CN111260906B - 一种基于嵌入式的智能农业系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于嵌入式的智能农业系统，包括温度传感器、信号处理电路、二氧化碳传感器、图像采集装置、显示装置、GPRS装置、微处理器、外部存储装置、图像处理装置以及二氧化碳数据处理装置。通过温度传感器和信号处理电路实现了对土壤温度的高精度测试，通过二氧化碳传感器和二氧化碳数据处理装置实现了对空气二氧化碳浓度信号的高精度测试，再通过图像采集装置和图像处理装置实现了对农作物图像进行测试，提高了图像的清晰度。

Description

一种基于嵌入式的智能农业系统
技术领域
本发明涉及智能监控领域，尤其涉及一种基于嵌入式的智能农业系统。
背景技术
我国是农业大国，农业是实现现代化的基础，是稳定民心，促进经济发展的重要产业。近年来，在国家的扶植下，农业开始逐渐转型，将现代化科学技术与农业相结合，起到改变传统的农业生产方式，提升生产效益的目的。这些技术包括网络技术、嵌入式技术、无线传输技术、定位跟踪技术等。
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，是一种集“控制、监视、或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。它的出现至今已经有三十几年的历史，随着计算机技术的发展，以及软件设计技术与网络技术的逐渐提升，嵌入式技术与相关的技术相互融合，在通信领域和消费电子领域，嵌入式系统技术发挥着巨大作用。特别是进入九十年代，数字化技术开始逐渐取代模拟技术，集成电路与新型元器件在产业中发展中的作用日益重要，这些技术相互融合共同推动着嵌入式技术的发展。在嵌入式电子产品领域，居国内相关专家表示，在未来的十年以内，电子产品年产值将会以1500亿美元递增，到2025年估计会增至40000亿美元左右。所以嵌入式技术带来的经济效益是十分可观的，时刻的在影响着人们的生活。
随着数字化、信息化时代的到来，传统的测量与控制技术已不能适应当今测控领域先进技术的发展潮流，尤其是在现代农业过程控制系统中，先进的自动化仪表己成为整个系统的核心，自动化仪表的技术水平也成为衡量一个国家技术实力的重要标志。而我国在自动化仪表领域长期以来由于缺少具有自主知识产权的产品，高性能的测控仪表只能花费高价从国外进口，严重影响了我国现代化的发展步伐。同时对我国的农业也产生了巨大的负面影响。
传统的DCS（Distributed Control System）控制系统由调度管理站和各种过程测控站组成，调度管理站完成系统的组态、监视操作和运行管理，而现场过程测控站完成生产过程信息的采集和控制。DCS的核心思想是分散控制、集中管理，但是与工业过程打交道的过程测控站功能较强，一般是一个完整的测控系统，采用的仍是集中控制，现场信号的检测，信息量有限，难以实现设备与外界的信息交换，严重制约了信息集成及综合自动化的实现。
因此，本发明结合我国设施农业的实际需求，以大面积农业种植为对象，开发了基于无线传感器网络以及嵌入式技术的低成本、多功能智能监测系统。该系统的应用可实现农业生产自动化监测，提高了农作物产量，弱化了地区对农作物影响，具有很高的经济效益。
发明内容
本发明提供了一种基于嵌入式的智能农业系统，本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统包括温度传感器、信号处理电路、二氧化碳传感器、图像采集装置、显示装置、GPRS装置、微处理器、外部存储装置、图像处理装置以及二氧化碳数据处理装置。通过温度传感器和信号处理电路实现了对土壤温度的高精度测试，通过二氧化碳传感器和二氧化碳数据处理装置实现了对空气二氧化碳浓度信号的高精度测试，再通过图像采集装置和图像处理装置实现了对农作物图像进行测试，提高了图像的清晰度。
本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统包括温度传感器、信号处理电路、二氧化碳传感器、图像采集装置、显示装置、GPRS装置、微处理器、外部存储装置、图像处理装置以及二氧化碳数据处理装置。
其中，温度传感器设置于土壤内，用于采集土壤的温度信号，温度传感器的输出端与信号处理电路的输入端连接，二氧化碳传感器设置在地面，用于采集空气中的二氧化碳浓度信号，信号处理电路的输出端与微处理器的输入端连接，二氧化碳传感器的输出端与微处理器的输入端连接，图像采集装置设置在地面，用于采集农作物图像信息，图像采集装置的输出端与微处理器的输入端连接，微处理器的输出端与显示装置的输入端连接，微处理器的输出端与GPRS装置的输入端连接，微处理器的输出端与外部存储装置的输入端连接，图像处理装置与微处理器双向连接，二氧化碳数据处理装置与微处理器双向连接。
具体地，基于嵌入式的智能农业系统还包括一温度报警装置，温度传感器用于采集土壤的温度信号，并将采集的信号传输至信号处理电路，信号处理电路对接收到的温度信号进行处理后传输至微处理器，微处理器内存储有温度阈值范围，若微处理器接收到的温度信号大于温度阈值范围的上限值，则微处理器控制温度报警装置进行报警，若微处理器接收到的温度信号小于温度阈值范围的下限值，则微处理器控制温度报警装置进行报警，微处理器将接收到的温度信号传输至显示装置进行显示，微处理器将接收到的温度信号传输至外部存储装置进行存储，且微处理器将接收到的温度信号通过GPRS装置传输至远程监测端。
具体地，基于嵌入式的智能农业系统还包括一二氧化碳浓度报警装置，二氧化碳浓度传感器用于采集空气中的二氧化碳浓度信号，并将采集的信号传输至微处理器，微处理器将接收到的二氧化碳浓度信号传输至二氧化碳数据处理装置，二氧化碳数据处理装置对接收到的二氧化碳数据进行处理后再返传至微处理器，微处理器将接收到的二氧化碳浓度信号和经过二氧化碳数据处理装置处理后的二氧化碳浓度信号传输至显示装置进行显示，微处理器将接收到的经过二氧化碳数据处理装置处理后的二氧化碳浓度信号传输至外部存储装置进行存储，微处理器内存储有二氧化碳浓度阈值范围，若微处理器接收到的二氧化碳浓度信号大于二氧化碳浓度阈值范围的上限值，则微处理器控制二氧化碳浓度报警装置进行报警，若微处理器接收到的二氧化碳浓度信号小于二氧化碳浓度阈值范围的下限值，则微处理器控制二氧化碳浓度报警装置进行报警，且微处理器将接收到的二氧化碳浓度信号通过GPRS装置传输至远程监测端。
具体地，二氧化碳数据处理装置对接收到的二氧化碳浓度信号进行数据处理，具体步骤如下：
步骤1：选取二氧化碳传感器第i个二氧化碳浓度电信号xi与第i个二氧化碳浓度信号yi，其中，i为大于等于4的自然数；
步骤2：对数据进行拟合，得到二氧化碳浓度y与二氧化碳浓度电信号x之间的关系式，具体算法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤3，根据上述关系式，根据接收到的i个二氧化碳浓度电信号xi输出第i个二氧化碳浓度信号。
具体地，图像采集装置用于采集农作物图像信息，将采集到的图像进行灰度值转换，具体如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
上式中，Y为图像采集装置采集的图像进行灰度值转换后的亮度值，R、G、B表示图像采集装置采集的图像中的红色、绿色、蓝色分量；
采用对经过灰度值转换后的图像进行滤波处理，滤波函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
上式中，参数
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为滤波调节系数；
通过调节参数
Figure 624131DEST_PATH_IMAGE008
获取滤波最优化，具体算法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
上式中，L表示经过灰度值转换后的图像的灰度级数，i表示对应的灰度值，p(i)为上述灰度值i的像素个数；
再对经过滤波后的图像进行对比度加强处理，滤波前的图像为f(x,y)，滤波后的图像为g(x,y)，其中x、y是空间坐标，具体算法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；
上式中，滤波前的图像f(x,y)的原始灰度值为[m,n]，滤波后的图像g(x,y)的灰度值为[M,N]，图像处理装置将图像g(x,y)传输至微处理器，微处理器将接收到的图像g(x,y)传输至显示装置进行显示，微处理器将接收到的图像g(x,y)传输至外部存储装置进行存储，微处理器将接收到的图像g(x,y)通过GPRS装置传输至远程监测端。
具体地，信号处理电路包括运算放大器A1-A3、电阻R1-R8、电容C1-C8以及稳压管D1，其中，运算放大器A1的型号为AD620，运算放大器A2的型号为LM741，运算放大器A3的型号为LM714，温度传感器的输出端与运算放大器A1的+IN端连接，运算放大器A1的-RG端和+RG端之间跨接电阻RG，运算放大器A1的-IN端接地，运算放大器A1的-VS接-12V电源，运算放大器A1的-VS还与电容C8的一端连接，电容C8的另一端接地，运算放大器A1的Ref端接地，电容C1的一端接地，电容C2的一端接地，电容C1的一端与+12V电源连接，电容C2的另一端与+12V电源连接，运算放大器A1的+VS端接+12V电源，运算放大器A1的输出端与电阻R1的一端连接，运算放大器A1的输出端还与电容C3的一端连接，电容C5的一端接地，电容C6的一端接地，电容C6的另一端与电容C5的另一端连接，电容C5的另一端与电阻R1的另一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电容C3的另一端与电容C4的一端连接，电容C4的另一端与电阻R2的另一端连接，电阻R3的一端与电容C3的另一端连接，电阻R2的另一端与运算放大器A2的同相输入端连接，电阻R3的另一端与运算放大器A2的反相输入端连接，电阻R3的另一端与运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A2的输出端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与运算放大器A3的反相输入端连接，电容C7的一端与运算放大器A3的反相输入端连接，电容C7的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻R7的一端与运算放大器A3的反相输入端连接，电阻R7的另一端与运算放大器A3的输出端连接，滑动变阻器R8的一端接地，滑动变阻器R8的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，稳压管D1的阳极接地，稳压管D1的阴极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，电阻R5的一端与电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端接+12V电源，运算放大器A3的输出端与微处理器连接。
具体地，基于嵌入式的智能农业系统还包括一数据接收装置，信号处理电路、二氧化碳传感器以及图像采集装置通过数据接收装置传输至微处理器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统包括温度传感器、信号处理电路、二氧化碳传感器、图像采集装置、显示装置、GPRS装置、微处理器、外部存储装置、图像处理装置以及二氧化碳数据处理装置。通过温度传感器和信号处理电路实现了对土壤温度的高精度测试，通过二氧化碳传感器和二氧化碳数据处理装置实现了对空气二氧化碳浓度信号的高精度测试，再通过图像采集装置和图像处理装置实现了对农作物图像进行测试，提高了图像的清晰度。
（2）本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统的发明点还在于，使用图像处理装置提高了图像采集装置采集的图像的清晰度，图像处理装置通过自设滤波器对采集的图像进行滤波处理，设置滤波调节参数实现，结合灰度的拉伸和压缩，使目标农作物和背景进行有效分离。
（3）本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统的发明点还在于，通过二氧化碳传感器和二氧化碳数据处理装置实现了对空气二氧化碳浓度信号的高精度测试，二氧化碳数据处理装置根据历史数据来拟合即时数据，大大提高了二氧化碳浓度的检测精度。
（4）本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统的发明点还在于，首先温度传感器的内阻很高，输出信号较小，因此需要输入阻抗很大的信号处理装置来进行微弱信号的采集，这里选择AD620作为输入级的前置放大器来完成温度传感器的信号采集，其具有电源范围宽（±2.3-±18V），设计体积较小，功耗非常低（最大供电电流1.3mA）)，适用于信号的源阻抗极高、低电压及低功耗的应用场合。在测试时的交流电源的频率为50Hz，为减少室外的50Hz交流电压的噪声干扰，因此信号处理电路的中间级设计一个50Hz的滤波电路，最后选择运算放大器A3进行升压稳压，使得输入信号得到稳定。
附图说明
图1为本发明的基于嵌入式的智能农业系统的示意图；
图2为本发明的基于嵌入式的智能农业系统的信号传输示意图；
图3为本发明的二氧化碳浓度信号图；
图4为本发明的信号处理电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的基于嵌入式的智能农业系统进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统包括温度传感器、信号处理电路、二氧化碳传感器、图像采集装置、显示装置、GPRS装置、微处理器、外部存储装置、图像处理装置以及二氧化碳数据处理装置。
其中，温度传感器设置于土壤内，用于采集土壤的温度信号，温度传感器的输出端与信号处理电路的输入端连接，二氧化碳传感器设置在地面，用于采集空气中的二氧化碳浓度信号，信号处理电路的输出端与微处理器的输入端连接，二氧化碳传感器的输出端与微处理器的输入端连接，图像采集装置设置在地面，用于采集农作物图像信息，图像采集装置的输出端与微处理器的输入端连接，微处理器的输出端与显示装置的输入端连接，微处理器的输出端与GPRS装置的输入端连接，微处理器的输出端与外部存储装置的输入端连接，图像处理装置与微处理器双向连接，二氧化碳数据处理装置与微处理器双向连接。
上述实施方式中，本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统包括温度传感器、信号处理电路、二氧化碳传感器、图像采集装置、显示装置、GPRS装置、微处理器、外部存储装置、图像处理装置以及二氧化碳数据处理装置。通过温度传感器和信号处理电路实现了对土壤温度的高精度测试，通过二氧化碳传感器和二氧化碳数据处理装置实现了对空气二氧化碳浓度信号的高精度测试，再通过图像采集装置和图像处理装置实现了对农作物图像进行测试，提高了图像的清晰度。
二氧化碳传感器能及时准确地采集大气中的二氧化碳含量值，具有响应快，实时感应，低功耗，高精度，高抗毒性（高湿度，其它干扰气体）及长期稳定性的特点。该传感器采用锑化铟铝技术于砷化嫁基片上，使用固态NDIR技术，跟传统的细灯丝NDIR技术不同，而其电路部分己经进行了温度补偿及线形化处理，标准的输出是RS232，也可以根据要求进行定制模拟电压信号的输出。
为实现高精度、快速的信息获取，本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统选择高性能的传感器和A/D变换器。微处理器的型号选用S3C2410，其内部集成一个具有片上保持功能的8通道10位A/D变换器，最大转化速率为500KSPS能够实时达到农业环境信息采集的要求。信息数据采集由多路传感器完成数据的采集，经过信号的调理放大电路对信号进行滤波，然后送入开发板的A/D端口进行变换，完成数据的实时采集。
本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统的设计，将采集到的数据存储在一个表当中。通过数据库查询分析工具创建了一个表命名为A.SDF。对于该表设计了多列，分别代表了采集的多种数据，分别是采集区域、二氧化碳浓度、土壤温度、以及采集时间。由于目前只采集这样几种数据，如果以后有新的数据需要采集只需要添加相应的列即可，极大的提高了表的灵活性。
本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统采集的数据通过ARM9 S3C2410开发板进行数据的获取、存储和管理等功能，最终数据通过GPRS模块进行数据的远程传输。其中数据通过GPRS装置接入GPRS网络，然后接入Internet网络，最后数据进入接入Internet网络的远程服务器。如果有些数据不符合数据特性例如温度、二氧化碳浓度值不正常，数据则通过GPRS装置的SMS功能以短信的方式传入手机中起到了报警功能。
上述实施方式中，考虑到市场的性价比、普及度与可靠性的要求，本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统选择BenQ公司的M22通讯模块，这主要是由于这些模块在功能上其中M20 、GR47、 MC35主要支持GSM功能，而其它的模块则支持GSM/GPRS功能，有些模块内置了TCP/IP协议。由于本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统的数据，鉴于成本与功能上的要求GPRS装置采用BenQ M22无线模块以满足设计的要求。
由于GPRS装置是通过串口与开发板相连，S3C2410芯片带有三路串口信号线，其中一路设置成红外模式，其它两路将信号进行电平转换DB9引脚外接，完成基本的通信功能要接RXD、TXD、GND、 RTS、CTS这五根线。同时由于RS-232-C标准定义的高、低电平信号与S3C2410外接的TTL电路定义的高、低电平信号不同，需要二者之间进行电平信号的转换。其中TTL的标准逻辑“1”为2-3.3V，“0”为0-0.4V，RS-232-C定义的标准则是标准逻辑“1”为-5-15V，“0”为+5-+15V。一般常用通过MAX3232芯片进行电平转换。
如图2所示，基于嵌入式的智能农业系统还包括一数据接收装置，信号处理电路、二氧化碳传感器以及图像采集装置通过数据接收装置传输至微处理器。
具体地，本发明提供的基于嵌入式的智能农业系统还包括一数据扩展接口，数据扩展接口与微处理器连接，数据扩展接口能外接例如湿度传感器、二氧化氮浓度传感器等传感器。
优选的是，基于嵌入式的智能农业系统还包括一温度报警装置，温度传感器用于采集土壤的温度信号，并将采集的信号传输至信号处理电路，信号处理电路对接收到的温度信号进行处理后传输至微处理器，微处理器内存储有温度阈值范围，若微处理器接收到的温度信号大于温度阈值范围的上限值，则微处理器控制温度报警装置进行报警，若微处理器接收到的温度信号小于温度阈值范围的下限值，则微处理器控制温度报警装置进行报警，微处理器将接收到的温度信号传输至显示装置进行显示，微处理器将接收到的温度信号传输至外部存储装置进行存储，且微处理器将接收到的温度信号通过GPRS装置传输至远程监测端。
优选的是，基于嵌入式的智能农业系统还包括一二氧化碳浓度报警装置，二氧化碳浓度传感器用于采集空气中的二氧化碳浓度信号，并将采集的信号传输至微处理器，微处理器将接收到的二氧化碳浓度信号传输至二氧化碳数据处理装置，二氧化碳数据处理装置对接收到的二氧化碳数据进行处理后再返传至微处理器，微处理器将接收到的二氧化碳浓度信号和经过二氧化碳数据处理装置处理后的二氧化碳浓度信号传输至显示装置进行显示，微处理器将接收到的经过二氧化碳数据处理装置处理后的二氧化碳浓度信号传输至外部存储装置进行存储，微处理器内存储有二氧化碳浓度阈值范围，若微处理器接收到的二氧化碳浓度信号大于二氧化碳浓度阈值范围的上限值，则微处理器控制二氧化碳浓度报警装置进行报警，若微处理器接收到的二氧化碳浓度信号小于二氧化碳浓度阈值范围的下限值，则微处理器控制二氧化碳浓度报警装置进行报警，且微处理器将接收到的二氧化碳浓度信号通过GPRS装置传输至远程监测端，二氧化碳浓度信号图如图3所示。
优选的是，二氧化碳数据处理装置对接收到的二氧化碳浓度信号进行数据处理，具体步骤如下：
步骤1：选取二氧化碳传感器第i个二氧化碳浓度电信号xi与第i个二氧化碳浓度信号yi，其中，i为大于等于4的自然数；
步骤2：对数据进行拟合，得到二氧化碳浓度y与二氧化碳浓度电信号x之间的关系式，具体算法如下：
Figure 109339DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤3，根据上述关系式，根据接收到的i个二氧化碳浓度电信号xi输出第i个二氧化碳浓度信号。
上述实施方式中，通过二氧化碳传感器和二氧化碳数据处理装置实现了对空气二氧化碳浓度信号的高精度测试，二氧化碳数据处理装置根据历史数据来拟合即时数据，大大提高了二氧化碳浓度的检测精度。
优选的是，图像采集装置用于采集农作物图像信息，将采集到的图像进行灰度值转换，具体如下：
Figure 496458DEST_PATH_IMAGE004
；
上式中，Y为图像采集装置采集的图像进行灰度值转换后的亮度值，R、G、B表示图像采集装置采集的图像中的红色、绿色、蓝色分量；
采用对经过灰度值转换后的图像进行滤波处理，滤波函数如下：
Figure 866259DEST_PATH_IMAGE006
；
上式中，参数
Figure 225697DEST_PATH_IMAGE008
为滤波调节系数；
通过调节参数
Figure 22751DEST_PATH_IMAGE008
获取滤波最优化，具体算法如下：
Figure 225062DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 867396DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 878078DEST_PATH_IMAGE018
；
上式中，L表示经过灰度值转换后的图像的灰度级数，i表示对应的灰度值，p(i)为上述灰度值i的像素个数；
再对经过滤波后的图像进行对比度加强处理，滤波前的图像为f(x,y)，滤波后的图像为g(x,y)，其中x、y是空间坐标，具体算法如下：
Figure 439509DEST_PATH_IMAGE020
；
上式中，滤波前的图像f(x,y)的原始灰度值为[m,n]，滤波后的图像g(x,y)的灰度值为[M,N]，图像处理装置将图像g(x,y)传输至微处理器，微处理器将接收到的图像g(x,y)传输至显示装置进行显示，微处理器将接收到的图像g(x,y)传输至外部存储装置进行存储，微处理器将接收到的图像g(x,y)通过GPRS装置传输至远程监测端。
上述实施方式中，使用图像处理装置提高了图像采集装置采集的图像的清晰度，图像处理装置通过自设滤波器对采集的图像进行滤波处理，设置滤波调节参数实现，结合灰度的拉伸和压缩，使目标农作物和背景进行有效分离。
温度传感器的输出信号比较微弱，因此需要设计信号处理电路，使得微处理器的采样端口能够正确读取到电压的变化，信号处理电路由三部分组成：温度信号采集电路（运算放大器A1构成的电路）、滤波电路（运算放大器A2构成的电路）以及电压放大电路（运算放大器A3构成的电路），整个信号处理电路的电路图如图4所示。
具体地，信号处理电路包括运算放大器A1-A3、电阻R1-R8、电容C1-C8以及稳压管D1，其中，运算放大器A1的型号为AD620，运算放大器A2的型号为LM741，运算放大器A3的型号为LM714，温度传感器的输出端与运算放大器A1的+IN端连接，运算放大器A1的-RG端和+RG端之间跨接电阻RG，运算放大器A1的-IN端接地，运算放大器A1的-VS接-12V电源，运算放大器A1的-VS还与电容C8的一端连接，电容C8的另一端接地，运算放大器A1的Ref端接地，电容C1的一端接地，电容C2的一端接地，电容C1的一端与+12V电源连接，电容C2的另一端与+12V电源连接，运算放大器A1的+VS端接+12V电源，运算放大器A1的输出端与电阻R1的一端连接，运算放大器A1的输出端还与电容C3的一端连接，电容C5的一端接地，电容C6的一端接地，电容C6的另一端与电容C5的另一端连接，电容C5的另一端与电阻R1的另一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电容C3的另一端与电容C4的一端连接，电容C4的另一端与电阻R2的另一端连接，电阻R3的一端与电容C3的另一端连接，电阻R2的另一端与运算放大器A2的同相输入端连接，电阻R3的另一端与运算放大器A2的反相输入端连接，电阻R3的另一端与运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A2的输出端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与运算放大器A3的反相输入端连接，电容C7的一端与运算放大器A3的反相输入端连接，电容C7的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻R7的一端与运算放大器A3的反相输入端连接，电阻R7的另一端与运算放大器A3的输出端连接，滑动变阻器R8的一端接地，滑动变阻器R8的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，稳压管D1的阳极接地，稳压管D1的阴极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，电阻R5的一端与电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端接+12V电源，运算放大器A3的输出端与微处理器连接。
其中，电阻R1的阻值为1.5kΩ，电阻R2的阻值为1.5kΩ，电阻R3的阻值为680Ω，电阻R4的阻值为6.8kΩ，电阻R5的阻值为100kΩ，电阻R6的阻值为100 kΩ，电阻R7的阻值为5.1kΩ，电阻R8为阻值为51kΩ的滑动变阻器，电容C1的电容值为0.1μF，电容C2的电容值为10μF，电容C3的电容值为2.2μF，电容C4的电容值为2.2μF，电容C5的电容值为2.2μF，电容C6的电容值为2.2μF，电容C7的电容值为1μF，电容C8的电容值为0. 01μF。
上述实施方式中，首先温度传感器的内阻很高，输出信号较小，因此需要输入阻抗很大的信号处理装置来进行微弱信号的采集，这里选择AD620作为输入级的前置放大器来完成温度传感器的信号采集，其具有电源范围宽（±2.3~±18V），设计体积较小，功耗非常低（最大供电电流1.3mA），因而特别适用于信号的源阻抗极高、低电压及低功耗的应用场合。在测试时的交流电源的频率为50Hz，为减少室外的50Hz交流电压的噪声干扰，因此信号处理电路的中间级设计一个50Hz的滤波电路，最后选择运算放大器A3进行升压稳压，使得输入信号得到稳定。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于嵌入式的智能农业系统，其特征在于，所述基于嵌入式的智能农业系统包括温度传感器、信号处理电路、二氧化碳传感器、图像采集装置、显示装置、GPRS装置、微处理器、外部存储装置、图像处理装置以及二氧化碳数据处理装置；
其中，所述温度传感器设置于土壤内，用于采集土壤的温度信号，所述温度传感器的输出端与所述信号处理电路的输入端连接，所述二氧化碳传感器设置在地面，用于采集空气中的二氧化碳浓度信号，所述信号处理电路的输出端与所述微处理器的输入端连接，所述二氧化碳传感器的输出端与所述微处理器的输入端连接，所述图像采集装置设置在地面，用于采集农作物图像信息，所述图像采集装置的输出端与所述微处理器的输入端连接，所述微处理器的输出端与所述显示装置的输入端连接，所述微处理器的输出端与所述GPRS装置的输入端连接，所述微处理器的输出端与所述外部存储装置的输入端连接，所述图像处理装置与所述微处理器双向连接，所述二氧化碳数据处理装置与所述微处理器双向连接；
所述基于嵌入式的智能农业系统还包括一二氧化碳浓度报警装置，所述二氧化碳传感器用于采集空气中的二氧化碳浓度信号，并将采集的信号传输至所述微处理器，所述微处理器将接收到的二氧化碳浓度信号传输至所述二氧化碳数据处理装置，所述二氧化碳数据处理装置对接收到的二氧化碳数据进行处理后再返传至所述微处理器，所述微处理器将接收到的二氧化碳浓度信号和经过所述二氧化碳数据处理装置处理后的二氧化碳浓度信号传输至所述显示装置进行显示，所述微处理器将接收到的经过所述二氧化碳数据处理装置处理后的二氧化碳浓度信号传输至所述外部存储装置进行存储，所述微处理器内存储有二氧化碳浓度阈值范围，若所述微处理器接收到的二氧化碳浓度信号大于所述二氧化碳浓度阈值范围的上限值，则所述微处理器控制所述二氧化碳浓度报警装置进行报警，若所述微处理器接收到的二氧化碳浓度信号小于所述二氧化碳浓度阈值范围的下限值，则所述微处理器控制所述二氧化碳浓度报警装置进行报警，且所述微处理器将接收到的二氧化碳浓度信号通过所述GPRS装置传输至远程监测端；
所述二氧化碳数据处理装置对接收到的二氧化碳浓度信号进行数据处理，具体步骤如下：
步骤1：选取所述二氧化碳传感器第i个二氧化碳浓度电信号xi与第i个二氧化碳浓度信号yi，其中，i为大于等于4的自然数；
步骤2：对数据进行拟合，得到二氧化碳浓度y与所述二氧化碳浓度电信号x之间的关系式，具体算法如下：
Figure FDA0003129545090000011
步骤3，根据上述关系式，根据接收到的i个二氧化碳浓度电信号xi输出第i个二氧化碳浓度信号。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式的智能农业系统，其特征在于，所述基于嵌入式的智能农业系统还包括一温度报警装置，所述温度传感器用于采集土壤的温度信号，并将采集的信号传输至所述信号处理电路，所述信号处理电路对接收到的温度信号进行处理后传输至所述微处理器，所述微处理器内存储有温度阈值范围，若所述微处理器接收到的温度信号大于所述温度阈值范围的上限值，则所述微处理器控制所述温度报警装置进行报警，若所述微处理器接收到的温度信号小于所述温度阈值范围的下限值，则所述微处理器控制所述温度报警装置进行报警，所述微处理器将接收到的温度信号传输至所述显示装置进行显示，所述微处理器将接收到的温度信号传输至所述外部存储装置进行存储，且所述微处理器将接收到的温度信号通过所述GPRS装置传输至远程监测端。
3.根据权利要求1所述的基于嵌入式的智能农业系统，其特征在于，所述图像采集装置用于采集农作物图像信息，将采集到的图像进行灰度值转换，具体如下：
Y＝0.299R+0.587G+0.114B；
上式中，Y为所述图像采集装置采集的图像进行灰度值转换后的亮度值，R、G、B表示所述图像采集装置采集的图像中的红色、绿色、蓝色分量；
采用对经过灰度值转换后的图像进行滤波处理，滤波函数如下：
Figure FDA0003129545090000021
上式中，参数δ为滤波调节系数；
通过调节参数δ获取滤波最优化，具体算法如下：
σ2＝w0×w1×(μ0(t)-μ1(t))2；
Figure FDA0003129545090000022
Figure FDA0003129545090000023
Figure FDA0003129545090000024
Figure FDA0003129545090000031
上式中，L表示经过灰度值转换后的图像的灰度级数，i表示对应的灰度值，p(i)为上述灰度值i的像素个数；
再对经过滤波后的图像进行对比度加强处理，滤波前的图像为f(x，y)，滤波后的图像为g(x，y)，其中x、y是空间坐标，具体算法如下：
Figure FDA0003129545090000032
上式中，滤波前的图像f(x，y)的原始灰度值为[m，n]，滤波后的图像g(x，y)的灰度值为[M，N]，所述图像处理装置将图像g(x，y)传输至所述微处理器，所述微处理器将接收到的图像g(x，y)传输至所述显示装置进行显示，所述微处理器将接收到的图像g(x，y)传输至所述外部存储装置进行存储，所述微处理器将接收到的图像g(x，y)通过所述GPRS装置传输至远程监测端。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入式的智能农业系统，其特征在于，所述信号处理电路包括运算放大器A1-A3、电阻R1-R8、电容C1-C8以及稳压管D1，其中，运算放大器A1的型号为AD620，运算放大器A2的型号为LM741，运算放大器A3的型号为LM714，所述温度传感器的输出端与运算放大器A1的+IN端连接，运算放大器A1的-RG端和+RG端之间跨接电阻RG，运算放大器A1的-IN端接地，运算放大器A1的-VS接-12V电源，运算放大器A1的-VS还与电容C8的一端连接，电容C8的另一端接地，运算放大器A1的Ref端接地，电容C1的一端接地，电容C2的一端接地，电容C1的一端与+12V电源连接，电容C2的另一端与+12V电源连接，运算放大器A1的+VS端接+12V电源，运算放大器A1的输出端与电阻R1的一端连接，运算放大器A1的输出端还与电容C3的一端连接，电容C5的一端接地，电容C6的一端接地，电容C6的另一端与电容C5的另一端连接，电容C5的另一端与电阻R1的另一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电容C3的另一端与电容C4的一端连接，电容C4的另一端与电阻R2的另一端连接，电阻R3的一端与电容C3的另一端连接，电阻R2的另一端与运算放大器A2的同相输入端连接，电阻R3的另一端与运算放大器A2的反相输入端连接，电阻R3的另一端与运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A2的输出端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与运算放大器A3的反相输入端连接，电容C7的一端与运算放大器A3的反相输入端连接，电容C7的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻R7的一端与运算放大器A3的反相输入端连接，电阻R7的另一端与运算放大器A3的输出端连接，滑动变阻器R8的一端接地，滑动变阻器R8的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，稳压管D1的阳极接地，稳压管D1的阴极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，电阻R5的一端与电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端接+12V电源，运算放大器A3的输出端与所述微处理器连接。
5.根据权利要求1所述的基于嵌入式的智能农业系统，其特征在于，所述基于嵌入式的智能农业系统还包括一数据接收装置，所述信号处理电路、所述二氧化碳传感器以及所述图像采集装置通过所述数据接收装置传输至所述微处理器。
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