农田无线图像传感器节点关键技术研究

【摘要】：农业物联网是物联网技术与农业紧密结合,并在农业生产的各个环节的具体应用,是推动现代农业从数字农业、精准农业到智慧农业转变的关键技术体系。农业物联网技术发展的起点和关键在于农业信息的全面感知和无线传输。无线图像传感器网络为农业信息的全面感知和无线传输提供了一种自动化的、高效的手段。无线图像传感器网络是传统的无线传感器网络的一个分支,是其纵深发展的结果,它由一系列微型图像传感器节点以自组网的形式构成,能够获取农作物和农田环境的图像与视频信息,为农田监测提供直观、实时和便捷的手段,为通过图像处理获取农作物深度信息提供可靠的数据支撑。但是,目前无线图像传感器网络在农田监测等领域并没有大量应用,存在的主要原因有图像传感器节点性能达不到用户需求、节点在传输大数据量的图像/视频时缺乏可靠的传输控制机制、图像/视频数据的管理和应用水平不高等。因此,研究面向农田监测的无线图像传感器节点关键技术,对促进无线图像传感器网络在农田监测领域的发展和应用、提高农田信息采集水平,推动农业物联网技术的发展具有重要意义。论文在农业物联网背景下,以农田监测为应用对象,对分辨率实时可调的图像传感器节点设计、多光谱图像传感器节点设计、节点的数据传输控制机制、可视化信息管理软件等节点关键技术展开研究,研究的主要内容如下:(1)设计了一种分辨率可实时调整的无线图像传感器节点。节点由图像采集模块、处理器模块、无线通信模块和供电模块组成。以高性能、低功耗的S3C6410核心板为基础,自行设计外围电路构建了处理器模块,并在此基础上移植了嵌入式Linux作为操作系统。基于CMOS图像传感器芯片,自行研制了低成本的图像采集模块,并设计了多分辨率驱动控制算法,保证了图像的高分辨率和分辨率的可调性。设计了基于应用层和驱动层协作、多线程并发的分辨率实时调整算法,并通过实验验证了算法的有效性。为了提高图像传输的速率、扩大通信距离,研究了基于Wi Fi技术的图像传输方法来替代当前常用的ZigBee技术方案。设计了太阳能供电系统,延长了节点的生命周期。最后,与当前主流图像传感器节点进行对比,显示了节点的优越性。(2)设计了一种低成本的多光谱图像传感器节点。针对当前光谱图像采集设备价格昂贵、体积庞大、操作复杂、需人工搬运到田间作业、缺乏实时监测手段的现状,设计了一种基于嵌入式的低成本多光谱图像传感器节点。基于滤光片分光原理,研制了直线机械式的滤光片切换装置,从而构建了低成本的多光谱成像系统。设计了滤光片控制算法了,实现了滤光片的自动切换和多光谱图像的自动采集。研究了基于3G的光谱图像传输方案,使得多光谱采集节点具备无线远程传输能力。通过实验对滤光片定位的精度、滤光片切换的时间开销、多光谱系统成像的质量等进行了测试,并与广泛使用的多光谱设备MS4100进行了对比研究。(3)设计了无线图像传感器节点的数据传输控制机制。根据所设计的无线图像传感器节点的特性,结合实际应用需求,设计了一套软硬件结合、多层协作的传输控制机制,内容包括分类实施的通信协议、多功能数据包格式、多级缓存的数据备份机制、分层分类的自适应差错控制方案和基于DTMS的时钟双同步策略。(4)根据无线图像传感器节点的特性,结合农田监测需求,设计了农田远程监测系统。设计了监测系统的拓扑结构、传输模型,进而提出了基于WiFi+4G的大范围采集和远距离传输的监测系统体系结构。设计了基于Web的可视化信息管理软件,可对无线图像传感器节点及其网络进行远程、可视化的控制,对节点采集的数据进行有效管理和应用,同时为用户提供高质量的网络服务。(5)开展了无线图像传感器节点部署及综合测试实验。按照农田远程监测系统的应用方案,将所设计的两种无线图像传感器节点以一定规模部署在农田,利用可视化信息管理软件对节点及其网络进行控制和管理,运用节点传输控制机制开展综合测试实验,最后对测试结果进行了详细地分析。