基于GPS定位功能的植物叶面生长数据分析仪

朱俊杰，贤 扬，杨 龙，王亮军

（中南林业科技大学 计算机与信息工程学院，湖南 长沙410004）

基于GPS定位功能的植物叶面生长数据分析仪

朱俊杰，贤 扬，杨 龙，王亮军

（中南林业科技大学 计算机与信息工程学院，湖南 长沙410004）

为了适应在野外环境对植物叶面的曲线长度和轮廓面积等数据的快速采集和查询，设计了一种基于GPS定位功能的嵌入式植物叶面长度面积求算仪。此系统采用GPS卫星定位技术，由SiRFstar III型GPS接收器接收定位信号，采用触摸屏输入技术，由ARM微控制芯片LPC2114完成植物页面长度和面积的采集与计算，实时存储地理位置信息，并对相关数据进行分析，由液晶显示屏AT070TN83显示输出。此系统采用嵌入式控制技术，可移植性高，操作界面简单、体积小、在记录标本长度面积的同时记录了此标本的地理位置，为科研工作者提供了可靠的数据信息与结果分析。实验结果表明本设计方案具有速度快、精度高、成本低等优点。

植物叶面生长数据分析仪；GPS定位功能；叶面测量

在农作物研究中，植物标本的长度和面积数据，特别是植物的叶片面积数据，是农林工作者野外实地测量并记录的重要数据之一，是科学研究重要的数据基础[1-2]。 它反映出了测量区域内植物生长状况以及病虫害侵蚀程度，据此可以估算某种作物对此区域环境的适应性， 定向培育新品种。同时，不同地理环境情况下，同种植物叶面积的差异，也为研究植物生长规律提供了重要依据。因此， 在野外工作中精确的植物叶片数据与地理位置信息复合测量是现代化农林业研究和实践中的重要参考。目前，已有的植物叶片面积测量方法劳动强度高，求算误差大，速度慢，尤其不适用野外使用。李崇慈[3]等提出了叶面积测量仪的设计方案，以单线发光二极管与光敏三极管为基础构成测量元件，以单片机为数据处理核心器件并辅以人工操作来进行叶面积测量，但是此方案仅在理论上进行讨论，并未进行实物测试。唐文兴[4]等人设计了一种基于AT89S52单片机的长度面积求算仪，此求算仪降低了劳动强度，提高了计算精度，但此方法没有记录相关的地理信息，可移植性不高，仍需科研工作者进行大量后期记录工作。因此，有必要设计基于GPS（美国第二代军用导航系统）卫星定位功能，快速、准确、便于携带、可移植性高的植物标本长度面积求算仪。

1 系统总体设计

本设计采用GPS卫星定位技术，通过SiRFstar III（塞浮第3代GPS芯片）型接收器接收信号，由ARM微控制芯片LPC2114处理，产生实时的卫星定位信息，实现了植物标本地理位置的记录。同时采用了触摸屏技术，在野外可实地通过触摸屏勾绘图形，由ARM微控制芯片LPC2114计算图形曲线长度和轮廓面积并实时进行数据处理与分析，系统的总体设计如图1所示。

图1 系统的总体框架Fig.1 Block diagram of overall system

GPS时刻发布时间和所处位置的经纬度数据信号，GPS接收模块采用SiRF star III接收器，根据信号传输速度并以每一颗卫星所发信号到接收器的时间延迟为基础，可以计算出接收器到不同卫星的相对距离。GPS接收模块在同时计算出到至少4颗卫星的相对距离时，就可以确定速度、时间和三维坐标，通过微处理器进行运算与处理，完成卫星定位并通过显示器进行显示。触摸屏是一种人机交互设备，用于检测用户的绘图信息的触点坐标，并送给ARM微处理器。ARM微处理器在接收到触摸信息后进行数据更新、计算与分析[5-6]，并在显示器上显示计算结果。同时用户可以通过键盘模块控制系统的电源开关、模式选择、系统复位、系统清零等功能。

2 GPS定位

在本系统采用基于SiRF star III型GPS，其默认的通信波特率为9 600，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验位。通常输出格式为NMEA-0183，数据代码为ASCII码字符。此种格式直观且易于处理，经过程序判别、分离后，可提取经度与纬度信息。GPS发送的经纬度信息是将数字以ASCII码形式表示，ASCII码值与实际数字具有一一对应的关系[7]。

如实时接收GPRMC语句：$GPRMC,063746,A,4704.2405,N,13125.0738,E,0.00,0.00,150410,,,*62

这是一条GPS定位数据信息语句，其表示的意义为UTC时间为06时37分46秒，当前状态为定位状态，位置在北纬47度04.240 05分，东经131度25.073 8分，速度和航向为0，当前处于定位静止状态，校验和为62H。图2表示了程序如何控制从语句中提取出经纬度数据。

图2 定位数据信息Fig.2 Data of fi xed position

3 叶面数据记录及分析方法

本系统采用7寸4线电阻式触摸显示屏，其显示屏使用分辨率为800×480的AT070TN83 V.1，触摸屏使用AG-1740A-GRB7-FD，可触摸显示尺寸为152.40 mm×91.44 mm，由分辨率知触摸显示屏的最小点长宽为a=0.190 5 mm，即触摸显示屏一点的面积为Δs=a×a。

将实地采样的待测叶样本平铺于液晶屏上，用触屏笔勾绘出叶样品轮廓，控制系统通过逐行扫描触摸屏的每一个显示点，确定出叶面轮廓及其覆盖区域。

面积的计算：设触摸屏所勾绘出图形所覆盖区域的所有显示点数为N，则勾绘图形面积记为s=Δs×N。

长度的计算：触摸屏上相邻的点空间关系只能存在8情况：上、下；左、右；左上角、左下角；右上角、右下角，假设触摸屏上点阵间距为a，相邻两绘图点的空间位置关系如果是左下角、左上角或右下角、右上角的关系，则两点的长度为3×a；如果是上下或左右的关系，则两点的长度为2×a。

如图3，单片机记录触摸屏勾绘的图形边界所有相邻点的位置关系，即可计算出曲线的长度为10×a。

图3 长度计算方法Fig.3 Length calculation method

系统将测得样本的叶面面积及轮廓周长数据，配合SiRF star III型GPS测定的仪器所处的实时地理位置信息，记录为一组数据。研究人员通过这样的一组数据，可以方便的分析在不同地理区域中植物的生长情况，减少了大量人工记录步骤。

4 单元模块设计

4.1 GPS模块

在本系统中采用用+5V供电，以SiRF star III型GPS模块为定位核心，，TTL电平自动输出NMEA 0183 3.0格式(ASCII字符型)语句。LPC2114对接收到GPS传送过来的经纬度信息进行简单的处理，在液晶显示器上显示。

4.2 触摸显示屏

本系统采用的显示屏是群创公司的AT070TN83， 分 辨 率 为 800×480，支 持 18位RGB，LPC2114内部拥有TFT LCD控制器，可以很好的兼容AT077TN83液晶显示屏，触摸屏采用与AT070TN83对应的7寸屏AG-1740A-GRB1-FD，它是4线电阻式触摸屏，LPC2114通过A/D将电阻值转换为触摸位置，它具有功耗低、精度高等优点。液晶显示屏与触摸屏都选用7寸屏，处理器可以通过计算触摸位置得到显示屏上与之对应的点阵位置。

4.3 微处理器

本系统采用的ARM微处理器为LPC2114，LPC2114是一个基于支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM的微控制器，具有128 k字节嵌入的高速Flash存储器。在独特的加速结构和128位宽度的存储器接口下，32位代码可以在最大时钟速率下运行。LPC2114有极低的功耗、较小的64脚封装、多个32位定时器、4路10位ADC以及多达9个外部中断使其特别适用于医疗系统、工业控制、访问控制和POS机。宽范围的串行通信接口使它们也非常适合于协议转换器关、通信网、嵌入式软modern以及其它类似的应用[8-10]。本系统中LPCC2114主要完成卫星定位数据以及长度面积信息的处理。

4.4 键盘模块

本系统键盘共设定4个按键，包括控制切换键、功能选择键、存储键和清零键。通过切换键可以选择液晶显示屏显示经度纬度、叶面长度、叶面面积、叶面图形等不同内容；通过功能键可以选择GPS定位、触摸屏输入、数据计算等功能；通过存储键保存数据；通过清零键格式化数据。

总电路图如图4所示：

5 系统软件设计

5.1 GPS定位中断子程序设计

以GPRMC作为GPS信息语句识别的ID，语句中以逗号区隔出位置固定的一系列有效信息，因此软件可通过计数接收到的逗号定位所需信息并提取。当程序确认接受GPRMC语句后，使能接收标志置位，同时清零逗号计数变量。此后逗号计数变量在每接收到逗号后加1。GPRMC语句的第3个逗号后为纬度数据，第5个逗号后为经度数据，所以当逗号计数到3时，使能接收纬度数据；逗号计数到5，使能接收经度数据。接收结束字符“*”后，停止接收数据，计数器清零，准备下次接收。其设计流程如图5所示。

图4 系统主电路Fig.4 Main circuit of system

图5 GPS定位信息设计流程Fig.5 Flowchart of fi xed position of GPS

5.2 触摸屏驱动程序设计

系统转换精度为1 024×1 024，配置成10位差分模式。转换周期为16个时钟，X轴坐标值存储在DATAX中，Y轴坐标值存储在DATAY中，采用短时间多次判断接触的软件设计方法来触摸屏信号抖动而产生的误操作[11]，当前转换的结果存储于DATA2，上一次转换的结果存储于DATA1。其设计流程如图6所示

5.3 长度、面积程序设计

CPU通过获取每个点的坐标，从而得到任意相邻点之间的距离，累加所有相邻点距离即能得到叶面的长度。CPU通过逐行扫描计算出所临摹图形包含的点的个数N，由叶面计算公式s=Δs×N可以计算出叶面面积，长度、面积计算流程如图7所示[12]。

图6 触摸屏信号检测程序设计流程Fig.6 Flowchart of touch-screen

6 小 结

该求算仪设计简单，使用方便，在采集植物叶面数据时没有复杂的图像扫描过程，为获取植物叶面的曲线长度或面积提供了一种快速、便利的工具，并可为科研技术人员在野外工作时实时提供卫星定位信息，在大大降低了科研人员在数据采集时的劳动强度的同时，提高了工作效率。其体积小、精度高、速度快，具有十分广阔的应用前景。

图7 长度、面积计算程序设计流程Fig.7 Flowchart of length, area program design

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Plant leaf area growth data analyzer based on GPS positioning function

ZHU Jun-jie, XIAN Yang, YANG Long, WANG Liang-jun
(School of Computer and Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to quickly capture and inquire plant leaf’s curve length and prof i le area etc. in fi eld work, a leaf area and edge length measurement embedded system with GPS positioning function has been designed. The analyzer receives positioning signal by SiRFstar III GPS receiver, inputs capture and inquire instructions through touch screen, accomplishes the acquisition and calculation of plant leaf’s curve length and prof i le area by adopting ARM micro-controller chip LPC2114, records and stores geographical information of the plant in real-time, analyzes the obtained related-data and displays the data on the liquid crystal display (AT070TN83). Moreover, the embedded control technology offers good portability. This system provides credible information of leaf area and edge length as well as location information for science researchers with simply operation and small volume. The validity and effectiveness are verif i ed through comprehensive experiments.

plant leaf area growth data analyzer; GPS positioning function; leaf measurement

S771.8；S789.4

A

1673-923X(2014)01-0027-05

2013-09-20

湖南省自然科学基金项目（12JJ3042）

朱俊杰（1972-），男，湖南湘潭人，副教授，博士研究生，研究方向为自动控制与智能检测

[本文编校：吴 毅]