一種嵌入式多業務農情信息無線獲取節點開發*

肖克輝,馮健昭,肖德琴

(華南農業大學數學與信息學院,廣州 510642)

一種嵌入式多業務農情信息無線獲取節點開發*

肖克輝*,馮健昭,肖德琴

(華南農業大學數學與信息學院,廣州 510642)

精細農業應用領域中的農情信息獲取設備種類繁多,輸入輸出接口多樣,但是功能相對單一,可擴展性有待提高。為此,設計一種基于Android操作系統的多業務農情信息獲取節點,以展訊SC7731G為主控芯片,結合ADC接口、麥克風、圖像傳感器以及WiFi和3G無線通信模塊等,實現基于文本、音頻、圖像/視頻等多業務農情信息的一體化快速采集和無線傳輸。為了驗證節點的農情信息采集功能和無線傳輸性能,在室內外環境中進行了基于土壤濕度、音頻、圖像及視頻的數據采集試驗,通過3G移動網絡傳輸音頻數據,平均速率達到21 kbyte/s;通過WiFi局域網傳輸圖像和視頻數據,平均速率可達到2.63 Mbyte/s。試驗結果表明,節點能夠通過ADC接口外接文本數據傳感器,具備良好的音頻、圖像及視頻采集功能,能夠滿足精細農業對多業務農情信息的快速獲取和無線傳輸需要。

農情信息獲取;無線傳感器;模數轉換器;音頻信號;圖像傳感器

農情信息有多種數據表現形式,如溫濕度等文本類數值數據、農業生產環境聲音等音頻數據、農作物及環境等圖像數據以及農業環境監控等視頻數據。如何實現多業務農情信息的快速采集與無線傳輸,是精細農業可持續發展的重要前提和關鍵[1-2]。

精細農業應用領域中的農情信息獲取設備種類繁多,輸入輸出接口多樣,但是數據獲取功能單一,數據傳輸效率較低,應用擴展性有待提高[3-5]。文本類農情信息獲取設備如溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體濃度傳感器等,按照信號輸出格式可分為模擬信號類和數字信號類兩種;模擬信號類傳感器將采集到的模擬信號如電壓、電流等通過模數轉換器ADC(Analog Digital Converter)進行模數轉換,然后得到數字化輸出,但這類傳感器一般都需要根據應用環境進行標定,以滿足數據精度需要;而數字信號類傳感器可以直接通過SPI、UART或I2C等串行接口進行數字化輸出[6-7],如肖德琴等人[8]設計的田間水分水位傳感器。音頻類數據獲取設備一般使用麥克風模塊采集模擬音頻信號,經過采樣和量化等過程后進行數字化輸出[9],如徐志生等人[10]設計的用于采集候鳥音頻信息的多媒體傳感器;音頻錄制的質量主要取決于麥克風模塊的種類及其技術指標。圖像/視頻數據獲取設備一般通過單片機或嵌入式系統搭載CCD或CMOS圖像傳感器采集圖像和視頻信號,再進行數字化輸出[11],如殷建軍等人[12]設計的多光譜圖像采集節點;但受限于存儲容量、網絡帶寬及能耗要求,圖像傳感器的分辨率及圖像效果與真實應用環境還存在較大差距。從操作系統上看,農情信息獲取設備一般使用TinyOS[13]或基于ARM/Cortex的Linux、WinCE等嵌入式系統如Jaime Lloret等人設計用于葡萄園監控的圖像傳感器[14]以及肖德琴等人設計的農業圖像采集節點[15],通過構建基于數據庫的應用系統對多業務農情信息進行存儲、分析和展示[16],但這些設備在圖形界面操作及應用程序擴展等方面有待加強。

為滿足精細農業領域農情信息獲取的多業務需求,本文設計一種具有低成本和便攜式特點的多功能農情信息獲取節點,以展訊SC7731G為控制器芯片,采用Android嵌入式操作系統,結合ADC接口、麥克風、CMOS圖像傳感器以及無線通信模塊等部件,實現基于文本數據、音頻、圖像/視頻等多業務農情信息的一體化快速采集和無線傳輸,從而為精細農業生產的周期性/實時性決策提供多業務數據支持和技術保障。

1 系統設計與開發

多業務農情信息獲取節點是支持精細農業發展的重要基礎設施,但受限于農業生產的投入成本和環境狀況,必須慎重權衡節點軟硬件成本與服務質量。農情信息獲取節點既要能滿足文本、音頻、圖像及視頻等多業務數據采集需要,還要滿足無線傳輸性能、能量消耗、周期性/實時性等應用服務質量要求。

1.1 硬件系統開發

節點硬件結構設計及元器件選取時,通過以下方式滿足多業務農情信息獲取需要:①提供ADC、UART等接口以實時性/周期性采集模擬/數字信號的文本類環境參數。②提供麥克風接口用于獲取音頻數據。③提供攝像頭接口用于拍攝圖像和錄制視頻。④實現基于短距離/遠距離無線通訊方式的數據傳輸。

多業務農情信息無線獲取節點的硬件結構如圖1所示,主要由系統控制模塊、無線通信模塊、農情信息獲取模塊及電源模塊等組成。

圖1 節點硬件結構

節點以展訊SC7731G作為系統控制模塊。SC7731G集成了嵌入式WCDMA/GSM調制解調器,支持ZigBee、Bluetooth、WiFi等短距離無線通信方式;提供MIPI DSI的LCD顯示屏接口,支持YUV/RGB圖像顯示;提供MIPI CSI接口,支持JPEG/YUV/RAW RGB圖像傳感器,可實現1080P的MP4/H.264視頻錄制;支持MP3、ACC和WMA等格式的音頻解碼及回放;其存儲模塊EMCP包含1 GB 的DDR3 RAM和8GB的NAND Flash。

節點提供外部存儲器接口,通過SD卡可以實現大容量數據的本地化存儲。通過提供ADC接口、串行接口、USB以及麥克風等外部接口,節點能夠實現多業務農情信息獲取功能。節點外部供電為12 V直流電壓,可通過蓄電池或交流電為節點提供外部電源。SC7731G的供電電壓為3.6 V,集成了多個直流-直流轉換器,可以同時為內部芯片和外部設備供電。

①文本參數采集模塊

文本類參數采集電路主要實現傳感器采集信號的獲取與解析。如果傳感器輸出模擬信號,則通過SC7731G的ADC進行模數轉換,以輸出數字信號;如果傳感器輸出數字信號,則直接經過IO口接收數據,然后送至UART串口輸出。節點可以外接常見的文本參數采集傳感器,如土壤濕度傳感、土壤溫度傳感器等,外接傳感器一般由板載直流電源供電(電源線和地線)。

節點外接的文本參數采集傳感器以武漢富源飛科FY-H2-5V-V系列土壤濕度傳感器產品為例,該傳感器的供電電壓為5 V直流,輸出0～2.5 V直流電壓信號,經模數轉換后得到土壤濕度數據。該傳感器有三條線纜與節點相連,其中紅色為電源正極,黑色為電源負極,黃色為信號線,接線如圖2所示。

圖2 ADC接口

②音頻采集模塊

多業務農情信息獲取節點采用駐極體電容麥克風接口(咪頭直徑2.5 mm)進行音頻錄制,音頻采集電路如圖3所示。

圖3 音頻采集電路

圖3中,右端連接麥克風正負極,左端連接SC7731G對應的兩個針腳。該電路硬件接口簡單高效,支持MP3格式的音頻錄制及回放,能夠滿足農業環境音頻監控應用的基本需要。程序實現上,音頻數據通過Android系統提供的MediaRecorder類進行錄制和處理,最后寫入SD卡中。

③圖像/視頻采集模塊

節點圖像/視頻采集使用OmniVision公司的OV2710系列MIPI接口CMOS圖像傳感器,分辨率可達1080P(1920×1080),最高視頻幀率為30 frame/s,工作電壓為3.6 V直流電壓,工作狀態功率為350 mW,休眠狀態電流為70 μA,靈敏度為3 700 mV/lux-sec。該圖像傳感器的分辨率和幀率可以滿足農業環境視頻監控的基本需要。

在Android系統中,通過調用MediaRecorder類實現圖像/視頻數據的錄制、顯示及存儲等過程,節點外接的LCD顯示屏可以用于圖像/視頻預覽,圖像/視頻數據可以本地存儲于SD卡中。

1.2 軟件系統開發

圖4 節點軟件結構

節點軟件系統基于Android 4.4.2內核(如圖4所示),主要用于實現多業務農情信息的快速采集、本地存儲和無線傳輸。Android是一種開源的嵌入式操作系統,具有友好的圖形操作界面以及良好的應用程序擴展性,這使得節點易于操作和控制。農情信息采集以文本參數、音頻、圖像及視頻數據為主,通過分級存儲策略及存儲覆蓋技術實現數據的本地化存儲,然后根據實際應用需要,通過無線通信模塊將農情信息實時性/周期性地傳輸至遠程數據中心服務器。

(1)文本參數采集

文本參數采集以土壤濕度傳感器采集土壤容積含水量數據為例。土壤濕度傳感器采用武漢富源飛科FY-H2-5V-V型號產品,該傳感器采用電磁脈沖原理測量土壤的表觀介電常數,從而得到土壤容積含水量,其相對濕度的測量范圍為0～100%,測量準確度為±3%,供電電壓為5 V直流,輸出為0～2.5 V直流電壓信號。

土壤濕度傳感器采集土壤濕度數據的工作流程如下:①從寄存器ADC_DR中讀出12位二進制的ADC值,轉換成十進制數Ad。②按照下述公式計算電壓值Av:

Av=Ad×(3.3/4 096)

③根據Av值,通過查表得到土壤容積含水量。④將土壤容積含水量數據輸出至串口。

上述②中的Av值是將采樣參考電壓0～3.3 V按照12位(十進制數4 096)ADC分辨率進行等分計算的,即每位采樣值為3.3/4 096。

(2)音頻采集

音頻數據采集通過使用Android系統提供的MediaRecorder 類來實現,具體流程為:①創建保存錄音的音頻文件;②創建音頻錄制對象;③設置聲音來源,指定錄制來自麥克風的聲音;④設置音頻文件輸出格式;⑤設置音頻的編碼格式、編碼位率、采樣率等;⑥設置音頻文件的保存位置;⑦準備錄制音頻;⑧開始錄制音頻;⑨錄制完成,停止錄制,釋放資源。

其中,上述步驟④和⑤不能顛倒順序,否則程序將會拋出異常;而且,設置的音頻編碼格式要與音頻輸出格式相對應,否則錄制的音頻文件將不符合播放標準。

(3)圖像/視頻采集

與音頻數據采集相似,視頻數據也使用Android系統的MediaRecorder類進行錄制。錄制視頻與錄制音頻的流程基本相同,只是錄制視頻時不僅需要采集聲音,還需要采集圖像。為了讓MediaRecorder錄制時采集圖像,需要在設置聲音來源后再設置圖像來源。除此之外,還需在設置輸出文件格式之后進行如下步驟:①設置所錄制視頻的編碼格式、編碼位率、每秒多少幀等。這些參數將可以控制所錄制的視頻的品質、文件的大小。一般來說,視頻品質越好,視頻文件越大。②設置視頻預覽。

視頻錄制流程如圖5所示,其中虛線方框內的操作用于設置所錄制音頻和視頻的相關參數以及屬性等。

圖5 視頻錄制流程

實際應用中,視頻錄制會長時間占用攝像頭,所以節點采集的圖像一般是通過提取攝像頭獲取的視頻幀而得到的。在程序實現中,利用Android系統提供的MediaMetadataRetriever類,按照時間順序或以一定的周期截取所需的視頻幀,然后以JPEG格式寫入SD卡或通過3G網絡上傳至遠程數據服務器。

2 試驗與分析

為了檢驗節點的多業務農情信息獲取功能,使用外置蓄電池為節點提供12 V電壓的直流供電,在室內外環境中進行了基于土壤濕度、音頻、圖像及視頻的數據采集試驗,并通過3G移動通訊網絡以及WiFi局域網對節點的無線數據傳輸性能進行測試。

2.1 土壤濕度試驗

土壤容積含水量是單位土壤總容積中水分所占的容積分數,計算方法為:

θv=Vw/Vs×100%

式中:θv為土壤容積含水量,Vw為土壤水容積,Vs為土壤總容積。

土壤濕度試驗在華南農業大學岑村農場稻田取土(E113.375679,N23.171029),采用烘干法測量土壤密度為1.23 g/cm3。試驗取烘干土壤800 cm3,按照理論土壤容積含水量θ加水,取土壤容積含水量10%、20%、30%、40%、50%和60%進行分時測量。試驗結果取相應參數的10次平均值計算,如圖6所示。對比理論含水量θ和試驗含水量θv可以看出,試驗采用的濕度傳感器在土壤容積含水量低于30%的情況下誤差偏大,30%以上誤差較小,這從側面也驗證了節點的文本信息采集功能的可用性。

圖6 土壤濕度試驗曲線

2.2 音頻采集

節點采集的音頻為m4a格式,比特率為128 kbyte/s。為測試節點無線傳輸性能,使用3G網絡傳輸音頻文件至公網服務器[10],計算傳輸時間如表1所示。經多次測試,3G網絡傳輸音頻數據的總體平均速率約為21 kbyte/s。

表1 音頻采集試驗

2.3 圖像/視頻采集

因為數據量較大,節點采集的圖像/視頻可以通過WiFi局域網上傳至服務器。測試時,節點通過無線路由器將數據發送至帶有無線網卡的臺式機服務器。無線路由器型號為TP-LINK的TL-WR941N,其最高數據傳輸速率為450 Mbyte/s;臺式機服務器使用帶有USB接口的Tenda W311M無線網卡,最高數據傳輸速率為150 Mbyte/s。

①圖像

節點采集的圖像分辨率為1 920×1 080,以JPEG格式存儲。基于JPEG壓縮算法的變換和編碼方式,相同分辨率和相同尺寸的JPEG格式圖片,文件大小會有少許差異。試驗中采用WiFi局域網進行無線傳輸測試,測試結果如表2所示,表中各序號對應圖像的傳輸時間為20次平均值,總體平均傳輸速率約為0.89 Mbyte/s。

②視頻

節點采集的視頻分辨率為1 920×1 088(即1080P),文件保存格式為MP4,幀速率為29 frame/s。試驗中,通過WiFi局域網進行無線數據傳輸測試,測試結果如表3所示。表中各序號對應視頻的傳輸時間為20次平均值,總體平均傳輸速率約為2.63 Mbyte/s,試驗中還發現,文件越大,平均傳輸速率越高,但相差幅度較小。

表2 圖像采集試驗

表3 視頻采集試驗

上述圖像和視頻兩組測試得到的平均數據傳輸速率略有差異,這與WiFi傳輸方式以及真實網絡環境有關。通過大容量的視頻數據傳輸測試,更能反映真實的網絡狀況,從而得到較為穩定的數據傳輸速率。

3 結論

①基于展訊SC7731芯片和Android操作系統設計了多功能一體化的多業務農情信息獲取節點,通過ADC接口、麥克風、圖像傳感器等實現文本、音頻、圖像及視頻數據的實時性/周期性并發采集,可以使用WiFi局域網和移動通訊網絡進行無線數據傳輸。室內外實驗表明,節點能夠滿足精細農業對多業務農情信息的快速獲取和無線傳輸需求。

②與現有的功能性傳感器相比,節點具有多功能一體化、圖形界面交互性強、體積小和成本低等特點,在精細農業應用領域具有廣闊的應用前景。節點的數據獲取功能性完備,但在無線傳輸性能和節點組網應用方面有待進一步優化和完善。

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AnEmbeddedWirelessSensorforMulti-ServiceAgriculturalInformationAcquisition*

XIAOKehui*,FENGJianzhao,XIAODeqin

(College of Mathematics and Informatics,South China Agricultural University,Guangzhou 510640,China)

Agricultural information devices have different varieties and various input/output interfaces,however,these devices are lack of extensibility. To meet the demand of multi-service agricultural information acquisition for precision agriculture,a multi-service agricultural information acquisition node with multi-function integration is developed based on Android embedded operating system. SC7731 chip is used as microcontroller chip of the node. Combined with ADC interface,microphone,image sensor,WiFi and 3G mobile communication module,the node is designed for rapid acquisition and wireless transmission of multi-service agricultural information in form of text,audio,image and video. To verify the performance of agricultural information acquisition and wireless data transmission of the node,experiments are done to acquire data of soil moisture content,audio,image and video. Audio data are transmitted by 3G mobile communication networks;the average transmission rate is about to 21 kbyte/s. Take large data volume into account,image and video data are transmitted by WiFi local area networks,the average rate is about to 2.63 Mbyte/s. The results show that the node can be connected with some sensors for text information acquisition by ADC interface,and works well on data acquisition of audio,image and video. The results also indicate that the node is feasible for rapid acquisition and wireless transmission of multi-service agricultural information in precision agriculture.

agricultural information acquisition;wireless sensor;analog and digital converter;audio signal;image sensor

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.022

項目來源:廣東省自然科學基金項目(2016A030313389);廣東省科技計劃項目(2014B020205004,2015A020209129,2016B010110005,2017A030222001);國家星火計劃項目(2015GA780038)

2017-01-19修改日期2017-09-07

TP212;S126

A

1004-1699(2017)12-1912-06

肖克輝(1981-),男,工學博士,高級實驗師,華南農業大學數學與信息學院,主要從事農業物聯網技術及應用研究,humorxiao@163.com。