智慧農業墑情站圖像視頻采集系統的研究應用

李路里，姚凱學，王凱鵬，任 莎

(貴州大學 計算機科學與技術學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

國內消費者對于農作物種植產品質量的要求越來越高，這導致產品質量正處于快速轉變階段，按照產品質量發展的需求，國家農業部推動農業種植產品從總量的擴張向高質量進行轉變，并唱響綠色興農，質量興農。提高農業可持續發展，加快推進農作物種植產品信息化[1]建設。國家大力推進全國農業科技創新與體制改革的有機結合促進農業轉型升級。并且隨著全球高新技術的飛速發展和萬物物聯的信息化[2]建設，農業信息化技術等代表農業方面的前沿科技的發展深刻促進了農業生產領域和經濟格局的變革，對農業產品的生長環境信息[3]進行實時檢測和反饋評估，并將結果反向應用于農事管理。隨著農業精細化的發展，用戶對于影響農作物生長的環境因子有著越來越嚴格的要求，農業智慧農業墑情站可對農業中農作物等所需要的農業小氣候因子進行采集、檢測和分析，從而將這些數據服務于農業。

文中所研制的智慧農業墑情站系統主要是針對偏遠農作物種植環境研制，其中安裝有GSM無線通信模塊，主要具備圖像視頻[4]監控和數據信息采集[5]兩大功能，并且可以靈活地應用于偏遠山區種植場所的信息采集分析，圖像與視頻監控為農作物的生長等提供了更加直觀的展現方式。比如哪塊地缺水了，如果只是從土壤溫濕度傳感器[6]傳來的數據上進行分析，會顯得這些數據過于單一，因為農產品生長的環境具有不均勻性，從而決定了農產品信息獲取的先天性弊端，而這些弊端又很難單純地通過技術進行解決。所以通過對農作物種植產品圖像視頻信息采集的引用，更加直觀反映了農業種植產品生長生產的實時狀態，引入圖像及視頻處理不僅可以直觀反映農業種植產品的生長長勢，而且可以從側面反映出農業種植產品生長的整體狀態及營養水平。最終從整體上為農產品生產者提供更加科學的種植決策理論依據[7]。

1 系統總體設計

智慧農業墑情站系統通過利用GSM網絡，并通過外接圖像傳感器可對農田的農作物進行圖像實時監測采集，并將采集到的圖像視頻信息通過GPRS回傳到信息管理中心，農業種植人員可以通過回傳的數據進行匯總分析，分析農田中農作物的生長環境，蟲害情況，以便及時做出處理。同時農事操作人員也可以通過PC端進行管理設置從而定時獲取環境圖像，實時查看農業種植產品的生長情況。

首先通過控制單元控制圖像視頻傳感器采集圖像視頻信息，并將其采集到的數據通過ZigBee和RS485/232模式上傳到網關，在無線通信情況下，采用ZigBee模塊將圖像視頻傳感器采集到的數據信息發送到ZigBee節點上；在有線的情況下，采用雙絞線傳輸方式將數據發送到RS485/232節點上。無線通信具有部署靈活，擴展方便等特點，有線版具有部署快捷，數據傳輸穩定性高等特點。接著將圖像傳感器采集到的數據通過3G/GPRS/Inernet網絡傳送到服務器，在使用的傳輸協議上，支持IPV4現網協議以及下一代互聯網IPV6協議。農事操作人員負責對傳送到服務器的數據進行讀取，并把采集到的數據信息進行存儲和處理，將結果反饋給農事操作人員，為其提供決策和分析依據，最后農事操作人員可以隨時地通過手機APP版、PC版等終端進行查看。

系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 圖像視頻監控系統硬件設計

圖像視頻監控系統硬件設計主要包括兩部分：圖像傳感器模塊硬件設計和數據處理模塊硬件設計。

2.1 圖像傳感器模塊硬件設計

農業墑情站所采用的圖像傳感器是由OV(Omni Vision)公司生產的OV7670，它是一顆1/6寸的CMOS VGA圖像傳感器。該傳感器體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能，通過SCCB總線控制可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數據。

2.2 數據處理模塊硬件設計

數據處理模塊采用基于Cortex-M3[8]內核的STM32F103ZET6 MCU[9]，它的最高工作頻率為72 MHz，SRAM可達64 KB，有5個串口、4個通用定時器、2個I2C、3個ADC、3個SPI、2個DMA控制器等資源。

數據處理模塊作為圖像視頻信息采集的核心模塊，實現了種植場所農作物生長長勢及周圍環境等圖像信息的采集及傳輸。STM32F103ZET6芯片通過串口1[10]與GPRS模塊進行連接，通過串口2與藍牙模塊進行連接，通過I2C接口與wifi模塊進行連接，通過MAX485芯片[11]控制圖像視頻信息的采集與發送，最后直接通過相應電平引腳調節控制傳感器數據的采集與發送。

具體工作流程：首先對圖像視頻傳感器進行初始化操作，并通過控制上位機給圖像視頻傳感器發送采集指令，圖像視頻傳感器開始工作，將采集到的數據傳送到MCU，MCU將采集到的信息進行分析處理后，通過自定義的通信協議[12]將圖像數據信息封裝成一幀數據，數據信息經由GPRS傳輸到上位機(PC端或手機端)，由終端進行數據處理、可視化等。

圖像采集處理模塊的結構框圖如圖2所示。

圖2 圖像采集處理模塊的結構框圖

3 農業墑情站圖像視頻采集系統軟件設計

農業墑情站圖像視頻采集系統的軟件設計分為兩個模塊，一個是上位機顯示控制設計，另一個是下位機控制設計。下位機設計包括圖像視頻傳感器模塊的下圖像信息采集傳輸程序設計；上位機主要實現人機交互及實現將接收到的信號轉換成圖像同時可以向下位機發送命令(如休眠指令[13]、喚醒指令、采集頻率指令、工作方式等)。

3.1 下位機軟件設計

在圖像傳感器采集圖像數據[14]時，HREF為高時進行輸出，當HREF變高后，每一個像素時鐘，只輸出一個字節大小的信息，所使用的是RGB格式輸出即每兩個字節組成一個像素顏色。OV7670在VGA模式下的數據輸出時，HSYNC和HREF是由同一個引腳產生的信號，只是在不同的場合下采用不同的信號方式。文中采用外部中斷信號來捕捉幀同步信號，然后在中斷中啟動的數據存儲，并等待下一次幀同步信號的到來，一旦第二次檢測到幀同步信號就關閉數據存儲，然后一幀數據就存儲完成，最后在主函數中將這一幀數據讀取出來，同時開啟下一幀數據的存儲。具體過程如下：

首先是圖像信息采集過程：首先等待幀同步信號，接著FIFO寫指針復位并進行FIFO寫使能，然后等待第二個OV7670幀同步信號，最后FIFO寫禁止。通過以上5個步驟，就可以完成1幀圖像數據在AL422B的存儲。注意：FIFO寫禁止操作不是必須的，只有當想將一幀圖片數據存儲在FIFO，并在外部MCU讀取完這幀圖片數據之前，不再采集新的圖片數據的時候，才需要進行FIFO寫禁止。

接著是圖像讀取過程：在存儲完一幀圖像以后，就可以開始讀取圖像信息了。讀取過程：首先讀指針復位，接著給FIFO讀時鐘(FIFO_RCLK)并開始讀取第一個像素高字節，再給FIFO讀時鐘讀取，并繼續讀取該像素低字節，再給FIFO讀時鐘，開始下一個像素的讀取即循環讀取剩余像素，結束。

OV7670采集傳輸流程如圖3所示。

圖3 OV7670采集傳輸流程

3.2 上位機軟件設計

上位機[15]是屬于前端采集機，通過上位機控制圖像傳感器，采集數據，并把數據通過串口或者其他方式發送給服務端。上位機主要有如下功能：IP地址、設置波特率、奇偶校驗位，數據位，停止位，信息處理提示窗口，圖像顯示窗口，圖像保存，像素大小設置。

IP地址：用于網絡傳輸圖像。

波特率：是指數據信號對載波的調制速率，它用單位時間內載波調制狀態改變的次數來表示，通過設置波特率來改變圖像數據采集的數據傳輸的快慢。

奇偶校驗位：是指偶數或者奇數或甚至對一個數字的性質。奇偶校驗用在數據通信中來保證數據的有效性。

數據位：每組所傳輸幾個數據位。

停止位：是在每個字節傳輸之后進行發送，用來幫助接收信號方硬件置位。

信息處理提示窗口：該窗口主要用于顯示錯誤信息、所采集的幀數、采集時間等。

圖像顯示窗口：用于顯示圖像。

圖像保存：保存圖像到指定的位置。

像素大小：設置像素的大小，像素有720*480，360*240，1 440*960，根據自己的需求進行選擇采集。

所設計的智慧農業墑情站圖像視頻采集系統中上位機和下位機的通信，主要有兩種方式，一種是通過串口，即通過雙絞線RS485/232進行數據傳輸，這種傳輸方式只需要連接上數據線，并在串口中打開串口，設置好波特率、奇偶校驗位、停止位、數據位等就可以直接顯示圖像；另一種方式是通過ZigBee進行傳輸數據，ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，是一個由可多到65 535個無線數傳模塊組成的無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75 m無限擴展。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。

上位機所采用編程語言為C#，數據庫為SQL Server 2013。最終的目的主要是控制圖像視頻的顯示，包括控制串口的波特率，奇偶校驗位，停止位，數據位，采集頻率，保存圖像等功能。

上位機界面如圖4所示。

圖4 上位機界面

4 系統測試

該系統測試時主要是通過串口查看其是否能夠穩定地傳輸圖像視頻。首先將下位機上電，連接串口，然后在上位機上打開串口，設置其波特率，同時在上位機上將數據位、停止位、奇偶校驗位等進行設置，最后得出如圖5所示的界面。可以看出圖像采集較為穩定，清晰，能夠很好地進行圖像視頻傳輸。

圖5 采集圖像測試結果

5 結束語

設計并實現了農業墑情站圖像視頻采集系統，采用上、下位機結構。通過自定義的通信協議將圖像傳感器模塊，數據處理模塊，遠程PC端、手機端有機地結合在一起。該系統成本低，操作方便，擴展性強，通過該系統農事操作人員可遠程直觀地查看農業種植場所的農作物生長長勢及農作物周圍情況而不用下地查看，具有很強的實用性。