基于AVR芯片的智能作物远程监控控制系统的设计与实现

文/王威卜 孙宇航 黄启宏 雷婧

我国自古以来便是农业大国，占据着世界将近一成的耕地资源和大约为百分之六的淡水资源，我国的农田承担着重大使命，养活的是世界五分之一人口，让无数百姓免于饥荒。如今随着科技的发展，农业科技创新在提高农作物产量、增强作物抗性等方面作出了巨大的贡献，越来越受到各界的重视。其中智能化、自动化庄园和农场采用高科技对植物进行监测，并能够自动计算出动植物生长所需，采取最优措施进行培育，将会是未来农业发展的主要方向，本文讲述基于AVR芯片的智能作物远程监控控制系统的设计与实现。

1 AVR芯片控制系统简介

1.1 起源与发展

AVR控制系统诞生于二十世纪九十年代，彼时远程监控已经处在发展期，但没有人创造性地提出将AVR控制系统应用于远程监控，遑论智能作物的监控。当时它是一种即时系统，专为工业生产而设计，其结构类似微电脑，但又与电脑存在很大差异。

此后汽车制造业率先引入AVR控制系统，提高了汽车的性能，为汽车制造业带来福音。它在之后数年内得到了飞速发展，当时世界范围AVR控制器的数量以每年20%-30%的速率增长，市场之巨大令人咋舌。近年来，其在发达国家的市场趋近饱和，因而增长速度大大减缓，但在以我国为代表的发展中国家仍然保持着迅猛的增长势头，近年来智能化与自动化概念深入人心，许多行业都发生了重大变革，于是有人创设性地提出智能作物构想，其中远程监控控制系统乃是实现智能农场、自动化庄园必不可少的一环。

1.2 组成结构

它的组成结构与计算机类似，具有CPU、存储器等，并且具备接受和输出数据的功能，但是又区别于计算机，因为它不具备1/0设备，并且体积远远小于计算机。简单说来，AVR本身就是一块智能化芯片，它自己同时也是一个小型的数据处理系统，能够高速地对所获得的数据进行分析处理。

1.3 特点与优势

1.3.1 抗干扰能力强

许多设备都是使用电波进行信息的传递，而波在传播过程中会发生相互作用，从而产生干扰，尤其是同频率的波。但AVR芯片采用的是大规模集成电路，拥有强悍的抗干扰性，可以在复杂环境中正常工作。

1.3.2 配套齐全，功能完善，适用性强

AVR发展到今天，经历了二十多年的漫长历程，为了满足不同行业消费者的需求，它已经形成了一系列不同尺寸，小到建筑工地的大型器械和电厂中的发电设备，小到电子手表，都能够有与之对应的芯片。并且经历多年发展，AVR的功能愈发强大和完善，如今它已经能够在很短时间内处理庞大的数据，在数控领域发挥了巨大作用，经过调整后也可用于植物生长情况的监测。

1.3.3 界面简洁，容易学会

AVR的适用人群十分广泛，由于它的界面简洁易懂，许多不具备专业IT知识或是只有一点基础的人也能够使用，并且它的编程语言相较于其它同类型产品而言算是十分简单，能够为广大工程师接受。

1.3.4 设计容易，维护方便

AVR采用的是存储逻辑，这就意味着相比起使用布线逻辑的产品，它的设计步骤要简洁得多，设计和建造所需时间也十分短暂，并且控制系统装置外部很少出现线路，维护工作也轻松不少。更重要的是，它有可能通过改变同一装置来改变生产过程。

1.3.5 体积小，重量轻，能耗低

AVR产品已经出现超小体积的类型，其尺寸小于十公分，能耗也极低，很容易适应在机器内部的工作环境，不会占据太大空间，因而它是机电一体化的理想控制装置。

2 设计基于AVR芯片的智能作物远程监控控制系统的原则

在AVR控制系统设计过程中，要遵循以下基本原则：

2.1 确保满足控制需求

使AVR芯片的能力充分发挥出来，尽可能地满足在进行控制设计的要求，这是设计AVR控制系统的最重要的原则。这就需要设计人在设计控制系统前就要去现场进行分析和研究，并且多多研读相关著作。

例如，对作物进行监控的系统就需要能够区分不同种类作物的基本功能，还需要能够根据作物的长势、高度、大小等判定其生长时间长短，另外能够监测植物生长环境中温度等的变化，从而为决策者提供依据，使之能够准确判断是否需要浇水或是增加/减少光照。

2.2 确保AVR控制系统可靠性

在设计的时候，必须确保AVR智能作物远程监控控制系统可以安全地长在很长一段时间内不出现任何问题地运转和操作，具备强大的稳定性和可靠性，这也是在设计所有控制系统时需要遵守的最重要的原则之一。

2.3 力求设计简单方便，后期维护容易

在满足控制要求的前提下，在设计系统时要注意将生产成本和获得的效益相结合。也就是说在设计时要充分考虑成本价格的高低，在满足要求的前提下将控制系统变得简洁明了、较为经济，而且要尽量使系统的操作简单化，毕竟想要实现智能化农场的普及，就一定需要广大农民群体的参与，而我国很大一部分农民并没有很高的知识水平，过于复杂的系统不会被他们接受，因此设计师不能盲目地增添系统功能，要以简洁实用为主。

2.4 适应社会发展需要

随着社会的发展和技术的进步，人们的需求在不断的提升，对于控制系统的要求也将越来越高，例如需要它能够同时监测多个区域的作物种植情况，或是除了获取光照强度、空气湿度等信息外还要具备一定的数据分析和处理功能，在设计系统时也要考虑到未来控制系统的进展和人们的需要。

3 基于AVR芯片的智能作物远程监控控制系统设计方案

3.1 视频与图像采集部分

在农场中的适当位置，需要安装一定数量的摄像机，用于检测农作物生长环境的整体情况。农场中的大多数摄像机像素不必过高，否则会大大增加系统的成本，但一定要保证有足够数量的高清摄像机能够真切地反映出每种作物的生长情况，及时发现叶、茎上的斑点或是昆虫蚕食产生的洞，尤其是某些观赏性农作物，例如玫瑰，其主要的病害为灰霉病还有黑斑病，此二者会使玫瑰花出现色差、长出斑点，影响其植株的经济价值，并且能够传染；而主要虫害为蚜虫和红蜘蛛，这些昆虫会啃食玫瑰花的花瓣与茎叶，严重的可致死。及时发现病虫害可以挽救大面积的作物，若是因为摄像机精度问题而导致监控系统不够敏锐，则容易造成无法挽回的损失。夜晚或者光照不充足时它们需要自动切换模式，确保能够获取较为清晰的图像。

3.2 光照、湿度等信息采集部分

除了病虫害等导致的表象特征发生改变外，植物生长过程中还可能出现许多其他问题，例如缺水、缺乏充足光照等，这就需要在作物生长的区域安装不同种类的传感器，例如光照传感器和温度传感器，从而获取农场内的具体环境信息。

3.3 信息分析和处理部分

使用基于AVR芯片的系统作为处理中心，可实现大批数据同时输入、采集、分析和运算。处理中心是整个监控系统中最为重要的部分，它需要提前录入正常生长的作物的特征数据，并将采集到的图像与之进行对比，从而判断植物是否能够茁壮生长；此外，还需综合温度、湿度等信息进行判断，决定植物是否需要浇水、遮光等，并智能化地作出最佳选择，例如需要浇水的量、遮光程度和面积等。

3.4 反馈部分

智能化农场并非完全不需要人工参与，它只是具备较高的自动化水平，但机器的智能还远远无法与人类的大脑相比，出现很多问题时它们都无法变通。该监控系统必须具备反馈功能，忠实记录植物生长情况并将其总结成图表等，方便操作人员进行检查，另外还需严格记录每一次对植物进行的工作，例如记录浇水时间、浇水量，或是农药的种类和用量等。