基于嵌入式组件技术的精准农业农田信息采集系统的设计与实现孟志军

1、基于嵌入式组件技术的精准农业农田信息采集系统的设计与实现孟志军12020 年 4 月 19 日文档仅供参考基于嵌入式组件技术的精准农业农田信息采集系统的设计与实现孟志军 1, 2,王秀 1,赵春江 1,薛绪掌 1(1.国家农业信息化工程技术研究中心,北京 100089;2.中国农业大学精细农业研究中心,北京 100083)该模块负责 GPS通讯和数据处理任务。系统经过RS-232标准串口连接手持型 GPS、差分 GPS或直接在掌上电脑上插接 CF卡式 GPS与 GPS设备进行通讯 , 解析通讯端口传来的 NMEA-0183 协议格式数据 ,提取经纬度位置信息、高程、卫星分布、信号、速度等方面信

2、息。2)基于嵌入式操作系统W inCE 的 GIS基本功能模块该模块的主要功能有:地图操作功能 ,包括地图显示、放大、缩小、漫游、自由放缩、点选、全图等;地图管理功能包括对地图的旋转角度、容限进行设置、图层控制功能等 ;查询功能包括图形和属性双向互查功能、支持SQL查询 ;分析计算功能主要有距离、面积量算、最短/最佳路径分析等功能。3)农田信息采集功能模块根据田间信息采集作业的不同,要求系统能进行田22020 年 4 月 19 日文档仅供参考间地物分布、杂草分布、病虫害发生情况等多种基于精确空间位置的实时信息。系统要求支持基于GPS位置的农田地物分布空间和属性信息的采集记录;支持基于GPS位置

3、的作物长情长势、病虫草害分布空间及属性信息的采集记录。嵌入式农田信息采集系统软件结构框图如图1 所示。图 1系统功能模块结构框图Fig. 1Structure of system functionmodules1.2系统开发环境在基于掌上电脑的农田信息采集系统中,使用的硬件系统主要有GPS设备和掌上电脑。根据所采集信息对空间位置精度的要求不同,可选用非差分的便携式GPS设备或差分GPS(DGPS)设备 ,当前常见的便携式GPS的水平定位精度可达到10m 左右。如果信息采集精度较高 ,则需要采用DGPS设备。系统在开发过程中选用的 DGPS设备是 TrimbleAgGPS132,其中一台为基准站

4、 ,一台作为田间工作的流动站,在差分状态工作时水平定位精度为亚米级。便携式GPS采用NAVMAN for Compaq iPAQ,这是一个专门为Compaq iPAQ系列掌上电脑设计的背夹式GPS接收机,水平定位精度为5m 左右。考虑到农田信息采集系32020 年 4 月 19 日文档仅供参考统的野外工作环境,选择了 Compaq iPAQ 3870型PocketPC,该型号掌上电脑电源工作时间长,显示屏抗强光性能较好。掌上电脑的操作系统为中文M icrosoftPocketPC,系统软件开发过程中,选择 M icrosoft eMbeddedV isualC+ 3. 0作为应用软件开发工具。

5、为了实现基于掌上电脑的GIS功能 ,选择 eSuperM ap 1. 0 作为系统开发中间件。eSuperM ap 是北京超图公司开发的嵌入式地理信息系统开发工具,以类库的方式进行分发。该开发工具针对嵌入式设备资源紧缺的特点,设计了紧凑的数据结构 ,对资源的消耗较低,功能比较完善。嵌入式农田信息采集系统的结构框架如图2 所示。图 2嵌入式农田信息采集系统结构图Fig. 2Structure of embedded fieldinformation collection system2 嵌入农田信息采集系统软件开发2.1GPS设备通讯与数据处理模块GPS和田间信息获取设备为系统提供信息源,其中

6、GPS设备提供空间位置信息。根据地物特征和信息采集作业类型 ,系统能够将 GPS设备采集的散点数据形成为点、线或面状的矢量数据。田间信息获取设备负责为这些矢量提供匹配的实时动态属性数据,系统经过42020 年 4 月 19 日文档仅供参考将动态实时的属性数据与矢量的匹配,从而达到田间信息采集的目的。eSuperM ap 提供了 GPS相关的类进行GPS通讯和数据处理,经过调用这些类的相应函数接口很容易实现与GPS设备的通讯和位置数据的提取。如经过传入一个能够描述GPS硬件设备接口信息的结构 GPSDEVICEINFO的对象实例 ,调用 CSeGPS类的成员函数 Open()就能实现经过串口与

7、GPS设备连接 ,如果连接成功再调用该类的成员函数GetData()能够返回一个 GPSDATA类型的结构体对象,该结构体中包括有以经纬度表示的位置、高程、可见卫星数等信息。实际应用系统开发中,仅使用 eSuperM ap1. 0 提供的类库进行GPS数据分析处理往往不够,因为其处理解析的 NMEA 语句有限 ,提供的信息有时不能满足一92 农业工程学报经纬坐标和转换为平面坐标,进而形成相应的数据文件。2. 2. 3 地图数据的显示操作地图显示操作子模块能够将以 PMF 格式表示的地理空间数据打开显示并进行放缩、平移、漫游等操作。eSuperM ap 中对 PMF 文件的管理是经过类CSePM

8、F实现的 ,该类提供Open 方法用以打开指定路径和名称的 PMF 文件 ,GetM aps 方法用以获取PMF 文件中的52020 年 4 月 19 日文档仅供参考地图 ,GetDataSource 方法能够获取指定名称的数据源 ,Close()方法用于关闭 PMF 文件。 PMF 文件的显示由 CSeM apWnd 类实现 ,CSeM apWnd 类是 eSuperM ap负责地图显示和操作的核心类之一,它是 eSuperM ap类库的外在体现,大多数与地图显示相关的操作基本上都要经过它来实现。地理空间数据在地图窗口中显示出来以后,就能够进行放缩、平移和全图等地图操作动作。这些地图操作的实现是经过调用CseM apWnd 类的成员函数SetAction()实现 ,不同的操作动作能够经过设置该函数的参数加以区别。CSeM apWnd 类提供了添加图层函数 AddLayer(),能够添加由指定数据源中的某一数据集或者一个定义好的图层对象 ,它提供的RemoveLayerA t()函数和 ReMoveLayer()函数分别可以用来删除当前地图集中指定索引顺序的图层和指定名称的图层。同时,经过调用相应方法可将指定索引顺序位置的图层在当前地图集中进行上下移动和以移至图层集最上端和最下