基于太阳能供电的田间图像采集系统设计

熊美东　李就好　田凯

摘要：设计了1种基于太阳能供电的田间图像采集系统，解决了脱离田间配电网地域难以实时获取作物图像信息的问题。硬件设计主要包括信息采集模块、太阳能供电模块和无线通信模块。其中信息采集模块主要由Logitch Pro9000摄像头、X86系统架构瘦客户机（Fit-PC）进行图像采集和暂时储存；无线通信模块基于AR9344芯片，将采集系统接入互联网，实现数据无线传输功能；太阳能供电模块采用STM8S003F3P6单片机，完成PWM脉宽调制技术，从而达到稳定输出电压的目的，并选用铅酸蓄电池作为储能元件。软件设计主要针对瘦客户机CMOSSETUP程序设计系统工作时间，完成图像采集步长设定，并完成对采集图像的智能化管理。经测试表明：通过该项目的实施，摆脱了对田间配电网的依赖，实现了田间及作物图像信息远程采集管理的基本功能，促进了智能农业的发展。

关键词：瘦客户机；太阳能供电系统；农业资源信息；田间图像；采集系统

中图分类号： S214.9；TP274 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0389-05

农业资源信息的获取是病虫害分析和农作物长势分析的重要手段[1]。传统的病虫害鉴定方法[2]和农作物长势分析是根据作物的实际生长情况及其农业生产图像来判断。目前，农业图像信息的传统获取方法是人工定点定时用相机设备拍照采集，这种方法一般效率低、范围小、实时性差[3]。伴随着现代农业信息技术迅速发展，越来越多的采集系统出现在人们视野中，其中采集系统按传输介质方式可分为有线采集、无线采集两大类[4]。有线采集系统在实践生产中常常存在诸如工程量大、布线困难且费时费力等问题[5]。无线采集系统作为一种全新的数据信息获取技术，具有方便灵活、自组网、体积小等特点，在监测采集领域为现代农业提供了新的途径[6-11]。我国幅员辽阔，各地域气候环境差异很大，给农业信息采集带来了很大的难度，这就需要开发出农业工作人员可接受的、适合当地环境的、满足农业生产需求的设备。

本研究设计了1种基于太阳能供电的田间图像采集系统，该系统低成本、低功耗且脱离对大田间配电网的依赖，适合田间动态信息采集，实现实时采集农作物图像信息的功能，可以解决难以获取作物生产区域的图像信息的问题。在信息管理方面，可以根据农业信息多样性、复杂性等特点构建有地区特色的作物图像信息采集管理系统，集中管理各类型的信息，方便、快捷地为用户提供现场实时图像数据，实现智能管理作物生长信息和农田作业。

1 系统总体结构

采集系统由信息采集模块、太阳能供电模块和无线通信模块3个部分组成，详见图1。信息采集模块负责田间信息采集，主要由瘦客户机（Fit-PC）、摄像头组成，摄像头通过USB串口连接瘦客户机，并将图像数据暂时储存于瘦客户机。太阳能供电模块由太阳能电池板、电路控制器、蓄电池和逆变器组成，为采集系统主机提供电力供应。无线通信模块则负责将采集模块瘦客户机接入Internet，然后将暂时储存于瘦客户机中的信息发送至服务器。

2 系统硬件设计

2.1 信息采集模块

选用以Intel低功耗Mobile DualCore Intel Core i3-3217U处理器、Intel Panther Point HM77芯片组为核心的X86架构瘦客户机作为本采集系统的主机。3217U处理器主频 1.8 GHz，三级缓存3 MB，内存支持DDR3-1600，并支持PCI-E2.0等，

是一款低压版处理器，热设计功耗仅17W，可以有效地降低系统设计功耗。HM77芯片组内部结构复杂，提供可拓展的功能较多，利用芯片组的丰富功能，充分利用支持其USB接口、HDD接口、D-Sub接口、RJ45网络接口的硬件平台，用以完成图像信息的实时采集、存储、传输、显示等功能。为减少采集模块体积、功耗，在实际工作中USB鼠键和LCD显示屏并不用实际连接。该采集模块结构如图2所示。

摄像头是图像采集系统的重要一环，田间图像的成像质量与摄像头密不可分，本设计采集USB摄像头使用Logitch Pro9000，该摄像头具备自动对焦功能和200万互补金属氧化物半导体（CMOS）像素传感器，最大分辨率可达1 280×960，有效保证了图像的采集质量。

2.2 太阳能供电模块及其设计

太阳能供电模块由单晶硅太阳能电池板、脉冲宽度调制（PWM）电路控制器、铅酸蓄电池和逆变器组成，其结构见图3。

该模块设计思路为：首先，计算信息采集模块、无线模块（以下简称采集端）工作的总功耗，同时为使系统给瘦客户机提供一致工作电压，设计合适的DC/AC逆变器；然后，计算采集系统所需的蓄电池容量；再然后，根据蓄电池的容量计算太阳能电池板输出功率；最后，为了提高充电效率和避免过充过放电对蓄电池的损害，根据太阳能电池板的输出电流、输出电压，蓄电的充电电压和瘦客户机的工作电压等参数，设计太阳能智能控制器[12]。

2.2.1 采集端硬件的总功耗估算 通过在实验室实际测量瘦客户机的平均耗电功率，可知在工作模式下其工作电压为12 V，最大电流为3 A。为保证系统工作的稳定性，瘦客户机功耗P1考虑其最大值，故P1=36 W。

采集摄像头通过USB接口与瘦客户机连接，测定其工作电流为500 mA时的工作电压为5 V，休眠条件下的电流为100 mA，其一般工作在占空比的工作模式下，在运行和休眠之间的功耗差别很大。可知摄像头耗损功率P2[13]：

（1）

式中：U2为摄像头工作电压，V；Iw为工作状态下的工作电流，A；Ir为休眠状态下的工作电流，A；D为工作状态占总工作时间的占空比，其实际值小于5%，计算中取5%，故P2=0.6 W。

系统无线模块工作电压为24 V，工作电流为800 mA，休眠下电流仅为100 mA，其工作原理与摄像头相同，由式（1）可得AP模块功耗P3=3.24 W。则采集端负载总功耗：

Pf=P1+P2+P3=3.6+0.6+3.25=39.84 W。

为了便于采集端各部件工作电压变换及保持电压稳定，在蓄电池与负载间设计加入1个逆变器。在采集端设备启动瞬间功率会是正常工作的2～3倍，而市面上主流的逆变器规格为100、300、500 W，所以本设计采用市面上主流的300 W功率规格逆变器。其耗电损失功率为：P4=ηPn。

式中：η为逆变器转换损失系数，取5%；Pn为逆变器规格功率，W。

故采集系统总功耗为：

P=Pf+P4=39.84+0.5×300=54.84 W。

考虑现实情况中系统还有其他能耗，为了提高系统的安全，本研究选取55W为采集系统总功耗。

2.2.2 蓄电池存储容量设计 由于太阳能电池的输入电量非常不稳定，所以太阳能电池组每天所发电量首先储存到蓄电池内，再提供给负载。在白天，系统的供电电池会长期处于一边充电一边放电的状态，所以本设计采用具有浮充特性好的铅酸蓄电池作为储能元件。蓄电池所需容量计算公式为：

C=P×T×fv×fc×flUn×fe

。

（2）

式中：P为采集系统总功耗，W；T为放电时间，该系统考虑2个阴雨天，采集系统每天自9：00开始工作，至17：00定时关机，单天工作8 h，则T计为16 h；fv为温度系数，因为当温度越高时，蓄电池放电能力越强，温度降低，放电能力也相应减弱，综合考虑其他因素，蓄电池温度修正系数fv取1.1；fc为蓄电池容量补偿系数，取1.1；fl为蓄电池寿命折算系数，一般选择1.0～1.1，取1.1；Un为工作电压，12V；fe为蓄电池放电深度，一般蓄电池取80%为最佳放电深度。所以蓄电池计算工作容量：

C=55×16×1.1×1.1×1.112×80%=122.01 A·h。

本研究设计的采集系统的工作地点为广东省广州市，地处亚热带沿海，北回归线从中南部穿过，全年平均气温为 219 ℃，蓄电池在不同温度下的容量修正系数见表1。

蓄电池标称容量是按10 h放电率容量定的。低于10 h放电率时，放电容量低于标称容量；大于10 h放电率时，放电容量高于标称容量。活化系数fm就是蓄电池实际工作容量与标称容量的比率，所以蓄电池标称容量：

Q=Cfm=128.331.3=93.85 A·h。

根据蓄电池通用规格设计，实际选取容量为100 A·h、额定电压12 V的铅酸蓄电池，较标称多出6.15 A·h，保证一些短时未计入核算负载。该蓄电池充满电量后电压为13.5 V，一般正常工作电压为10.5～14.5 V。

2.2.3 太阳能电池板设计 当前晶体硅材料是最主要的光伏材料，分为单晶硅太阳能电池板、多晶硅太阳能电池板。单晶硅太阳能电池板的光电转换效率是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，而且单晶硅一般采用钢化玻璃、防水树脂进行封装，因此坚固耐用。而多晶硅太阳能电池板的光电转换效率则要降低不少，使用寿命也要比单晶硅太阳能电池板短。综合考量，采集系统设计采用单晶硅太阳电池板。

已知逆变器换损失系数η为5%，系统总功耗为P为 55 W，系统每天工作时间t为8 h，则每天蓄电池耗电量[14]应为：

W=P×t1-η=55×81-5%=463.12 W·h。

年平均日照时间H计算公式：

H=1.63×Qm365×ε。

式中：Qm为当地年辐射总量，经过查阅气象部门提供的数据，广州地区一般取值120 kcal/cm2；而 1 kcal=4 186.8 J；是25 ℃、AM1.5光谱时的辐照度，取0.1 W/cm2；1.63为W·h与kcal单位转化系数。所以：

H=1.63×Qm365×ε=1.63×120365×0.1=5.35 h。

因此，太阳能电池组件实际使用功率：

Pm=WH=463.125.35=86.56 W。

在实际设计中，考虑太阳能电池板充电电压应大于电池额定电压的30%左右为宜，并且为了使系统功能稳定，所以本采集系统中太阳能电池板最终选用功率为100 W、空载输出电压17.5 V、输出电流5.71 A、尺寸为1 200 mm×550 mm的单晶硅太阳能电板。

2.2.4 太阳能智能控制器选择 太阳能发电核心器件是太阳能控制器，其性能及设计水平直接影响着系统的效率和性价比，甚至影响工作寿命和维护成本，特别是蓄电池的寿命。使用单片机可使充电工作做得简单而且又高效率[15]，本采集系统智能管理系统基于STM8S003F3P6单片机。该单片机具备脉冲宽度调制（PWM）管脚，使得太阳能电池板利用率较高，PWM让蓄电池趋向充满时，脉冲的频率、时间缩短，充电过程中平均充电电流的变化更符合蓄电池的荷电状态，真正从0～100%充电工作。

采集系统中蓄电池充电过程如下：当太阳能电池板受到太阳照射时，电压信号输入，控制器实现对太阳能电池采样测量比较；当太阳能电池板输出超过10.5 V时，太阳能电池板工作指示灯红灯亮起，启动充电程序，给蓄电池快速充电[16]。随着蓄电池两端电压的不断升高，状态指示灯逐渐变黄，显示蓄电池容量状态变化。在充电过程中，如果蓄电池两端电压达到13.5 V时，并能维持30 s，电路转为PWM浮充阶段，频率为30 Hz，向蓄电池充电。随着蓄电池两端电压的升高，充电电流的开通脉宽越变窄，充电电流越小；当两端电压向下降时，充电占空比变宽，电流又增大。如此反复PWM不断充电，到蓄电池两端电压达到过充电保护电压14.5 V，并能维持30 s，整个充电过程结束，工作指示灯变绿。

2.3 无线通信模块

本设计中无线通信模块采用AtherosAR9344芯片实现[17]。该芯片支持IEEE 802.11 b/g/n无线标准，集成MIPS 24K系列嵌入式处理器，32位内核，主频可达400 MHz，其无线传输距离为3～5 km，传输速度为300 Mbps，即传输速度是37.5 MB/s。此外该芯片支持传输信号频段为5.8GHz，相比较于常用的2.4 GHz频段，5.8 GHz的系统一般采用直接序列扩频技术，它的信道较多、频率较高，所以抗干扰能力相对要强一些。同时它可以满足高带宽应用支持大量用户的需要——8个不重叠信道使部署的可扩展性、灵活性更高，很好地满足设计需求。

3 系统软件设计

3.1 采集系统软件设计

田间信息采集系统中瘦客户机软件工作流程[18]如图4所示，在瘦客户机内利用CMOSSETUP程序设置定时开机时间，当瘦客户机到达预定开机时间，系统开机，同时新一轮瘦客户机关机定时计时开始工作，系统默认设置1 h向系统发送请求询问是否关机，系统判定未到达关机系统时间，则将请求发送于摄像头工作程序，令摄像头进行拍照，从而实现摄像头1 h拍摄1次。拍摄的图像按拍摄时间存储到瘦客户机上，然后再从瘦客户机将图像的逻辑信息（图片名称、摄像头ID、拍摄时间、地点、类型、图片大小等）通过大功率无线网桥路由器（AP）发送到服务器数据库中，然后瘦客户机、摄像头与AP进入休眠状态以减少能耗，再然定时器又开始新一轮

工作，周而复始，直至达到系统关机时间。

3.2 功能模块划分

系统信息采集平台包括图像数据采集、服务器系统管理两大块，如图5所示。数据采集模块由摄像头、瘦客户机共同完成。服务器系统管理模块则包括系统登入、图像管理、用户管理3个小模块，数据采集模块利用摄像头实现图像数据采集，自动保存至瘦客户机后实时上传至系统服务器并将相关属性信息写到数据库；用户通过远程浏览器访问系统，可以查看图像大田作物的即时信息，并获得相关权限，实现智能化管理农田信息采集平台。

系统从实际应用出发，为用户设置了管理员、游客2种角色。用户远程登入系统IP服务页面，即可选择登入角色，如选择管理员则需用户ID和密码通过表单提交的方式验证，如果不存在则返回上级选择菜单。当管理员成功登陆系统后，默认进入用户管理模块，系统管理员对所有作物数据拥有查看、删除等全部权限，并且可以对系统用户进行管理，如添加、删除、修改用户，为新用户分配等权限。

4 系统测试

4.1 太阳能供电模块测试

在试验前，先将蓄电池电量耗尽。在对蓄电池进行放电到10.5 V时，此时蓄电池电量消耗殆尽，之后回升的电压称为反弹电压，正常电池的反弹电压应该在11～12 V之间。实际的太阳能供电系统试验在瘦客户机采集信息的工作时间段09：00—17：00内测试，得到的结果如图6所示。图6中，光照度曲线体现的是系统工作时的太阳光照度；PV板输出电压曲线是太阳能电池板在工作时对蓄电池的负载充电输出电压进行测量的数值曲线；蓄电池电压曲线是随着时间变化，蓄电池两端负载输出电压的变化曲线。由图6可知，当光照度超过一定范围后，其增长对太阳能电池板的输出电压影响很小；而PV板的输出电压影响着对蓄电池的充电速率；经过1 d

8 h 的工作，蓄电池电压达12.9 V。

在对系统进行阴雨天工作测试时，为防止在阴雨天太阳能电池板对蓄电池进行充电对蓄电池能量的影响，完全将太阳能板拆卸脱离系统，从而完全排除太阳能电池板的充电对蓄电池的能量干扰。图7的蓄电池电压曲线是蓄电池两端负载输出电压的变化曲线，可以看出：在每天系统开始工作时，蓄电池电压会比之前的电压要高，这是因为电池内部不断的化学反应，会在电极两端产生密度不均的现象；当蓄电池经过1夜的放置，内部化学物质扩散均匀，电池内阻下降，所以电压稍微上升。在经过2 d脱离太阳能电池板工作的情况下，蓄电池电压降至11.8 V。测试结果表明：本测试所设计的太阳能供电模块完全满足系统的供电需求。

4.2 采集系统性能测试

在华南农业大学荔枝种植园内对本设计系统进行测试。在确定选取的监测荔枝树距离1m的向阳位置安装好图像采集系统。服务器则安放在华南农业大学华山区服务器机房，预先设定好接入Internet固定IP，确认接入网络后工作2周。从图8的登陆系统页面可以看出，系统工作稳定，设计可行。

5 结论

本研究设计的基于太阳能供电的田间图像采集系统具有以下特点：（1）实现了1种由太阳能对采集系统的供电方式，摆脱了对田间配电网的依赖，实现自给自足的能源供应，促进了智能农业的发展。

（2）通过对瘦客户进行软硬件开发，对及时采集的农作物图像信息有良好的应用前景。对解决现有偏远小区域采集系统缺乏获取原始图像的稳定方法有一定的现实意义，可为田间智能远程管理提供1种新的技术手段。

鉴于项目处于初步建设阶段，很多细节差强人意，今后应该在图像的传输质量方面取得更高的突破，而且有必要继续改进整个系统的工作性能以及稳定性，这些都有待于进一步研究。

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