基于CC2630的農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

張明岳，許冠芝

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)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(hào)文件連續(xù)多年聚焦解決“三農(nóng)”問題，足以顯現(xiàn)我國對(duì)農(nóng)業(yè)的重視。農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，支撐著社會(huì)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(shí)中依然存在，比如水資源匱乏問題和病蟲害危害問題。對(duì)于水資源匱乏問題，已有學(xué)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(diǎn)。

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(duì)農(nóng)作物區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)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(jì)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(jì)的農(nóng)作物監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：第一部分為視頻監(jiān)測，通過高清攝像頭對(duì)農(nóng)作物區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過采集農(nóng)作物圖像信息進(jìn)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(gè)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(jì)針對(duì)農(nóng)作物的生長環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以輔助監(jiān)測病蟲害的發(fā)生。結(jié)合實(shí)際情況及已有的研究結(jié)論，設(shè)計(jì)將主要進(jìn)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(qiáng)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(duì)農(nóng)作物整體環(huán)境實(shí)時(shí)拍攝，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物種植區(qū)的可視化以及對(duì)園區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

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(chǔ)空間進(jìn)行存儲(chǔ)。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及抗干擾性，還需要定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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。現(xiàn)有的移動(dòng)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(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)及功能如圖1 所示?；谏鲜龇治?，為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)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(jì)

傳感器采集模塊設(shè)計(jì)主要需考慮傳感器的選型以及如何將多個(gè)傳感器連接在一起組成一個(gè)一體化的無線采集系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長環(huán)境信息的實(shí)時(shí)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(shí)采集空氣溫度和濕度。該型產(chǎn)品為壁掛型，具備IP65 級(jí)防水防雨雪能力；輸出信號(hào)類型為RS485，最遠(yuǎn)可通信2000 米；通訊采用標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。傳感器實(shí)物如圖2 所示。

圖2 空氣溫濕度傳感器實(shí)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(gè)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(hào)同樣為RS485。傳感器實(shí)物如圖3 所示。

圖3 土壤溫濕度傳感器實(shí)物圖

(3) 光照強(qiáng)度傳感器

光照強(qiáng)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(qiáng)度量程0～20 萬Lux；測量精度±7%；輸出信號(hào)同為RS485（Modbus 協(xié)議）。這一產(chǎn)品具有測量范圍寬、傳輸距離遠(yuǎn)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。傳感器實(shí)物如圖4 所示。

圖4 光照傳感器實(shí)物圖

(4) CO2濃度傳感器

二氧化碳濃度也是影響農(nóng)作物進(jìn)行光合作用活動(dòng)的另一個(gè)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(hào)為RS485（Modbus 協(xié)議）。該型產(chǎn)品具有測量范圍寬、傳輸距離遠(yuǎn)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。傳感器實(shí)物如圖5 所示。

圖5 二氧化碳濃度傳感器實(shí)物圖

3.1.2 一體化無線采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

一體化無線采集節(jié)點(diǎn)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(qiáng)的可拓展性強(qiáng)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 一體化無線采集節(jié)點(diǎn)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(gè)32 位ARM Cortex-M3 內(nèi)核，其主頻高達(dá)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(gè)一體化無線采集節(jié)點(diǎn)具有低功耗、高集成、可拓展的特點(diǎn)，非常適合設(shè)計(jì)中對(duì)于環(huán)境信息采集的需求。

3.2 視頻監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

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(dá)到千萬級(jí)別，在社會(huì)多個(gè)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(shí)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(duì)整個(gè)外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。基于光纖寬帶高速傳輸監(jiān)控視頻信號(hào)，建立遠(yuǎn)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(shí)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(shí)間地點(diǎn)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(shí)別系統(tǒng)對(duì)圖像清晰度的較高要求，選用500W 高清攝像頭進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測。機(jī)器類型選擇球機(jī)與槍機(jī)相結(jié)合的方式。多路安裝，既拍攝整體環(huán)境，又針對(duì)農(nóng)作物不同部位進(jìn)行局部監(jiān)控。一片種植區(qū)域計(jì)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(duì)農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)測，盡可能保障了對(duì)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(jī)進(jìn)行圖像存儲(chǔ)，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(chǔ)模塊

設(shè)計(jì)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(jìn)行。對(duì)于采集系統(tǒng)，采用無線傳輸方式，將采集到的信息進(jìn)行電信號(hào)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(duì)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(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)、網(wǎng)關(guān)與無線網(wǎng)絡(luò)等組成的。一體化采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過CC2630 模塊發(fā)射的無線射頻信號(hào)進(jìn)行傳輸。CC2630 模塊具有極高的接收靈敏度、強(qiáng)悍的抗干擾能力以及很低的功耗等優(yōu)點(diǎn)[7]，能夠滿足對(duì)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(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)進(jìn)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(diǎn)的工作流程設(shè)計(jì)、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(diǎn)工作流程設(shè)計(jì)

在采集農(nóng)作物環(huán)境信息時(shí)，首先需要將CC2630模塊進(jìn)行初始化，然后向網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)并獲取ID 進(jìn)行信息傳輸準(zhǔn)備。當(dāng)獲取網(wǎng)絡(luò)連接之后，進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集。采集信息結(jié)束后進(jìn)行信息發(fā)送。用戶也可以主動(dòng)激活休眠中的采集系統(tǒng)，立即結(jié)束休眠狀態(tài)進(jìn)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(jìn)入休眠狀態(tài)。整個(gè)采集流程如圖8 所示。

圖8 一體化無線采集節(jié)點(diǎn)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(shí)回放。而對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)拍攝的圖像的獲取，此處預(yù)設(shè)為每1 小時(shí)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(shí)獲取一次。也可以主動(dòng)獲取當(dāng)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(jì)采用低功耗、拓展性強(qiáng)的CC2630 芯片實(shí)現(xiàn)一體式無線采集模塊，方便后期種植者通過計(jì)算機(jī)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(jìn)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(shí)時(shí)傳輸不會(huì)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(shí)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(jì)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(duì)視頻監(jiān)控和環(huán)境數(shù)據(jù)采集兩個(gè)部分作了詳細(xì)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(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)已實(shí)際投入使用，在對(duì)農(nóng)作物區(qū)域的實(shí)時(shí)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(dá)到預(yù)期功能和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。通過作物圖像信息實(shí)現(xiàn)病蟲害種類診斷，發(fā)揮了便利和高效的優(yōu)勢，對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)病蟲害防治和降低食品安全隱患具有重要意義。