大面積的作物，若是因為攝像機精度問題而導致監控系統不夠敏銳，則容易造成無法挽回的損失。夜晚或者光照不充足時它們需要自動切換模式，確保能夠獲取較為清晰的圖像。

3.2 光照、濕度等信息采集部分

除了病蟲害等導致的表象特征發生改變外，植物生長過程中還可能出現許多其他問題，例如缺水、缺乏充足光照等，這就需要在作物生長的區域安裝不同種類的傳感器，例如光照傳感器和溫度傳感器，從而獲取農場內的具體環境信息。

3.3 信息分析和處理部分

使用基于AVR芯片的系統作為處理中心，可實現大批數據同時輸入、采集、分析和運算。處理中心是整個監控系統中最為重要的部分，它需要提前錄入正常生長的作物的特征數據，并將采集到的圖像與之進行對比，從而判斷植物是否能夠茁壯生長；此外，還需綜合溫度、濕度等信息進行判斷，決定植物是否需要澆水、遮光等，并智能化地作出最佳選擇，例如需要澆水的量、遮光程度和面積等。

3.4 反饋部分

智能化農場并非完全不需要人工參與，它只是具備較高的自動化水平，但機器的智能還遠遠無法與人類的大腦相比，出現很多問題時它們都無法變通。該監控系統必須具備反饋功能，忠實記錄植物生長情況并將其總結成圖表等，方便操作人員進行檢查，另外還需嚴格記錄每一次對植物進行的工作，例如記錄澆水時間、澆水量，或是農藥的種類和用量等。