基于STM32的稻纵卷叶螟监控统计装置设计

丁林++张辉

摘 要：现代农业科研生产中对于生物防治农业病虫害的研究日益深入，合理地利用害虫的天敌来减轻病虫害对作物生长过程的危害已成为科技工作者研究的重要目标。然而现有的技术手段无法高效可靠地获取作物生长过程中病虫害发生的时间、位置、虫害数量等试验数据，也因此无法确定虫害天敌的布放时机、数量、布放位置等，严重地制约着生物治虫在农业生产中的大规模应用。提出了一种基于STM32的稻纵卷叶螟监控测量装置，为在农田等不宜架设大型设备的环境实时监控统计病虫害提供了有效可靠的测量方法。

关键词：生物治虫 STM32 实时监控 稻纵卷叶螟

中图分类号：S47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0013-02

随着现代生态农业概念的普及，“以虫治虫”的方法也逐渐成为农业生产公司、科研院所等关注的重点。而要采用“以虫治虫”的方法来减少病虫害对农业生产的危害，就得对作物生长过程中，出现的病虫害种类及数目进行统计，确定整个作物生长过程中需要投放的样本数目。该文设计了一种基于STM32的便携式图像监控装置，通过在图像信息中叠加装置所处位置的GPS信息和姿态信息，监控区域内的病虫害数据，为一线工作人员提供第一手统计数据。

1 系统总体设计

目前常用的图像信息采集和处理的方案主要有两种：一种是利用CCD图像传感器和图像采集卡；另一种则是采用CCD或CMOS图像传感器，利用DSP、FPGA、ARM等专业芯片进行处理。该文采用嵌入式处理器及CMOS图像传感器作为本装置的设计方案，同时将当前时刻，设备的地理位置和姿态信息叠加到图像信息中，便于工作人员对目标区域的定位与划分。

2 系统硬件设计

系统硬件主要有嵌入式处理器、数据采集模块、数据存储模块及供电系统四部分组成。其中数据采集模块由图像传感器、GPS模块及姿态测量模块三部分组成。

嵌入式处理器是整个系统的大脑。目前，世界上已有超过30个系列，1000余种具有不同功能和优势的处理器。STM32微控制器是基于ARM公司的Cortex-M3内核而推出的系列，该系列采用ARMv7指令集，3级流水线的哈佛结构，功能强大，功耗较低，性价比极高，广泛应用于消费电子、工业监控等各领域[1]。本系统采用STM32F103ZET6处理器作为装置的运算处理核心。

图像传感器选择方面，与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器可直接输出数字信号，成本低廉，采集速度和效果可以满足一般的设计需求等特点，在低成本应用方面具有较大的优势。因此本文采用的是OV7725图像传感器作为图像信息的采集模块。OV7725是由OV公司推出的具有高信噪比、微光灵敏度高的CMOS图像传感器。该传感器提供了D7～D0的8位数字像素信号、VSYNC帧同步信号、HREF行同步信号、PCLK像素同步信号以及SCCB总线寄存器配置信号、XCLK工作时钟信号等，可对传感器的不同数据输出格式、图像分辨率、自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡以及饱和度、亮度、对比度等进行配置，支持8bitYUV/YCbCr 4：2：2、RGB565/555/444等多种格式的图像数据。由于OV7725的时钟频率较高，为了保证图像信息的连贯性，采用了FIFO AL422B作为数据的缓冲，减轻了CMOS的控制及时序关系给处理器带来的负担。

GPS模块采用U-BLOX NEO-6M-001模组。该模组定位精度最高可达2 m，热启动与辅助启动首次定位时间优于1 s，输出的GPS数据格式采用NMEA0183协议，控制协议为UBX协议，用户通过UART的方式可以很方便地提取GPS数据。

姿态测量单元采用六轴高精度陀螺加速度计MPU6050，该单5143可以兼容3.3 V/5 V嵌入式系统。模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，可在动态环境下准确输出模块的当前姿态，精度可达0.01 °，稳定性高。

3 系统软件设计

STM32系列芯片支持Keil编程环境，该开发环境拥有很强的兼容性，支持51系列、ARM系列、STM32系列单片机，支持C语言、汇编语言编程[2]。同时Keil包含了C编译器、宏汇编、库管理和仿真调试器等在内的完整开发方案，提升了编程人员的软件编译效率。系统软件的编写采用移植性好、可读性高、逻辑清晰的C语言完成（如图1）。

3.1 图像采集程序设计

OV7725输出图像时是以一幅图像为一帧，其帧时序（也称场时序）由多个行时序组成。因此图像采集程序的设计思路为：STM32采集OV7725的帧同步信号为中断信号，当捕捉中断信号时，拉高WER管脚电平，将整幅图像的数据存入FIFO；当再次捕捉到中断信号时，关闭中断使能，拉低WER电平，开始读取FIFO中的数据进行应用处理，完成后，重新开启中断使能。

3.2 GPS接收模块软件设计

GPS模块的通信接口为UART方式，采用NMEA-0813协议，数据输出格式为ASCII码流。系统接收机格式为：串口通信速率为9600bps，数据位8位，无奇偶校验，1位停止位或起始位。本装置采用的GPS定位信息为$GPRMC（推荐的最小具体定位数据）[3]，如图3所示）。

3.3 姿态模块软件设计

MPU6050模块的通信接口为UART方式，采用hex码直接输出。系统接收机格式为：串口通信速率为115200bps，数据位8位，无奇偶校验，1位停止位或起始位（如图4）。

4 装置测试及结果

装置硬件、软件确认无误后，将程序下载至核心控制芯片中，将设备放置于农田中进行测试，获取测试图像。将测试图像通过本装置配套的图像读取软件进行判断，可以获得图像及其相关的地理位置信息，如图5所示。

测试结果表明：本装置可以较好地应用于稻田卷叶螟的监控测量，通过本装置的数据，工作人员可以直观地获取特定区域特定时间虫害的活动规律。

5 结论

本装置通过STM32将图像传感器、GPS定位模块、姿态模块等传感器的数据融合在一起为农业病虫害的监控测量提供了一种新的测量方法，并取得了较好的测试结果。在之后的运用中，可以通过选择性能更高的传感器以及核心控制芯片，不断提高本装置的应用性能，从而更好地满足农业病虫害防治领域的测量需求。

参考文献

[1] 朱岩.基于STM32的车辆综合无线监控系统设计[D].太原：太原理工大学，2012.

[2] STMieroelectronics. STM32F103xE STM32F103xD Data Sheet[M]. Geneva： STMGroup of company， 2008.

[3] 李洪涛，徐国昌，薛鸿印，等.GPS应用程序设计[M].北京：科学出版社，2000：4-17.

[4] STMieroelectronics. ARM-based 32-bit MCU STM32F101xx and STM32F103xxfirmware library[M]. Geneva： STM Group of company， 2008.endprint