張明岳，許冠芝

（西安工程大學電子信息學院，西安 710600）

1 引言

我國從古至今都是農(nóng)業(yè)大國。中央一號文件連續(xù)多年聚焦解決“三農(nóng)”問題，足以顯現(xiàn)我國對農(nóng)業(yè)的重視。農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，支撐著社會其他行業(yè)的高速發(fā)展，關(guān)系到國家的長久繁榮穩(wěn)定。袁隆平院士研發(fā)的雜交水稻極大改善了我國水稻產(chǎn)量問題，使得我國能夠完成以極其稀少的耕地養(yǎng)活全世界五分之一以上人口這樣的壯舉[1]。然而，在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，還有多種多樣的問題在現(xiàn)實中依然存在，比如水資源匱乏問題和病蟲害危害問題。對于水資源匱乏問題，已有學者和研究人員開展了智慧灌溉技術(shù)的研發(fā)工作。在此，將農(nóng)作物病蟲害問題作為主要研究重點。

就病蟲害防治問題而言，病蟲害越早被發(fā)現(xiàn)就越能挽救農(nóng)業(yè)損失。因此，對農(nóng)作物區(qū)域進行實時監(jiān)測非常重要。隨著技術(shù)的發(fā)展，通過視頻拍攝技術(shù)直接獲取病蟲害圖像信息，再通過作物圖像信息進行病蟲害種類的診斷是非常便利、高效且日漸成熟的技術(shù)。目前，圖像監(jiān)測系統(tǒng)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)防治的重要手段之一[2]。在此，基于視頻技術(shù)設(shè)計一種監(jiān)測系統(tǒng)，用于采集相關(guān)環(huán)境信息及最重要的圖像信息。

2 農(nóng)作物監(jiān)測系統(tǒng)主要功能

所設(shè)計的農(nóng)作物監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩個部分：第一部分為視頻監(jiān)測，通過高清攝像頭對農(nóng)作物區(qū)域進行實時監(jiān)控，通過采集農(nóng)作物圖像信息進行分析，判斷是否有病蟲害發(fā)生；第二部分為環(huán)境數(shù)據(jù)采集，通過相關(guān)傳感器采集環(huán)境因素，根據(jù)環(huán)境因素變化輔助監(jiān)測農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生、發(fā)展程度。

基于這兩個模塊，監(jiān)測系統(tǒng)主要有如下功能：

1）病蟲害生長環(huán)境信息采集

由病蟲害監(jiān)測研究現(xiàn)狀的概況可知，多數(shù)研究者都發(fā)現(xiàn)了農(nóng)作物的生長環(huán)境信息與病蟲害的發(fā)生具有密切聯(lián)系[3]。因此本設(shè)計針對農(nóng)作物的生長環(huán)境信息進行數(shù)據(jù)采集，以輔助監(jiān)測病蟲害的發(fā)生。結(jié)合實際情況及已有的研究結(jié)論，設(shè)計將主要進行采集的環(huán)境信息為：空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度。

2) 農(nóng)作物整體視頻圖像采集

僅僅參考農(nóng)作物的環(huán)境信息不能直觀反應(yīng)出農(nóng)作物是否發(fā)生病蟲害，更為直觀的方法是使用視頻監(jiān)控設(shè)備通過高清攝像頭對農(nóng)作物整體環(huán)境實時拍攝，實現(xiàn)對農(nóng)作物種植區(qū)的可視化以及對園區(qū)的實時監(jiān)測。

3) 數(shù)據(jù)存儲

無論是生長環(huán)境數(shù)據(jù)還是視頻數(shù)據(jù)，都需要一定的存儲空間進行存儲。為了確保數(shù)據(jù)的準確性以及抗干擾性，還需要定期對數(shù)據(jù)進行備份以保障數(shù)據(jù)的安全可靠及可回溯性。

4) 數(shù)據(jù)傳輸

采集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過可靠的傳輸線路，保障數(shù)據(jù)在傳輸過程中不受干擾或者丟失?，F(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)和光纖專用網(wǎng)絡(luò)都能滿足技術(shù)上的要求，可為農(nóng)作物監(jiān)測系統(tǒng)提供必要的通信條件。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)整體架構(gòu)及功能如圖1 所示?；谏鲜龇治觯瑸閷崿F(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，整個系統(tǒng)分為四個部分，分別為：傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、視頻監(jiān)測模塊以及應(yīng)用層服務(wù)模塊。

圖1 農(nóng)作物監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

3.1 傳感器采集模塊設(shè)計

傳感器采集模塊設(shè)計主要需考慮傳感器的選型以及如何將多個傳感器連接在一起組成一個一體化的無線采集系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境信息的實時采集。

3.1.1 傳感器選型

(1) 空氣溫濕度傳感器

空氣溫濕度是影響農(nóng)作物生長的重要環(huán)境因素之一。此處選用RS-WS-N01-2-*溫濕度傳感器，同時采集空氣溫度和濕度。該型產(chǎn)品為壁掛型，具備IP65 級防水防雨雪能力；輸出信號類型為RS485，最遠可通信2000 米；通訊采用標準Modbus 協(xié)議，支持二次開發(fā)。另外此產(chǎn)品還具有供電電壓范圍寬、測量精度高等特點。傳感器實物如圖2 所示。

圖2 空氣溫濕度傳感器實物圖

(2) 土壤溫濕度傳感器

土壤所含水分是影響農(nóng)作物病蟲害發(fā)生的一個重要因素。土壤溫度和濕度的數(shù)值將直接關(guān)系到農(nóng)作物能否正常生長。此處選取RS-WS-N01-TR 型一體化土壤溫濕度傳感器，該產(chǎn)品功率為0.1W；溫度范圍-40℃～80℃，溫度精度為±0.5℃；水分測量范圍0～100%，水分精度為±3%；輸出信號同樣為RS485。傳感器實物如圖3 所示。

圖3 土壤溫濕度傳感器實物圖

(3) 光照強度傳感器

光照強度是影響作物光合作用的重要參數(shù)之一。在此選用RS-GZ*-*-2 型光照度傳感器。其供電電壓為10～30V；光照強度量程0～20 萬Lux；測量精度±7%；輸出信號同為RS485（Modbus 協(xié)議）。這一產(chǎn)品具有測量范圍寬、傳輸距離遠、使用方便等優(yōu)點。傳感器實物如圖4 所示。

圖4 光照傳感器實物圖

(4) CO2濃度傳感器

二氧化碳濃度也是影響農(nóng)作物進行光合作用活動的另一個重要因素。在此選用RS-CO2*-*-2型二氧化碳傳感器。該產(chǎn)品的供電電壓為10～30V；CO2測量范圍為400×10-6～5000×10-6；測量精度為±(40×10-6垣3%FS)；輸出信號為RS485（Modbus 協(xié)議）。該型產(chǎn)品具有測量范圍寬、傳輸距離遠、使用方便等優(yōu)點。傳感器實物如圖5 所示。

圖5 二氧化碳濃度傳感器實物圖

3.1.2 一體化無線采集節(jié)點設(shè)計

一體化無線采集節(jié)點按照模塊化原則，將所用到的傳感器與射頻模塊集成一體，具有很強的可拓展性強，其硬件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 一體化無線采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)示意圖

其中，CC2630 是美國TI 公司的產(chǎn)品，內(nèi)含一個32 位ARM Cortex-M3 內(nèi)核，其主頻高達48MHz，具有豐富的外設(shè)功能，包含128 kB Flash 和20 kB SRAM。它的雙內(nèi)核架構(gòu)可改善整體系統(tǒng)的性能和功耗，非常適合連接外部傳感器，可用于在系統(tǒng)其它部分處于睡眠狀態(tài)的情況下自主收集數(shù)據(jù)[4]。整個一體化無線采集節(jié)點具有低功耗、高集成、可拓展的特點，非常適合設(shè)計中對于環(huán)境信息采集的需求。

3.2 視頻監(jiān)測模塊設(shè)計

隨著科技的發(fā)展，高清攝像技術(shù)已經(jīng)非常成熟。目前高清攝像頭的原生像素已能達到千萬級別，在社會多個行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，例如道路違章拍照，小區(qū)、家庭、公共場所的監(jiān)控，停車場的車輛識別等等[5]。該技術(shù)同樣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，農(nóng)業(yè)視頻監(jiān)控正呈現(xiàn)高清化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的發(fā)展。

為了能夠全面監(jiān)控病蟲害，在農(nóng)作物生長區(qū)域內(nèi)，需要安裝多路高清攝像頭，多方位、多角度地對整個外部環(huán)境進行監(jiān)測?；诠饫w寬帶高速傳輸監(jiān)控視頻信號，建立遠程視頻監(jiān)測系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)工作者可以在電腦旁就能隨時查看監(jiān)測區(qū)域的狀況。監(jiān)測系統(tǒng)提供的回訪功能使人員不必再受時間地點的約束，提高了生產(chǎn)管理效率，也方便記錄及研究[6]。

考慮到識別系統(tǒng)對圖像清晰度的較高要求，選用500W 高清攝像頭進行區(qū)域監(jiān)測。機器類型選擇球機與槍機相結(jié)合的方式。多路安裝，既拍攝整體環(huán)境，又針對農(nóng)作物不同部位進行局部監(jiān)控。一片種植區(qū)域計劃安裝5 路攝像頭，分別拍攝：軀干、葉片、底部泥土、整體、空中。這樣多角度對農(nóng)作物進行監(jiān)測，盡可能保障了對農(nóng)作物監(jiān)測的無死角。拍攝的視頻數(shù)據(jù)采用數(shù)字硬盤錄像機進行圖像存儲，通過光纖寬帶接入總控中心。視頻監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 視頻監(jiān)測與傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 數(shù)據(jù)傳輸與存儲模塊

設(shè)計中采集系統(tǒng)和視頻監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用無線加有線結(jié)合的方式進行。對于采集系統(tǒng)，采用無線傳輸方式，將采集到的信息進行電信號轉(zhuǎn)化，通過ZigBee、3G/4G 無線網(wǎng)絡(luò)通信方式傳輸?shù)椒?wù)器端。視頻數(shù)據(jù)由于采用的是高清攝像頭，拍攝的視頻文件較大，對帶寬和處理能力有較高的要求，經(jīng)綜合考慮，采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，保存到大容量硬盤中，再由PC 端對視頻數(shù)據(jù)進行處理。

無線傳輸是由傳感器集成的一體化無線采集節(jié)點、網(wǎng)關(guān)與無線網(wǎng)絡(luò)等組成的。一體化采集節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間通過CC2630 模塊發(fā)射的無線射頻信號進行傳輸。CC2630 模塊具有極高的接收靈敏度、強悍的抗干擾能力以及很低的功耗等優(yōu)點[7]，能夠滿足對農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測的需求。最后將采集到的數(shù)據(jù)用大容量硬盤結(jié)合云端的方式進行存儲，同時進行云端備份。

3.4 應(yīng)用層服務(wù)模塊

應(yīng)用層服務(wù)系統(tǒng)主要是軟件層面的服務(wù)。包括一體化采集節(jié)點的工作流程設(shè)計、以及視頻采集數(shù)據(jù)的處理流程。

3.4.1 一體化采集節(jié)點工作流程設(shè)計

在采集農(nóng)作物環(huán)境信息時，首先需要將CC2630模塊進行初始化，然后向網(wǎng)關(guān)請求加入網(wǎng)絡(luò)并獲取ID 進行信息傳輸準備。當獲取網(wǎng)絡(luò)連接之后，進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集。采集信息結(jié)束后進行信息發(fā)送。用戶也可以主動激活休眠中的采集系統(tǒng)，立即結(jié)束休眠狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，也可中斷正處于采集模式的系統(tǒng)，立即進入休眠狀態(tài)。整個采集流程如圖8 所示。

圖8 一體化無線采集節(jié)點工作流程示意圖

3.4.2 視頻采集數(shù)據(jù)處理流程

監(jiān)控視頻保存于本地硬盤內(nèi)，能夠隨時回放。而對于監(jiān)控系統(tǒng)拍攝的圖像的獲取，此處預設(shè)為每1 小時獲取一次，并將獲取的圖像保存到指定文件夾中。若發(fā)現(xiàn)病蟲害，就縮短獲取間隔為每半小時獲取一次。也可以主動獲取當前幀。獲取間隔并非固定不變，可根據(jù)農(nóng)作物種類和生長周期的不同靈活調(diào)整[8]。完整的圖像獲取流程如圖9 所示。

圖9 視頻數(shù)據(jù)圖像獲取流程示意圖

設(shè)計采用低功耗、拓展性強的CC2630 芯片實現(xiàn)一體式無線采集模塊，方便后期種植者通過計算機查看農(nóng)作物生長環(huán)境因子，推算農(nóng)作物最適生長環(huán)境，進而調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長的影響因子，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。視頻監(jiān)控采用500W 高清攝像頭多路拍攝農(nóng)作物園區(qū)，光纖通信保證數(shù)據(jù)的實時傳輸不會延遲丟失。系統(tǒng)監(jiān)控視頻獲取的部分圖像如圖10 所示，可代表該系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用中的實際效果。

圖10 視頻數(shù)據(jù)圖像獲取部分展示

4 結(jié) 束 語

本設(shè)計主要介紹了基于CC2630 農(nóng)作物監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)建，對視頻監(jiān)控和環(huán)境數(shù)據(jù)采集兩個部分作了詳細闡述。從功能需求出發(fā)，介紹了各模塊的構(gòu)成、器件選取與實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)已實際投入使用，在對農(nóng)作物區(qū)域的實時監(jiān)測和獲取病蟲害圖像信息方面表現(xiàn)良好，各模塊均能達到預期功能和實驗?zāi)繕?。通過作物圖像信息實現(xiàn)病蟲害種類診斷，發(fā)揮了便利和高效的優(yōu)勢，對于科學指導病蟲害防治和降低食品安全隱患具有重要意義。