肖克辉,冯健昭,肖德琴

(华南农业大学数学与信息学院,广州 510642)

一种嵌入式多业务农情信息无线获取节点开发*

肖克辉*,冯健昭,肖德琴

(华南农业大学数学与信息学院,广州 510642)

精细农业应用领域中的农情信息获取设备种类繁多,输入输出接口多样,但是功能相对单一,可扩展性有待提高。为此,设计一种基于Android操作系统的多业务农情信息获取节点,以展讯SC7731G为主控芯片,结合ADC接口、麦克风、图像传感器以及WiFi和3G无线通信模块等,实现基于文本、音频、图像/视频等多业务农情信息的一体化快速采集和无线传输。为了验证节点的农情信息采集功能和无线传输性能,在室内外环境中进行了基于土壤湿度、音频、图像及视频的数据采集试验,通过3G移动网络传输音频数据,平均速率达到21 kbyte/s;通过WiFi局域网传输图像和视频数据,平均速率可达到2.63 Mbyte/s。试验结果表明,节点能够通过ADC接口外接文本数据传感器,具备良好的音频、图像及视频采集功能,能够满足精细农业对多业务农情信息的快速获取和无线传输需要。

农情信息获取;无线传感器;模数转换器;音频信号;图像传感器

农情信息有多种数据表现形式,如温湿度等文本类数值数据、农业生产环境声音等音频数据、农作物及环境等图像数据以及农业环境监控等视频数据。如何实现多业务农情信息的快速采集与无线传输,是精细农业可持续发展的重要前提和关键[1-2]。

精细农业应用领域中的农情信息获取设备种类繁多,输入输出接口多样,但是数据获取功能单一,数据传输效率较低,应用扩展性有待提高[3-5]。文本类农情信息获取设备如温湿度传感器、光照传感器、气体浓度传感器等,按照信号输出格式可分为模拟信号类和数字信号类两种;模拟信号类传感器将采集到的模拟信号如电压、电流等通过模数转换器ADC(Analog Digital Converter)进行模数转换,然后得到数字化输出,但这类传感器一般都需要根据应用环境进行标定,以满足数据精度需要;而数字信号类传感器可以直接通过SPI、UART或I2C等串行接口进行数字化输出[6-7],如肖德琴等人[8]设计的田间水分水位传感器。音频类数据获取设备一般使用麦克风模块采集模拟音频信号,经过采样和量化等过程后进行数字化输出[9],如徐志生等人[10]设计的用于采集候鸟音频信息的多媒体传感器;音频录制的质量主要取决于麦克风模块的种类及其技术指标。图像/视频数据获取设备一般通过单片机或嵌入式系统搭载CCD或CMOS图像传感器采集图像和视频信号,再进行数字化输出[11],如殷建军等人[12]设计的多光谱图像采集节点;但受限于存储容量、网络带宽及能耗要求,图像传感器的分辨率及图像效果与真实应用环境还存在较大差距。从操作系统上看,农情信息获取设备一般使用TinyOS[13]或基于ARM/Cortex的Linux、WinCE等嵌入式系统如Jaime Lloret等人设计用于葡萄园监控的图像传感器[14]以及肖德琴等人设计的农业图像采集节点[15],通过构建基于数据库的应用系统对多业务农情信息进行存储、分析和展示[16],但这些设备在图形界面操作及应用程序扩展等方面有待加强。

为满足精细农业领域农情信息获取的多业务需求,本文设计一种具有低成本和便携式特点的多功能农情信息获取节点,以展讯SC7731G为控制器芯片,采用Android嵌入式操作系统,结合ADC接口、麦克风、CMOS图像传感器以及无线通信模块等部件,实现基于文本数据、音频、图像/视频等多业务农情信息的一体化快速采集和无线传输,从而为精细农业生产的周期性/实时性决策提供多业务数据支持和技术保障。

1 系统设计与开发

多业务农情信息获取节点是支持精细农业发展的重要基础设施,但受限于农业生产的投入成本和环境状况,必须慎重权衡节点软硬件成本与服务质量。农情信息获取节点既要能满足文本、音频、图像及视频等多业务数据采集需要,还要满足无线传输性能、能量消耗、周期性/实时性等应用服务质量要求。

1.1 硬件系统开发

节点硬件结构设计及元器件选取时,通过以下方式满足多业务农情信息获取需要:①提供ADC、UART等接口以实时性/周期性采集模拟/数字信号的文本类环境参数。②提供麦克风接口用于获取音频数据。③提供摄像头接口用于拍摄图像和录制视频。④实现基于短距离/远距离无线通讯方式的数据传输。

多业务农情信息无线获取节点的硬件结构如图1所示,主要由系统控制模块、无线通信模块、农情信息获取模块及电源模块等组成。

图1 节点硬件结构

节点以展讯SC7731G作为系统控制模块。SC7731G集成了嵌入式WCDMA/GSM调制解调器,支持ZigBee、Bluetooth、WiFi等短距离无线通信方式;提供MIPI DSI的LCD显示屏接口,支持YUV/RGB图像显示;提供MIPI CSI接口,支持JPEG/YUV/RAW RGB图像传感器,可实现1080P的MP4/H.264视频录制;支持MP3、ACC和WMA等格式的音频解码及回放;其存储模块EMCP包含1 GB 的DDR3 RAM和8GB的NAND Flash。

节点提供外部存储器接口,通过SD卡可以实现大容量数据的本地化存储。通过提供ADC接口、串行接口、USB以及麦克风等外部接口,节点能够实现多业务农情信息获取功能。节点外部供电为12 V直流电压,可通过蓄电池或交流电为节点提供外部电源。SC7731G的供电电压为3.6 V,集成了多个直流-直流转换器,可以同时为内部芯片和外部设备供电。

①文本参数采集模块

文本类参数采集电路主要实现传感器采集信号的获取与解析。如果传感器输出模拟信号,则通过SC7731G的ADC进行模数转换,以输出数字信号;如果传感器输出数字信号,则直接经过IO口接收数据,然后送至UART串口输出。节点可以外接常见的文本参数采集传感器,如土壤湿度传感、土壤温度传感器等,外接传感器一般由板载直流电源供电(电源线和地线)。

节点外接的文本参数采集传感器以武汉富源飞科FY-H2-5V-V系列土壤湿度传感器产品为例,该传感器的供电电压为5 V直流,输出0～2.5 V直流电压信号,经模数转换后得到土壤湿度数据。该传感器有三条线缆与节点相连,其中红色为电源正极,黑色为电源负极,黄色为信号线,接线如图2所示。

图2 ADC接口

②音频采集模块

多业务农情信息获取节点采用驻极体电容麦克风接口(咪头直径2.5 mm)进行音频录制,音频采集电路如图3所示。

图3 音频采集电路

图3中,右端连接麦克风正负极,左端连接SC7731G对应的两个针脚。该电路硬件接口简单高效,支持MP3格式的音频录制及回放,能够满足农业环境音频监控应用的基本需要。程序实现上,音频数据通过Android系统提供的MediaRecorder类进行录制和处理,最后写入SD卡中。

③图像/视频采集模块

节点图像/视频采集使用OmniVision公司的OV2710系列MIPI接口CMOS图像传感器,分辨率可达1080P(1920×1080),最高视频帧率为30 frame/s,工作电压为3.6 V直流电压,工作状态功率为350 mW,休眠状态电流为70 μA,灵敏度为3 700 mV/lux-sec。该图像传感器的分辨率和帧率可以满足农业环境视频监控的基本需要。

在Android系统中,通过调用MediaRecorder类实现图像/视频数据的录制、显示及存储等过程,节点外接的LCD显示屏可以用于图像/视频预览,图像/视频数据可以本地存储于SD卡中。

1.2 软件系统开发

图4 节点软件结构

节点软件系统基于Android 4.4.2内核(如图4所示),主要用于实现多业务农情信息的快速采集、本地存储和无线传输。Android是一种开源的嵌入式操作系统,具有友好的图形操作界面以及良好的应用程序扩展性,这使得节点易于操作和控制。农情信息采集以文本参数、音频、图像及视频数据为主,通过分级存储策略及存储覆盖技术实现数据的本地化存储,然后根据实际应用需要,通过无线通信模块将农情信息实时性/周期性地传输至远程数据中心服务器。

(1)文本参数采集

文本参数采集以土壤湿度传感器采集土壤容积含水量数据为例。土壤湿度传感器采用武汉富源飞科FY-H2-5V-V型号产品,该传感器采用电磁脉冲原理测量土壤的表观介电常数,从而得到土壤容积含水量,其相对湿度的测量范围为0～100%,测量准确度为±3%,供电电压为5 V直流,输出为0～2.5 V直流电压信号。

土壤湿度传感器采集土壤湿度数据的工作流程如下:①从寄存器ADC_DR中读出12位二进制的ADC值,转换成十进制数Ad。②按照下述公式计算电压值Av:

Av=Ad×(3.3/4 096)

③根据Av值,通过查表得到土壤容积含水量。④将土壤容积含水量数据输出至串口。

上述②中的Av值是将采样参考电压0～3.3 V按照12位(十进制数4 096)ADC分辨率进行等分计算的,即每位采样值为3.3/4 096。

(2)音频采集

音频数据采集通过使用Android系统提供的MediaRecorder 类来实现,具体流程为:①创建保存录音的音频文件;②创建音频录制对象;③设置声音来源,指定录制来自麦克风的声音;④设置音频文件输出格式;⑤设置音频的编码格式、编码位率、采样率等;⑥设置音频文件的保存位置;⑦准备录制音频;⑧开始录制音频;⑨录制完成,停止录制,释放资源。

其中,上述步骤④和⑤不能颠倒顺序,否则程序将会抛出异常;而且,设置的音频编码格式要与音频输出格式相对应,否则录制的音频文件将不符合播放标准。

(3)图像/视频采集

与音频数据采集相似,视频数据也使用Android系统的MediaRecorder类进行录制。录制视频与录制音频的流程基本相同,只是录制视频时不仅需要采集声音,还需要采集图像。为了让MediaRecorder录制时采集图像,需要在设置声音来源后再设置图像来源。除此之外,还需在设置输出文件格式之后进行如下步骤:①设置所录制视频的编码格式、编码位率、每秒多少帧等。这些参数将可以控制所录制的视频的品质、文件的大小。一般来说,视频品质越好,视频文件越大。②设置视频预览。

视频录制流程如图5所示,其中虚线方框内的操作用于设置所录制音频和视频的相关参数以及属性等。

图5 视频录制流程

实际应用中,视频录制会长时间占用摄像头,所以节点采集的图像一般是通过提取摄像头获取的视频帧而得到的。在程序实现中,利用Android系统提供的MediaMetadataRetriever类,按照时间顺序或以一定的周期截取所需的视频帧,然后以JPEG格式写入SD卡或通过3G网络上传至远程数据服务器。

2 试验与分析

为了检验节点的多业务农情信息获取功能,使用外置蓄电池为节点提供12 V电压的直流供电,在室内外环境中进行了基于土壤湿度、音频、图像及视频的数据采集试验,并通过3G移动通讯网络以及WiFi局域网对节点的无线数据传输性能进行测试。

2.1 土壤湿度试验

土壤容积含水量是单位土壤总容积中水分所占的容积分数,计算方法为:

θv=Vw/Vs×100%

式中:θv为土壤容积含水量,Vw为土壤水容积,Vs为土壤总容积。

土壤湿度试验在华南农业大学岑村农场稻田取土(E113.375679,N23.171029),采用烘干法测量土壤密度为1.23 g/cm3。试验取烘干土壤800 cm3,按照理论土壤容积含水量θ加水,取土壤容积含水量10%、20%、30%、40%、50%和60%进行分时测量。试验结果取相应参数的10次平均值计算,如图6所示。对比理论含水量θ和试验含水量θv可以看出,试验采用的湿度传感器在土壤容积含水量低于30%的情况下误差偏大,30%以上误差较小,这从侧面也验证了节点的文本信息采集功能的可用性。

图6 土壤湿度试验曲线

2.2 音频采集

节点采集的音频为m4a格式,比特率为128 kbyte/s。为测试节点无线传输性能,使用3G网络传输音频文件至公网服务器[10],计算传输时间如表1所示。经多次测试,3G网络传输音频数据的总体平均速率约为21 kbyte/s。

表1 音频采集试验

2.3 图像/视频采集

因为数据量较大,节点采集的图像/视频可以通过WiFi局域网上传至服务器。测试时,节点通过无线路由器将数据发送至带有无线网卡的台式机服务器。无线路由器型号为TP-LINK的TL-WR941N,其最高数据传输速率为450 Mbyte/s;台式机服务器使用带有USB接口的Tenda W311M无线网卡,最高数据传输速率为150 Mbyte/s。

①图像

节点采集的图像分辨率为1 920×1 080,以JPEG格式存储。基于JPEG压缩算法的变换和编码方式,相同分辨率和相同尺寸的JPEG格式图片,文件大小会有少许差异。试验中采用WiFi局域网进行无线传输测试,测试结果如表2所示,表中各序号对应图像的传输时间为20次平均值,总体平均传输速率约为0.89 Mbyte/s。

②视频

节点采集的视频分辨率为1 920×1 088(即1080P),文件保存格式为MP4,帧速率为29 frame/s。试验中,通过WiFi局域网进行无线数据传输测试,测试结果如表3所示。表中各序号对应视频的传输时间为20次平均值,总体平均传输速率约为2.63 Mbyte/s,试验中还发现,文件越大,平均传输速率越高,但相差幅度较小。

表2 图像采集试验

表3 视频采集试验

上述图像和视频两组测试得到的平均数据传输速率略有差异,这与WiFi传输方式以及真实网络环境有关。通过大容量的视频数据传输测试,更能反映真实的网络状况,从而得到较为稳定的数据传输速率。

3 结论

①基于展讯SC7731芯片和Android操作系统设计了多功能一体化的多业务农情信息获取节点,通过ADC接口、麦克风、图像传感器等实现文本、音频、图像及视频数据的实时性/周期性并发采集,可以使用WiFi局域网和移动通讯网络进行无线数据传输。室内外实验表明,节点能够满足精细农业对多业务农情信息的快速获取和无线传输需求。

②与现有的功能性传感器相比,节点具有多功能一体化、图形界面交互性强、体积小和成本低等特点,在精细农业应用领域具有广阔的应用前景。节点的数据获取功能性完备,但在无线传输性能和节点组网应用方面有待进一步优化和完善。

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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

项目来源:广东省自然科学基金项目(2016A030313389);广东省科技计划项目(2014B020205004,2015A020209129,2016B010110005,2017A030222001);国家星火计划项目(2015GA780038)

2017-01-19修改日期2017-09-07

TP212;S126

A

1004-1699(2017)12-1912-06

肖克辉(1981-),男,工学博士,高级实验师,华南农业大学数学与信息学院,主要从事农业物联网技术及应用研究,humorxiao@163.com。