CN103076788A - 基于嵌入式技术的果品远程综合评估系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于嵌入式技术的远程果品综合评估系统采用ARM+LINUX嵌入式系统平台，由电子秤称得果品的重量，由ZigBee无线传感网络采集现场环境参数，经云台四个方向的转动来控制USB摄像头获取视频信息，通过3G无线模块将采集到的数据实时上传远程WEB客户端。该系统具备数据自动采集、远程传输、存储管理、网络发布等功能。从逻辑结构上系统有三大子系统：基于嵌入式技术的测控中心子系统、基于ZigBee无线网络的环境因子采集子系统和基于WEB的远程客户端子系统。远程用户可根据自己的意愿，通过浏览果园WEB服务器实时查看现场果品的采摘、称重等场景与果品生长环境的相关信息，以利于远程用户对水果品质的综合评价。

Description

基于嵌入式技术的果品远程综合评估系统和方法

技术领域

本发明涉及一种果品的远程综合评估系统，该系统采用ARM+LINUX嵌入式系统平台，由电子秤称得果品的重量；由ZigBee无线传感网络采集现场环境参数，从而了解果品的生长过程信息；经云台的上下和左右四个方向的转动来控制USB摄像头获取视频信息，实现了远程查看果品的外形质量；最后，通过3G无线模块实现现场测控中心子系统与远程WEB客户端的信息交互，供远程用户查询、监控和评估。

背景技术

传统的果品采购需要人员到果园现场考察其品质才能作出决定，这样不仅费时费力，而且需要出差费用，增加采购成本。随着嵌入式系统、网络和图像信息处理技术的发展，为农业数据信息传输和监控提供了发展机遇。本专利在创造性地综合采用现代技术的基础上，根据实际需求，设计了一套集智能检测与控制、无线通信、远程数据传输、视频监控和称重数据分析于一体的果品综合评估系统。

该系统采用低成本的ARM+LINUX平台，将嵌入式技术、网络技术和无线通信技术相结合，实现果品品质数据信息的综合获取，以及数据的远程传输，使用户以较低的成本实现在任意时间和地点获取所需的异地现场信息，完成以往需要亲临现场才能完成的工作。

发明内容

本发明的目的是利用嵌入式技术、网络技术和无线通信技术，实现果品品质数据信息的综合获取，以及数据的远程传输，使用户以较低的成本实现在任意时间和地点获取所需的异地现场信息，完成异地果品的综合评估，并实现远程监控功能。

本发明采用的技术方案是：基于嵌入式技术的远程果品综合评估系统，以ARM1176JZ(F)-S作为控制核心，从逻辑结构上可划分为三大子系统：基于嵌入式技术的果园现场测控中心子系统、基于ZigBee无线网络的果园环境参数采集子系统和基于WEB技术的果园现场远程监控客户端子系统。

基于嵌入式技术的果园现场测控中心子系统由电子秤称得果品的重量，由两台步进电机带动云台上下和左右四个方向的转动，从而安装在云台上的USB摄像头可获取多视角场景信息，如电子秤称重过程、果园的实时场景等视频信息，采用无线传感网络通信技术与分布式环境参数采集子系统实现数据获取和传输，采用3G无线通信技术将采集到的数据实时上传远程WEB客户端。

基于ZigBee无线传感网络技术的分布式环境采集子系统采集现场环境参数，并上传到测控中心子系统。在该子系统中，协调节点能够建立一个新的网络并允许其他节点加入，同时实现无线传感器网络和测控中心的数据通信。传感器节点是该子系统的数据源，有安装在现场的降水量传感器、空气温湿度、土壤温湿度、光照强度和土壤PH值等多路传感器采集模块，采用电池供电方式。

基于WEB技术的果园现场远程监控客户端子系统实现果园现场与远程客户的交互，通过运行在服务器上的CGI程序，采用B/S机制（浏览器/服务器），为外部应用程序与服务器交互提供一个标准的接口。

基于ZigBee无线传感网络技术的分布式环境采集子系统中，为了节约能耗，该子系统为传感器节点设计了根据季节、时段和生长期等因素智能确定采集频次的定期采集和休眠两种工作模式。为了节约能耗，在休眠状态下，传感器节点的大部分内部电路掉电关闭，只有上电复位、外部中断和32.768kHz睡眠时钟处于活跃状态，整个系统处于低功耗状态。在智能定期采集模式下，网络中采集数据的传感器节点将按照设定的时间间隔和循环次数对环境数据进行采集和上传，当采集到指定次数后，传感器节点自动进入睡眠模式。

本发明还公开了一种基于嵌入式技术的远程果品综合评估方法，包括以下步骤：

（1）果园现场测控中心子系统通过电子秤获取果品重量，通过云台摄像头获取多视角多场景的图像，获取的上述信息和来自于果园环境参数子系统采集的果园环境参数经3G模块传送至远程监控客户端；

（2）果园环境参数子系统通过降水量传感器、空气温湿度、土壤温湿度、光照强度和土壤PH值多路传感器采集模块，采集果园环境参数并上传到果园现场测控中心子系统；

（3）果园现场远程监控客户端子系统，通过公共网关接口程序完成Web服务器和远程浏览器的交互，用户通过Web服务器模块远程实时控制和查看由果园现场测控中心子系统的摄像头拍摄的现场果品的采摘、电子秤称重过程和果园环境参数相关信息。

本发明的有益效果是：该系统不仅实现了远程查看果品的外形质量，而且通过电子秤获得果品的物理质量，和环境参数采集子系统采集果品的生长过程信息以及内在质量，让评估者能够科学和直观的全面评估。用户无论身在何处，只要通过联网计算机均可随时了解果园现场的果品情况，从而能够为果品采购者提供第一手品质数据资料。

附图说明

图1.基于嵌入式技术的果品综合评估结构示意图。

图2图像采集流程图。

图3协调节点的设计流程图。

图4传感器节点工作流程图。

图5CGI具体流程图。

具体实施方式

基于嵌入式技术的远程果品综合评估系统以ARM1176JZ(F)-S作为控制的核心，从逻辑结构上可划分为三大子系统：基于嵌入式技术的果园现场测控中心子系统、基于ZigBee无线网络的果园环境参数采集子系统和基于WEB技术的果园现场远程监控客户端子系统。系统结构如图1所示。

1.基于嵌入式技术的测控中心子系统

图1中基于嵌入式技术的果园现场测控中心子系统由ARM+LINUX嵌入式模块、云台摄像头、电子秤和3G模块组成。其中，在ARM+LINUX嵌入式模块中，选用ARM1176JZ(F)-S核作为控制核心，Linux为操作系统，并嵌入SQLite数据库和BOA服务器。

图1中基于嵌入式技术的果园现场测控中心子系统中云台摄像头用来采集现场视频信息。其中，云台是由一个控制垂直方向和一个控制水平方向的步进电机组成，摄像头就安装在云台上，可实现上下和左右转动，从而带动摄像头的摄像场景的变化。云台的设计选用四相步进电机，考虑到对步距精度高和输出转矩大的要求，使电机工作于八拍方式，按(A-AB-B-BC-C-CD-D-AD-A)依次通电，电机就正转，反方向通电就会反转，通过控制每个脉冲之间的通电时间来控制电机转速。

图像的采集是通过Video4Linux API接口控制视频设备驱动程序完成图像的实时采集，采集流程如图2所示。采集步骤如下：

①调用函数grab_fd=open(”/dev/video0”,O_RDWR)打开视频设备grab_fd是设备打开后返回的文件描述符；

②利用ioctl(grab_fd,VIDIOCGCAP，&grab_cap)函数读取struct video_capability中有关摄像头的信息；

③采用mmap()方式完成内核空间到用户空间的映射；

④通过设置grab_buf.frame=0实现单帧的采集，利用grab_fd.frames值确定循环次数来完成多帧图像的采集；

⑤最后使用close()函数关闭设备，退出程序。

图1中基于嵌入式技术的测控中心子系统中电子秤选用KHW高精度计重秤，最大量程为15kg，精度达1/30000，采用RS232通信接口与ARM控制核心连接。电子称的传送模式有连续传送、称重一次传送一次和应答模式，本系统选用称重一次传送一次模式。当果品放在电子秤上进行称重时，电子秤上的重量数据通过RS232口传给ARM控制核心，所有数据均为ASCII字符，发送格式如表1所示。

表1电子秤发送数据格式

应用程序根据通讯协议进行解析，当读到稳定字符”ST”（STABLE）后，就开始对解析的数据进行提取，提取的数据包括重量类型和8位数据位以及单位位。重量类型包括净重”NT”(NET)、毛重”GS”(GROSS)和皮重”TR”(扣重,TARE)。8位数据位就是所要的重量数据。提取数据后保存，直到遇到校验码停止，等待下一次数据的解析。

图1中嵌入式技术ARM的测控中心子系统中3G模块选用华为EM770W(WCDMA)，编译内核时需添加3G模块的驱动程序和ppp协议的支持。通信方式选择可靠性强的TCP方式通信，主要用到的AT指令如下：

①发送AT+NETOPEN=TCP”，<port number>激活一个待定的Socket PDP上下文，同时创建一个Socket连接。

②发送AT+TCPCONNECT=”IP address”，<port number>尝试建立一个固定IP的TCP服务器连接。

③发送AT+NETCLOSE，关闭与服务器的连接，并注销原来激活的SocketPDP上下文。

2.基于ZigBee无线网络的果园环境参数采集子系统

图1中基于ZigBee无线传感网络的果园环境参数采集子系统是用多个传感器节点和协调器节点组成。ZigBee核心芯片采用Chipcon公司的CC2430-F128片上系统芯片，它支持2.4GHz IEEE 802.15.4协议，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和增强型8051内核。具有128kB可编程闪存和8KB的RAM，包含模拟数字转换器、3个定时器（1个通用的16位和2个8位的定时器）、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。

该子系统中的协调节点可建立一个新的ZigBee无线通信网络，实现网络标识符的选取，并允许加入网络，实施节点绑定，接受传感器节点的环境数据，并进行预处理，同时还通过RS232串口将数据传输到ARM测控中心进行数据分析和处理。其中，设计流程如图3所示。传感器节点是该子系统的数据源，有安装在现场的降水量传感器、空气温湿度、土壤温湿度、光照强度和土壤PH值等多路传感器采集模块，采用电池供电方式。其中温湿度传感器采用瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensor^TM技术的新型温湿度传感器SHT11，土壤温湿度传感器采用将水分和温度整合在一起的TDC220D，土壤PH值传感器选用JASP2801，光照传感器选用TBQ-6，降雨量传感器选用PH-YL。为了节约能耗，该子系统为传感器节点设计了定期采集和休眠两种工作模式，由于各个传感器节点的工作原理不同，从休眠模式到工作模式的唤醒方式也不同，分为周期性唤醒和外部中断唤醒。由于降水量传感器只有在降雨时才工作，属于外部中断唤醒方式，所以只有在降雨时节点才开始工作，其他时间全部处于休眠模式。空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、土壤pH值传感器和光照传感器属于周期性发送节点信息类型，唤醒节点也是周期性唤醒。周期性唤醒的传感器节点的工作流程如图4所示。当传感器节点初始化工作完成后，即可运行ZStack协议栈，以自动完成加入网络、建立邻居表等底层操作。应用层在收到成功入网的事件消息后，将设置睡眠定时器并开启全局中断，此后节点将进入睡眠状态以实现低功耗工作。在睡眠状态下，传感器节点除了上电复位、外部中断和32.768kHz睡眠时钟，大部分内部电路掉电关闭，处于低功耗状态。当睡眠时间到后就进入周期采集模式，网络中采集数据的节点将按照智能设定的时间间隔和循环次数对环境数据进行采集和上传，当采集到指定次数后，传感器节点自动进入睡眠模式。

3.基于WEB技术的果园现场远程监控客户端子系统

图1中基于WEB技术的果园现场远程监控客户端子系统选用Boa服务器，通过CGI（公共网关接口）程序完成Web服务器和远程浏览器的交互，其中CGI具体流程图如图5所示。采用远程浏览器登录页面时，先打开数据库，然后创建表，通过getcgidata()函数把用户输入的信息提取出来，在通过for循环把用户输入的用户名和密码分别提取出来，然后查看数据库中是否存在这样的用户，若存在则进入主页面，否则进入注册界面。通过上面完成的CGI程序就可以将用户的用户名或密码取出，一旦用户的用户名和密码被认证通过后，就可以进入评估页面，否则显示用户名或密码出错的页面。采购人员无论身在何处，只要通过联网计算机均可随时了解果园现场的果品情况，从而能够为果品采购者提供第一手品质数据资料。

Claims (5)

1. 一种基于嵌入式技术的远程果品综合评估系统，其特征在于从逻辑结构上由下述三大子系统构成：基于嵌入式技术的果园现场测控中心子系统、基于ZigBee无线网络的果园环境参数采集子系统和基于WEB技术的果园现场远程监控客户端子系统；其中：

基于嵌入式技术的果园现场测控中心子系统，由ARM+LINUX嵌入式模块、可远程控制的云台摄像头、电子秤和3G模块组成；ARM+LINUX嵌入式模块作为控制核心；摄像头安装在云台上，云台是由一个控制垂直方向和一个控制水平方向转动的步进电机组成，可实现上下和左右转动，摄像头获取多视角多场景的图像；电子秤通过RS232接口与ARM连接；3G模块采用可靠性强的TCP通信方式；

基于ZigBee无线网络的果园环境参数子系统，由多个传感器节点和协调器节点组成，协调节点能够建立一个新的网络并允许其他节点加入，同时实现无线传感器网络和测控中心的数据通信；传感器节点是该子系统的数据源，有安装在现场的降水量传感器、空气温湿度、土壤温湿度、光照强度和土壤PH值等多路传感器采集模块，采用电池供电方式；

基于WEB技术的果园现场远程监控客户端子系统，选用Boa服务器，通过公共网关接口程序完成Web服务器和远程浏览器的交互，用户可通过Web服务器模块远程实时控制和查看由测控中心子系统的摄像头拍摄的现场果品的采摘、电子秤称重过程和果园场景以及与果品生长环境的相关信息。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术的远程果品综合评估系统，其特征在于所述基于ZigBee无线网络的果园环境参数子系统中，传感器节点有根据季节、时段和生长期因素智能确定采集频次的定期采集和休眠两种工作模式。

3. 根据权利要求2所述的基于嵌入式技术的远程果品综合评估系统，其特征在于，在休眠模式下，传感器节点中只有上电复位、外部中断和32.768kHz睡眠时钟处于活跃状态。

4. 根据权利要求2所述的基于嵌入式技术的远程果品综合评估系统，其特征在于，在定期采集模式下，网络中采集数据的传感器节点将按照设定的时间间隔和循环次数对环境数据进行采集和上传，当采集到指定次数后，传感器节点自动进入休眠模式。

5.一种基于嵌入式技术的远程果品综合评估方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）果园现场测控中心子系统通过电子秤获取果品重量，通过云台摄像头获取多视角多场景的图像，获取的上述信息和来自于果园环境参数子系统采集的果园环境参数经3G模块传送至远程监控客户端；

（2）果园环境参数子系统通过降水量传感器、空气温湿度、土壤温湿度、光照强度和土壤PH值多路传感器采集模块，采集果园环境参数并上传到果园现场测控中心子系统；

（3）果园现场远程监控客户端子系统，通过公共网关接口程序完成Web服务器和远程浏览器的交互，用户通过Web服务器模块远程实时控制和查看由果园现场测控中心子系统的摄像头拍摄的现场果品的采摘、电子秤称重过程和果园环境参数相关信息。

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