基于Lora的多場景農(nóng)作物視頻監(jiān)控系統(tǒng)

田波 王平

摘要：為實現(xiàn)農(nóng)作物遠程認養(yǎng)共享和精細化的管理，對其進行視頻監(jiān)控是必要的手段，但在傳統(tǒng)的圖像傳輸需要較大的帶寬，在網(wǎng)絡配置的成本較高。而通過zigbee和藍牙等方式無法實現(xiàn)遠離的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)利用Lora進行圖像傳輸，可以實現(xiàn)寬范圍和低成本的圖像采集，通過STM32F407對圖像進行減幀，可以極大壓縮圖像的數(shù)據(jù)大小，再通過后臺可將圖像進行插幀還原，可在窄帶的情況下實現(xiàn)圖像的連續(xù)傳輸。

1、系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)的主框圖如下圖1所示，本系統(tǒng)主要由電源模塊、主控模塊、Lora傳輸模塊、攝像頭圖像采集模塊和光電開關模塊組成。電源模塊為其他各模塊提供穩(wěn)定的供電，光電開關模塊發(fā)出脈沖信號觸發(fā)STM32F407微控制器，然后微控制器對攝像頭模塊進行控制并接收攝像頭模塊采集的圖像信息，最后通過Lora模塊將圖像信息傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)Lora數(shù)傳電臺并最終上傳至服務器。

2、電源模塊

本系統(tǒng)電源模塊采用12V的外部電源和12V鋰電池兩種供電方式，兩種方式可以進行靈活的切換。當12V外部電源接入時可為整個系統(tǒng)供電并對12V鋰電池充電;當12V外部電源突然斷開時會立即切換至12V鋰電池供電，并通過緩啟動電路保證了系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。然后通過DC-DC模塊將12V轉換為5V，再將5V轉換為3.3V，為系統(tǒng)各模塊提供不同電壓等級的電源。本系統(tǒng)電源模塊的結構圖和電路圖如下圖2、圖3所示：

緩啟動電路主要是為了防止電源電壓抖動延時上電和控制輸入電流的上升斜率和幅值。上圖3中Q1為增強型NMOS用來控制電源地的導通，電阻R4和C30控制上電電流的上升斜率，R5是防止MOS管自激振蕩，鉗位二極管D4的作用是保護MOS管的柵源極不被高壓擊穿。當電源接通時，通過R4對C30進行充電，當C30兩端的電壓即NMOS柵源電壓Vgs小于NMOS的導通閾值電壓Vth時DS兩極不導通;當Vgs≥Vth時，NMOS導通，漏源電流Ids開始增大，等NMOS管的柵源電壓Vgs升高到平臺電壓Vplt時，Ids也將達到最大，此時漏源電壓Vds進入飽和，開始逐漸降低，平臺電壓Vplt結束時，MOS管完全導通，漏源電壓Ids降到最低，MOS管的導通電阻Rds最小。

3、攝像頭圖像采集模塊

本系統(tǒng)攝像頭模塊采用兩個ov2640攝像頭分別對相鄰的兩棵果樹進行圖像采集。由于STM32F407微控制器只有一個數(shù)字攝像頭接口（DCMI），故通過兩片16bit鎖存器切換接收兩個攝像頭的圖像數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)攝像頭模塊的結構圖和電路圖如下圖4所示：

4、Lora傳輸模塊

本系統(tǒng)Lora傳輸部分采用了220.125-236.125MHz、410.125-493.125MHz和850.125-930.125MHz三種不同工作頻段的Lora模塊，可進行合理的選擇分配傳輸，提高了圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎头€(wěn)定性。當農(nóng)作物傳輸數(shù)據(jù)量較大時，提高節(jié)點分布密度，并采用900MMHz頻段提高輸出傳輸速率;當農(nóng)作物傳輸數(shù)據(jù)量較少時，為降低成本，實現(xiàn)更廣范圍的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)可采用200MHz頻段的Lora模塊，在兼顧傳輸速率和距離上可以選擇00MHz頻段的Lora模塊。在本系設計上通過選擇封裝兼容的三種模塊，通過配置不同的天線即可實現(xiàn)不同場景的應用。如下圖所示為Lora模塊電路接口，M0/M1/AUX信號為模塊的模式選擇信號，TX/RX為模塊透傳的通信信號。

5、 結論

本系統(tǒng)通過配置不同頻段的Lora的模塊，實現(xiàn)不同場景的數(shù)據(jù)圖像傳輸要求，滿足農(nóng)作物視頻監(jiān)控的不同需求。同時系統(tǒng)利用低成本處理器可以對圖像數(shù)據(jù)進行減幀，再通過后臺進行插幀，可以在視覺上實現(xiàn)連續(xù)的視頻監(jiān)控，在農(nóng)作物認養(yǎng)共享應用上具有較強應用前景。