基於嵌入式技術的果品遠程綜合評估系統和方法
2023-08-14 01:23:26 1
專利名稱：基於嵌入式技術的果品遠程綜合評估系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種果品的遠程綜合評估系統，該系統採用ARM+LINUX嵌入式系統平臺，由電子秤稱得果品的重量；由ZigBee無線傳感網絡採集現場環境參數，從而了解果品的生長過程信息；經雲臺的上下和左右四個方向的轉動來控制USB攝像頭獲取視頻信息，實現了遠程查看果品的外形質量；最後，通過3G無線模塊實現現場測控中心子系統與遠程WEB客戶端的信息交互，供遠程用戶查詢、監控和評估。
背景技術：
傳統的果品採購需要人員到果園現場考察其品質才能作出決定，這樣不僅費時費力，而且需要出差費用，增加採購成本。隨著嵌入式系統、網絡和圖像信息處理技術的發展，為農業數據信息傳輸和監控提供了發展機遇。本專利在創造性地綜合採用現代技術的基礎上，根據實際需求，設計了一套集智能檢測與控制、無線通信、遠程數據傳輸、視頻監控和稱重數據分析於一體的果品綜合評估系統。該系統採用低成本的ARM+LINUX平臺，將嵌入式技術、網絡技術和無線通信技術相結合，實現果品品質數據信息的綜合獲取，以及數據的遠程傳輸，使用戶以較低的成本實現在任意時間和地點獲取所需的異地現場信息，完成以往需要親臨現場才能完成的工作。
發明內容
本發明的目的是利用嵌入式技術、網絡技術和無線通信技術，實現果品品質數據信息的綜合獲取，以及數據的遠程傳輸，使用戶以較低的成本實現在任意時間和地點獲取所需的異地現場信息，完成異地果品的綜合評估，並實現遠程監控功能。本發明採用的技術方案是基於嵌入式技術的遠程果品綜合評估系統，以ARM1176JZ(F)-S作為控制核心，從邏輯結構上可劃分為三大子系統基於嵌入式技術的果園現場測控中心子系統、基於ZigBee無線網絡的果園環境參數採集子系統和基於WEB技術的果園現場遠程監控客戶端子系統。基於嵌入式技術的果園現場測控中心子系統由電子秤稱得果品的重量，由兩臺步進電機帶動雲臺上下和左右四個方向的轉動，從而安裝在雲臺上的USB攝像頭可獲取多視角場景信息，如電子秤稱重過程、果園的實時場景等視頻信息，採用無線傳感網絡通信技術與分布式環境參數採集子系統實現數據獲取和傳輸，採用3G無線通信技術將採集到的數據實時上傳遠程WEB客戶端。基於ZigBee無線傳感網絡技術的分布式環境採集子系統採集現場環境參數，並上傳到測控中心子系統。在該子系統中，協調節點能夠建立一個新的網絡並允許其他節點加入，同時實現無線傳感器網絡和測控中心的數據通信。傳感器節點是該子系統的數據源，有安裝在現場的降水量傳感器、空氣溫溼度、土壤溫溼度、光照強度和土壤PH值等多路傳感器採集模塊，採用電池供電方式。基於WEB技術的果園現場遠程監控客戶端子系統實現果園現場與遠程客戶的交互，通過運行在伺服器上的CGI程序，採用B/S機制(瀏覽器/伺服器)，為外部應用程式與伺服器交互提供一個標準的接口。基於ZigBee無線傳感網絡技術的分布式環境採集子系統中，為了節約能耗，該子系統為傳感器節點設計了根據季節、時段和生長期等因素智能確定採集頻次的定期採集和休眠兩種工作模式。為了節約能耗，在休眠狀態下，傳感器節點的大部分內部電路掉電關閉，只有上電復位、外部中斷和32. 768kHz睡眠時鐘處於活躍狀態，整個系統處於低功耗狀態。在智能定期採集模式下，網絡中採集數據的傳感器節點將按照設定的時間間隔和循環次數對環境數據進行採集和上傳，當採集到指定次數後，傳感器節點自動進入睡眠模式。本發明還公開了一種基於嵌入式技術的遠程果品綜合評估方法，包括以下步驟(I)果園現場測控中心子系統通過電子秤獲取果品重量，通過雲臺攝像頭獲取多視角多場景的圖像，獲取的上述信息和來自於果園環境參數子系統採集的果園環境參數經3G模塊傳送至遠程監控客戶端；(2)果園環境參數子系統通過降水量傳感器、空氣溫溼度、土壤溫溼度、光照強度和土壤PH值多路傳感器採集模塊，採集果園環境參數並上傳到果園現場測控中心子系統；(3)果園現場遠程監控客戶端子系統，通過公共網關接口程序完成Web伺服器和遠程瀏覽器的交互，用戶通過Web伺服器模塊遠程實時控制和查看由果園現場測控中心子系統的攝像頭拍攝的現場果品的採摘、電子秤稱重過程和果園環境參數相關信息。本發明的有益效果是該系統不僅實現了遠程查看果品的外形質量，而且通過電子秤獲得果品的物理質量，和環境參數採集子系統採集果品的生長過程信息以及內在質量，讓評估者能夠科學和直觀的全面評估。用戶無論身在何處，只要通過聯網計算機均可隨時了解果園現場的果品情況，從而能夠為果品採購者提供第一手品質數據資料。
圖1.基於嵌入式技術的果品綜合評估結構示意圖。圖2圖像採集流程圖。圖3協調節點的設計流程圖。圖4傳感器節點工作流程圖。圖5CGI具體流程圖。
具體實施例方式基於嵌入式技術的遠程果品綜合評估系統以ARM1176JZ(F)_S作為控制的核心，從邏輯結構上可劃分為三大子系統基於嵌入式技術的果園現場測控中心子系統、基於ZigBee無線網絡的果園環境參數採集子系統和基於WEB技術的果園現場遠程監控客戶端子系統。系統結構如圖1所示。1.基於嵌入式技術的測控中心子系統圖1中基於嵌入式技術的果園現場測控中心子系統由ARM+LINUX嵌入式模塊、雲臺攝像頭、電子秤和3G模塊組成。其中，在ARM+LINUX嵌入式模塊中，選用ARMl176JZ (F) -S核作為控制核心，Linux為作業系統，並嵌入SQLite資料庫和BOA伺服器。圖1中基於嵌入式技術的果園現場測控中心子系統中雲臺攝像頭用來採集現場視頻信息。其中，雲臺是由一個控制垂直方向和一個控制水平方向的步進電機組成，攝像頭就安裝在雲臺上，可實現上下和左右轉動，從而帶動攝像頭的攝像場景的變化。雲臺的設計選用四相步進電機，考慮到對步距精度高和輸出轉矩大的要求，使電機工作於八拍方式，按(A-AB-B-BC-C-⑶-D-AD-A)依次通電，電機就正轉，反方向通電就會反轉，通過控制每個脈衝之間的通電時間來控制電機轉速。圖像的採集是通過Video4Linux API接口控制視頻設備驅動程序完成圖像的實時採集，採集流程如圖2所示。採集步驟如下:①調用函數grab_fd=open(」/dev/videoO」，0_RDWR)打開視頻設備 grab_fd 是設備打開後返回的文件描述符；②利用ioctl(grab_fd, VIDIOCGCAP, &grab_cap)函數讀取 struct video_capability中有關攝像頭的信息；③採用mmap O方式完成內核空間到用戶空間的映射；④通過設置grab_buf.frame=0實現單巾貞的採集，利用grab_fd.frames值確定循環次數來完成多幀圖像的採集；⑤最後使用CloseO函數關閉設備，退出程序。圖1中基於嵌入式技術的測控中心子系統中電子秤選用KHW高精度計重秤，最大量程為15kg，精度達1/30000，採用RS232通信接口與ARM控制核心連接。電子稱的傳送模式有連續傳送、稱重一次傳送一次和應答模式，本系統選用稱重一次傳送一次模式。當果品放在電子秤上進行稱重時，電子秤上的重量數據通過RS232 口傳給ARM控制核心，所有數據均為ASCII字符，發送格式如表I所示。表I電子秤發送數據格式
權利要求
1.一種基於嵌入式技術的遠程果品綜合評估系統，其特徵在於從邏輯結構上由下述三大子系統構成:基於嵌入式技術的果園現場測控中心子系統、基於ZigBee無線網絡的果園環境參數採集子系統和基於WEB技術的果園現場遠程監控客戶端子系統；其中: 基於嵌入式技術的果園現場測控中心子系統，由ARM+LINUX嵌入式模塊、可遠程控制的雲臺攝像頭、電子秤和3G模塊組成；ARM+LINUX嵌入式模塊作為控制核心；攝像頭安裝在雲臺上，雲臺是由一個控制垂直方向和一個控制水平方向轉動的步進電機組成，可實現上下和左右轉動，攝像頭獲取多視角多場景的圖像；電子秤通過RS232接口與ARM連接；3G模塊採用可靠性強的TCP通信方式； 基於ZigBee無線網絡的果園環境參數子系統，由多個傳感器節點和協調器節點組成，協調節點能夠建立一個新的網絡並允許其他節點加入，同時實現無線傳感器網絡和測控中心的數據通信；傳感器節點是該子系統的數據源，有安裝在現場的降水量傳感器、空氣溫溼度、土壤溫溼度、光照強度和土壤PH值等多路傳感器採集模塊，採用電池供電方式； 基於WEB技術的果園現場遠程監控客戶端子系統，選用Boa伺服器，通過公共網關接口程序完成Web伺服器和遠程瀏覽器的交互，用戶可通過Web伺服器模塊遠程實時控制和查看由測控中心子系統的攝像頭拍攝的現場果品的採摘、電子秤稱重過程和果園場景以及與果品生長環境的相關信息。
2.根據權利要求1所述的基於嵌入式技術的遠程果品綜合評估系統，其特徵在於所述基於ZigBee無線網絡的果園環境參數子系統中，傳感器節點有根據季節、時段和生長期因素智能確定採集頻次的定期採集和休眠兩種工作模式。
3.根據權利要求2所述的基於嵌入式技術的遠程果品綜合評估系統，其特徵在於，在休眠模式下，傳感器節點中只有上電復位、外部中斷和32.768kHz睡眠時鐘處於活躍狀態。
4.根據權利要求2所述的基於嵌入式技術的遠程果品綜合評估系統，其特徵在於，在定期採集模式下，網絡中採集數據的傳感器節點將按照設定的時間間隔和循環次數對環境數據進行採集和上傳，當採集到指定次數後，傳感器節點自動進入休眠模式。
5.一種基於嵌入式技術的遠程果品綜合評估方法，其特徵在於包括以下步驟: (1)果園現場測控中心子系統通過電子秤獲取果品重量，通過雲臺攝像頭獲取多視角多場景的圖像，獲取的上述信息和來自於果園環境參數子系統採集的果園環境參數經3G模塊傳送至遠程監控客戶端； (2)果園環境參數子系統通過降水量傳感器、空氣溫溼度、土壤溫溼度、光照強度和土壤PH值多路傳感器採集模塊，採集果園環境參數並上傳到果園現場測控中心子系統； (3)果園現場遠程監控客戶端子系統，通過公共網關接口程序完成Web伺服器和遠程瀏覽器的交互，用戶通過Web 伺服器模塊遠程實時控制和查看由果園現場測控中心子系統的攝像頭拍攝的現場果品的採摘、電子秤稱重過程和果園環境參數相關信息。
全文摘要
一種基於嵌入式技術的遠程果品綜合評估系統採用ARM+LINUX嵌入式系統平臺，由電子秤稱得果品的重量，由ZigBee無線傳感網絡採集現場環境參數，經雲臺四個方向的轉動來控制USB攝像頭獲取視頻信息，通過3G無線模塊將採集到的數據實時上傳遠程WEB客戶端。該系統具備數據自動採集、遠程傳輸、存儲管理、網絡發布等功能。從邏輯結構上系統有三大子系統基於嵌入式技術的測控中心子系統、基於ZigBee無線網絡的環境因子採集子系統和基於WEB的遠程客戶端子系統。遠程用戶可根據自己的意願，通過瀏覽果園WEB伺服器實時查看現場果品的採摘、稱重等場景與果品生長環境的相關信息，以利於遠程用戶對水果品質的綜合評價。
文檔編號G05B19/418GK103076788SQ20131000089
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月4日 優先權日2013年1月4日
發明者朱偉興, 李新城, 沈芳霞 申請人:江蘇大學