基于嵌入式電子信息的農田信息采集系統開發

譚會君，潘 霞

(1.漯河職業技術學院，河南 漯河 462002；2.河南經貿職業學院，鄭州 450000)

0 引言

我國是傳統農業大國，農業在國民經濟和社會發展中起著不可替代的作用。要全面實現現代化，農業的現代化則首當其沖。在農、林、牧、副、漁5大產業中，以種植業為主的農業排在首位。農田是種植業的基礎，農田的種類決定了種植的作物種類及產量。

農田信息內容豐富，主要由氣象因子、土壤環境和生物群落組成。氣象因子包括風向風速、光照強度、空氣溫濕度和降雨量等；土壤環境包括土壤類型、酸堿性和含水量；生物群落包括病蟲草害和農作物。這些信息既描述環境條件，也反映作物的生長狀況，是進行各項農藝操作的參考依據。采集準確的農田信息，有利于科學研究和各項農藝操作的順利進行，為作物高產穩產提供保障。

傳統的農田信息采集以人工調查記載為主，不僅工作量大，而且精確度不高，容易對科學研究質量和農藝操作效果造成影響。在大力發展現代智能農業的形勢下，各種新型技術被開發出來，用于農田信息采集，如傳感器、車載攝像機、無人機航拍和衛星遙感等。這些技術采集農田信息的效率高，實時性強，具有廣闊的應用前景。不同的技術適用于不同的生態區域和信息內容，如無人機適合我國單個田塊面積小、農作物品種多樣的國情。無人機主要針對作物長勢、缺水情況和病蟲害檢測，其所獲得的農田信息客觀準確，且覆蓋范圍大，較其它方法具有不可比擬的優勢[1-3]。

無論采用哪種技術，都必須將所有設備整合成為一個系統，才能實現對農田信息的高效準確采集。目前，整合農田信息采集設備的核心技術有單片機、嵌入式技術和PC機技術，它們均能對信息采集終端進行控制。單片機的功能過于簡單，以其作為核心的采集系統擴展和升級的難度較大，還會對工作的穩定性造成影響。若以PC機為核心，則系統的成本升高，功能冗余現象明顯，不利于大規模推廣應用[4]。嵌入式技術與這兩種技術相比較，在系統集成上具有明顯的優勢。

嵌入式技術是以計算機為基礎，針對專門的應用功能設計，軟件和硬件具有較好可編輯性，兼顧了功能、成本和可靠性的專用計算機電子信息系統。嵌入式系統具有微型化、智能化和網絡化的特點，直接面向用戶、產品及應用，對各種性能的平衡性要求較高。另外，嵌入式系統軟件使用壽命長，發展穩定性好[5]。嵌入式系統的誕生較早，在20世紀60年代便已形成最初的形態；70年代，嵌入式系統概念正式確立，并且隨著系統復雜程度的增加，產生了對操作系統的需求；隨后，以C語言為首的嵌入式操作系統逐漸成熟，大幅提高了其開發的效率和速度，形成了如今多種嵌入式系統快速發展的局面。

嵌入式技術的應用范圍涵蓋了國民經濟和生活的許多方面，主要包括電子消費、工農業、軍事國防和通信等[6]。在具體的用途上，可以設計基于嵌入式技術的產品信息采集系統，進行相關信息的收集工作[7]。李峰等和衛建華等分別設計了基于嵌入式Linux和ARM的視頻監控系統，能夠實現視頻圖像的實時采集和傳輸顯示，可以方便地嵌入到各種影像設備中[8-9]。

目前，嵌入式技術在農業中主要用于智能灌溉。例如，李琦以之為核心設計了溫室自動灌溉和監控系統，既能提高溫室的智能化水平，還可以促進作物對水資源的有效利用[10]。本文以嵌入式技術為核心，設計了一個農田信息采集系統，用于農田氣象、土壤和作物信息的采集分析，以期為農藝操作的實施提供參考依據，提高農業生產的智能化水平。

1 總體設計和工作流程

農田信息采集系統以嵌入式芯片為核心，采集終端包括氣象、土壤和作物信息采集模塊。每個田塊中安裝1個網絡節點，用于匯聚采集終端收集的農田信息，并通過無線方式傳輸給嵌入式芯片。嵌入式芯片上連接顯示模塊、控制面板和存儲模塊。其中，顯示模塊用于實時顯示采集的數據，控制面板用于設定系統的運行參數，存儲模塊用于數據信息和分析結果的存儲，以便作為農藝操作中專家決策的依據。系統的工作流程如圖1所示。

圖1 系統的工作流程Fig.1 Work flow of the system

2 硬件組成和軟件設計

2.1 信息采集模塊

氣象信息的采集模塊包括：TPJ-20型空氣溫濕度儀，用于測量空氣的溫濕度；TPJ-32型雨量傳感器，用于采集降雨量；WTF-B200型風速風向儀，用于測定風向和風速。每個試驗區域安裝1套氣象信息采集模塊，位于沒有遮擋物的區域。土壤信息采集模塊包括：SWR-100型土壤水分傳感器，用于測定土壤含水量；SYT-901型土壤pH計，用于測量土壤的酸堿性。每個田塊中安裝1套土壤信息采集模塊。作物信息采集模塊為V10-IM型高光譜相機和DATA-LYNX型計數傳感器。其中，高光譜攝相機與AD6673型A/D轉換器連接，拍攝獲取田間的作物圖像，由嵌入式芯片進行視覺分析；DATA-LYNX型計數傳感器記錄飛行的飛虱、蛾、蚊等害蟲的數量；相機和計數傳感器安裝在田塊邊緣，均勻分布使其拍攝范圍覆蓋田塊各個角落。

2.2 無線通訊模塊

每個田塊中安裝1個網絡節點，為CC2530型芯片，與該田塊中的采集終端通過UART接口進行有線連接，匯聚采集的數據信息。有線傳輸的線路復雜，鋪設成本高，因此網絡節點與核心芯片之間通過無線方式上傳匯聚的信息。系統選用了ZigBee無線傳輸技術，其通信距離較遠，抗干擾能力強，適應農業的自然環境。每個嵌入式芯片可以連接15個網絡節點，接收信號的有效距離最遠達到5km。

2.3 嵌入式芯片

系統的核心是STC15F2K60型嵌入式芯片，內置多媒體處理單元，可以對MPEG-4、H-264等格式的文件進行編解碼，輸出到LCD和TV上顯示。核心芯片還配制3D圖像加速器，實現OpenGL加速渲染，增強圖像處理功能。嵌入式芯片外接P64CD1型LCD顯示屏用于顯示實時數據，JZ-9型矩形控制面板進行參數設定，北京宏空HK-CRAM型存儲器用于信息和分析結果的保存。

2.4 軟件設計

系統的軟件以Linux操作系統為基礎進行搭建，根據其內核分層設計的思想，將穩定的功能源代碼放置在相同的文件下。系統的模塊化程序按照C++語言編寫，將相互關聯的數據和函數作為一個有機的整體進行處理。程序編寫時，先針對單個功能的模塊，再將具有相近功能的模塊匯總，形成對外封閉的靜態函數，留下少數接口以供調用。當功能需求發生改變時，只需對相應的部分模塊進行修改或更換，以降低維護的難度和更新的成本。上述設計使系統的軟件代碼利用率高，核心文件和源數據的安全性好。

系統的視頻設備具有視頻拍攝、信號轉換、圖像處理和LCD顯示的功能，每個功能都有自身的數據和操作函數。農田作物圖像被采集后轉換為LCD能夠顯示的數據類型，然后基于RGB色彩空間進行視覺處理，將各種的顏色在顯示屏上用不同的信號來區分。

3 試驗方法及結果

2017年，將該系統安裝在4個不同的水稻種植區域，采集農田信息，以驗證系統的功能。用來評價系統準確性的信息包括降雨量、土壤含水量和水稻抽穗期，分別用人工采集和系統采集。人工采集是人工調查記錄，系統采集是從顯示屏上實時獲得，最后比較兩種方式所采集的數據差異。另外，測試視頻采集設備在發送5 000幀視頻時的丟幀率及延時時間，并檢驗圖像的視覺處理和顏色區分效果。

兩種方式采集的農田信息如表1所示。由表1可知：不同方式獲得的3種信息數據接近，差異不明顯；嵌入式系統對水稻抽穗期的評估最為準確，與人工采集的結果僅相差1～2天。

表1 兩種方式采集的水稻數據差異Table 1 Difference of rice data collected by two methods

續表1

系統的視頻采集效果如表2所示。由表2可知：對于5 000幀的視頻數據，系統傳輸的丟幀率平均僅為0.40%，最長延時僅為2s，視屏采集達到了非常流暢的效果。

表2 系統的視頻采集效果Table 2 Efficacy of video collected by system

對水稻圖像的視覺分析結果為圖2所示。其中，黑色區域代表葉片，白色區域代表稻穗。根據白色區域在整個圖像中所占的面積比例，可以反映水稻的生長發育狀況，準確評判抽穗開花時期。因此，該嵌入式系統可以完成對農田信息的準確采集，為農藝操作提供參考依據，并極大地減少信息采集的人力成本。

圖2 水稻圖像的視覺分析Fig.2 Vision analysis of rice image

4 結論

設計了一個基于嵌入式技術的農田信息采集系統，系統以嵌入式芯片為核心，采集農田氣象、土壤和作物信息，匯聚后并通過無線方式傳輸給嵌入式芯片。芯片上連接顯示模塊、控制面板和存儲模塊，能對所采集信息進行顯示、分析和存儲。試驗結果表明：系統采集的降雨量、土壤含水量和水稻抽穗期數據與實際值差異不明顯，對水稻抽穗期的評估最為準確；系統對5 000幀視頻數據傳輸的丟幀率僅為0.40%，最長延時僅為2s，達到了非常流暢的效果。對水稻圖像的視覺分析可以反映水稻的生長發育狀況，準確評判抽穗開花時期，因此該嵌入式系統可以完成對農田信息的準確采集，為農藝操作提供參考依據。