基于ARM的田间图像采集系统设计

2018-09-21李佳金永亮

微型电脑应用 2018年9期

李佳, 金永亮

(1. 西安职业技术学院； 2. 庆安集团有限公司，西安 710000)

0 引言

现代信息技术的发展，为我国农业现代化发展带来了巨大的契机。如今，智能化的信息技术在农业生产中的得到普遍的推广，将现代信息技术融入农业生产，对农村经济的发展有着极其重要的意义。尤其是现代农田监控系统的对农业的生产意义重大。为此，笔者基于ARM，设计出专业进行田间图像采集的远程系统。利用计算机、传感器等设备进行图像的采集，对农田中的作物长势进行实时的监控、跟踪以及分析。以便于农民及时的采取各类农业措施，促进农作物的生长，不断提高我国农产品的产量。

1 田间图像采集系统设计要求

要想设计出较为完备的，可用于农业田间图像采集的系统，就必须按照相关的设计要求，有针对性的进行系统设计。而结合农田数据采集要求，该系统的设计要求如下：

第一，该系统在进行设计时应该着重考虑将农田的特点，如防灰尘、耐高低温等等。

第二，在电池设计上，尽量采用供电时长的太阳能电池，环保又高效。

第三，在设计采集器时，应尽量的提升其扩展性能。例如其储存空间的拓展、软件更新拓展、测量要素拓展等等。

第四，该系统的图像采集系统应注重对时钟的设定，尽量避免系统供电不足造成时间不准。

第五，注重采集器的互换性，如传感器的互换、外部设备的互换、电缆的互换等。

2 农田图像采集系统总体设计

根据以上的设计要求，结合ARM处理器在耗电少、功能强、速度快等方面的特点[1-2]，采用嵌入式系统技术设计了田间图像采集系统。该田间图像采集系统设计包含硬件设计、软件设计两大部分。其中，硬件设计的部分包括：核心板底板、云台、外部设施。软件设计的部分包括：采集器软件设计、终端服务软件设计。以下是笔者基于ARM的田间图像采集系统的总体设计构架。如图1所示。

图1 田间图像采集系统总体构架

3 基于ARM的田间图像采集系统硬件设计

硬件对于系统来说是至关重要的，硬件设备质量的高低将直接影响到该系统是否能正常、稳定的运行。为此，笔者从整体设计思路出发，在整合各项方案措施后，将设计包括电源、网络接口、云台控制、USB 扩展等，如图2所示。

图2 田间图像采集系统硬件设计

在图2中，其中一个比较重要的部分是云台。考虑到视频图像采集需要面临不同的天气类型，因此选择亚安公司的YD5309型号，该云台可支持水平0°～360°，垂直0°～90°的图像采集，同时可在高温、雷雨天气下对田间图像进行采集，进而大大解决了当前视频图像采集在恶劣天气下的问题[3]。

4 软件设计

本次田间图像采集系统的软件设计包括采集器软件设计、终端软件的设计两部分。具体软件设计分析如下。

4.1 采集器软件设计

采集器作为农田图像采集系统的核心部分，在整个系统中都发挥着重要的作用。采集器的主要功能就是对田间的图像进行采集。另外，还包含了其他的功能，如对采集到的数据进行储存、传输等。本系统采用的是多线程处理方式，因此，系统的整体处理性能较快。本系统采用的是Linux操作系统，该操作系统能同时操作多个任务，但存在的不足在于该操作系统会自动屏蔽某些底层信息。具体的采集器软件设计，如图3所示。

图3 采集器软件设计

在该采集器软件部分设计中，主线程的作用是开展各项设备的初始；终端命令处理线程负责接收数据以及命令，并对其进行分类。发送线程主要负责RS232串口通道，并将获得的数据传输到上位机；照相机线程主要负责转换图像格式，将最初的BMP图像格式转换为JPEG 格式，并将其进行分类整理后传输到发送线程；定时器线程主要负责对各类时间的设置，完成对采集器的检测。

4.4 终端服务软件设计

本次上位机软件设计笔者采用C#作为工具进行系统开发。利用C#在系统软件开发上有许多的优点[4]，如快速、全面等。整个软件的界面包括串口通信、云台方位控制、采集器状态信息获取以及图像控制四大方面，如图4 所示。

以下是对该软件界面中涉及的四大方面进行的具体阐述：

(1) 串口通信

串口通信中的控件笔者采用的是serial Port 控件该控件能够较好搭建PC 端上位机与采集器之间桥梁，使得两者之间的通信更加的顺畅、高效。同时，利用serial Port 控件还能够最大程度的减少系统开发的时间，从而提高了整个系统开发的实际效率。

(2) 采集器状态获取

通过采集器的状态获取，能够掌握整个采集器的状态信息。其中，该部分软件的功能包括控制采集器和获取设施的状态。控制采集器的主要功能有设置设备ID、日期时间、IP 地址等。获取设备状态的主要功能有读取设备温度、通信参数、设备ID、日期时间、IP地址等。

(3) 云台运动控制

上位机对云台运动进行控制的目的在于，能及时的获取最佳拍照位置，获得用户所需的清晰、完整的田间图像。

(4) 图像控制

图像控制的目的是对上位机进行一定控制，从而获得图像。同时，上位机与采集器需要达成数据传输协议：图片为JPEG 格式，且数据帧包括开始位、图片名、CRC 校验，图片数据段字段组成，总共1015个字节。

5 田间图像采集系统测试

通过以上对田间图像采集的系统设计，笔者根据该系统运作的主要功能，决定对其采集器性能、云台电源、图像采集储存进行相应的系统功能检测。本次系统测试在云台电源充足的情况下，检测采集器是否能按照正常程序运行。另外，检测还包括上位机对数据的处理是否达标。以下是具体的检测分析。

图4 上位机软件设计界面图

5.1 采集器性能测试

本次采集器性能测试经历的周期为7天，在7天之内观测系统是否出现卡顿、死机的情况。首先，笔者将 Linux操作系统中的内核镜像与文件系统镜像输入flash中。然后，打开电源，启动程序。最后，在7天内并未发现有卡顿、死机等现象，且整体运行较为稳定。证明该采集器性能良好。

5.2 云台电源测试

首先，笔者要对采集器云台电源的电压进行测试，利用工具测试到云台电源接口的电压值为12V。其次，利用导线将C-AC 转换模块与云台电源电压接口连接，测试到的电压值25V。符合云台工作时所需的电压。最后，笔者将采集器、电源转换模块、云台三者接通，观测云台工作运行状况。一段时间过后，云台依然能在电源接通的情况下正常运行，证明该系统的云台电源未存在问题。

5.3 图像采集存储测试

本次图像采集储存测试历时10天，主要是利用采集器的图像采集功能，检测最终采集的图像是否按照程序将其储存到相应的CF卡中，且图像的格式必须为JPEG格式。经过10天的图像采集储存测试，最终，笔者在CF卡中获得采集到的图像，且格式均为将采集到的田间图像整理到文件夹中，发现文件夹中的图像均为JPEG格式，图片名以由具体的日期以及时间构成。