通用化农田信息检测终端及其检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种通用化农田信息检测终端及其检测方法。该检测终端由硬件电路和软件系统组成，其中硬件电路包括ARM Cortex?A8主控模块(主控芯片为S5PV210 A8)、AD/232/485/USB传感器接口模块、按键/电容触摸屏/高清液晶屏人机交互模块、SD卡/USB/WiFi/BT(Bluetooth下同)/3G数据下载和通信模块、GPS/北斗双定位模块和电源/电量计模块。本发明的检测终端可选择配接或同时配接多种类型的传感器，包括模拟/数字式、电流/电压型以及视频/图像摄像头，实现对土壤和大气参数、作物图像和地理信息的精准采集，并采用多种方式保存或传输检测结果。本发明的检测终端具有高性能和高通用的优点，适用于农田多样化信息的精准、高效检测。
【专利说明】
通用化农田信息检测终端及其检测方法
技术领域
[00011 本发明涉及一种基于ARM和Android的通用化农田信息检测终端以及通用化农田 fg息检测方法。
【背景技术】
[0002] 农田信息主要包括土壤、大气和作物等三个方面以及地理位置等信息，精准农业 (Precision Agriculture)和数字农业(Digital Agriculture)要求准确、高效、自动化地 检测这些信息，为种植业生产管理提供科学依据，从而提高作物产量和品质。
[0003] 由于农田环境的复杂性和信息的多样性，现有农田信息检测技术或设备/仪器存 在的主要问题是通用性较低。一方面是信息采集的局限，由于这些检测设备或仪器是针对 具体需求专门设计的，功能较单一，只能配接特定的传感器、检测某些特定的田间参数，不 具有扩展或二次开发能力，当要检测其他更多参数时，必须交叉使用不同的检测仪器或设 备，操作不便且成本高。另一方面是数据展示、保存和传输方面的局限，一般只具有数值显 示、本机保存、串口下载或GPRS传输等少数功能，难以满足丰富、多样的实际需求，给后续的 数据处理和应用带来不便。
[0004] 现有检测设备的性能不足是影响通用性的主要原因。以单片机或简易嵌入式微处 理器为核心的技术方案从根本上限制了检测设备性能的发挥，从而导致采集和使用的通用 性不足，包括多种不同类型传感器接入困难、人机交互和信息交换功能单一、其他新型功能 模块难以融合等，不能满足高效、自动化的检测需求。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种通用化农田信息检测终端。
[0006] 本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种利用上述通用化农田信息检测终 端的检测方法。
[0007] 对于通用化农田信息检测终端，本发明采用的技术方案是，通用化农田信息检测 终端，包括主控模块、无线通讯模块、卫星定位模块、电源模块、显示模块、输入模块、传感器 接口、SD卡接口；
[0008] 主控模块分别与无线通讯模块、卫星定位模块、电源模块、显示模块、输入模块连 接;且主控模块还设有传感器接口、SD卡接口。
[0009] 作为优选，主控模块为ARM Cortex-A8主控模块，无线通讯模块为WiFi和/或BT和/ 或3G无线通讯模块，卫星定位模块为GPS和/或北斗定位模块，电源模块为电源和/或电量计 模块，显示模块为高清液晶屏模块，输入模块为按键和/或电容触摸屏模块，传感器接口为 AD和/或232和/或485和/或USB传感器接口。
[0010] 作为优选，AD和/或232和/或485和/或USB传感器接口，分别或同时接入各种模拟/ 数字式、电流/电压型传感器以及视频/图像摄像头，实现对土壤和大气参数以及作物图像 的精准采集，具有通用性、全面性检测优势。
[0011]作为优选，电源模块支持5~28V的宽输入电压，最大提供3A输出电流。
[0012] 作为进一步优选，ARM Cortex-A8主控模块内嵌Android操作系统，内核中集成了 232、12(：、3?1、？丽^0(：、6?10、1]38摄像头接口驱动411扣〇丨(1中编写了骱1^硬件库和对应的 JNI接口，支持Android应用层直接调用各接口，数据直接在SQLite下存储，并以SQLite为核 心进行数据展示及交换，包括显示、查询、上传和导出。
[0013]对于利用通用化农田信息检测终端的检测方法，本发明采用的技术方案是，包括 以下步骤：
[0014] (1)打开检测终端电源，等待进入Android系统，GPS/北斗芯片会自动启动并接收 定位数据，3G移动网络模块注册网络信息，启动ril-daemon服务，守护rild进程，启动PPP_ 3G服务并进行拨号，进入Android系统；
[0015] (2)进入Android系统后，打开本次检测对应的APP，设置APP的工作方式；
[0016] (3)接入相应的传感器，传感器将会自动向系统推送传感器信息，系统接受到传感 器信息后，系统会自动计算接入传感器的类型为数字式或模拟式，以及传感器的数量；
[0017] (4)系统识别接入的传感器后，系统会自动启动相应的硬件驱动，并发送对应的指 令到传感器；
[0018] (5)当传感器收到指令后，传感器会采集数据并上报到系统，系统收到传感器对应 的数据后会自动解析数据；
[0019] (6)数据解析完成后，系统结合GPS和/或北斗模块定位数据实时显示；
[0020] (7)数据显示完成后可以对检测的数据进行存储或传输操作。
[0021] 作为优选，Android操作系统的内核中集成了 232、12(^?1、？丽、六0(：、6?10、1^摄 像头接口驱动，且在Android操作系统中编写HAL硬件库和对应的JNI接口，支持Android应 用层直接调用各接口，数据直接在SQLite下存储，并通过TCP/IP协议传输到后台数据库。 [0022]作为优选，步骤(3)中相应的传感器是指利用AD和/或232和/或485和/或USB传感 器接口，分别或同时接入各种模拟/数字式、电流/电压型传感器以及视频/图像摄像头。 [0023]作为优选，步骤(4)中硬件驱动为AD驱动和/或232驱动和/或摄像头驱动。
[0024]作为优选，数据存储或传输具有便携式的实时存储传输或无人值守定时存储传输 两种工作模式；
[0025]定时存储传输的方式包括3G和/或WiFi定时传输到远程数据库或定时存储在本地 SQLite数据库，或SMS/MMS发送;且所述本地SQLite数据库的数据可以由WiFi、BT、SD卡、 USB、3G五种方式导出。
[0026]本发明的有益效果是：
[0027] 1.本发明通过设计AD/232/485/USB传感器接口，可根据需要选择接入或同时接入 各种模拟/数字式、电流/电压型传感器以及视频/图像摄像头，实现对土壤和大气参数以及 作物图像的精准采集，具有通用性、全面性检测优势。
[0028] 2.本发明设计了按键/电容触摸屏/高清液晶屏模块，提高了输入、显示的人机交 互性能。
[0029] 3.本发明设计了 SD卡接口、USB下载、WiFi/BT/3G无线通讯模块，构成多样化的检 测结果保存/传输模式，丰富了信息交换能力。
[0030] 4.本发明采用GPS/北斗双定位模式，在信号质量不佳环境下也可进行有效定位。
[0031] 5.本发明设计的电源模块、电量计模块性能优良，支持5~28V的宽输入电压，最大 提供3A输出电流，具有电量显示功能。
[0032] 6.本发明是基于A8ARM微处理器和Android操作系统的一体化设计，并进行合理的 软件剪裁和驱动程序移植，内核中集成232、12(：、5?1、？丽、六0(：、6?10、1^8摄像头等接口驱 动，Android中编写HAL硬件库和对应的JNI接口，支持Android应用层直接调用各接口，数据 直接在SQLite下存储，并以SQLite为核心进行数据展示及交换，包括显示、查询、上传和导 出。具有高性能、可二次开发的特点。
【附图说明】
[0033]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0034]图1是本发明通用化农田信息检测终端实施例的终端总体结构图。
[0035]图2是本发明通用化农田信息检测终端实施例的AD/232/485/USB传感器接口结构 图。
[0036]图3是本发明通用化农田信息检测终端实施例的数据下载和通信模块结构图。 [0037]图4是本发明通用化农田信息检测终端实施例的传感器接口 HAL库层和JNI接口层 的定制框图。
[0038]图5是本发明通用化农田信息检测终端实施例的数据展示及交换软件结构图。 [0039]图6是本发明通用化农田信息检测终端实施例的信息检测流程图。
【具体实施方式】
[0040 ]图1是一种基于ARM和Andr 〇 i d的通用化农业信息检测终端。
[0041 ] 该终端包括主控模块(A8 ARM+Android 0S)、AD/232/485/USB传感器接口、按键模 块、电容触摸屏/高清液晶屏模块、SD卡接口、USB下载、WiFi/BT/3G无线通讯模块、GPS/北斗 卫星定位模块、电源模块、电量计模块。
[0042] A8 ARM主控模块分别与WiFi/BT/3G无线通讯模块、GPS/北斗卫星定位模块、电源 模块、电量计模块、电容触摸屏/高清液晶屏模块、按键模块连接;且A8 ARM主控模块还设有 AD/232/485/USB 传感器接口、SD 卡接口。
[0043] A8 ARM主控模块以SSPV210A8为主控芯片，配置512M DDR2 RAM、1G SLC NAND Flash、Reset和JTAG接口以及必要的Test点、供电稳压电路、必要晶振和接口电路。
[0044] 传感器接口如图2所示。其中：
[0045]模拟式传感器AD接口包括6个12位AD采集接口，采集电压范围为0~3.3v，电流范 围为0~20mA。对于电流型传感器(如RY-DS型土壤湿度传感器等），AD采集接口需要连接高 精密电阻，而电压型传感器(如SW-401型土壤水分传感器等)则使接口保持悬空状态即可； [0046] 数字式传感器232/485接口包括2个3.3v RS232接口和一个RS485接口。RS485接口 由其中一个RS232接口电路转换而来，转换芯片为SP3485，DE和RE是由输入输出流控制， SP3485芯片的DI脚(S5PV210的TXD)取得收发状态，进而设置485芯片的收发状态，控制输入 输出状态；
[0047] USB接口是由通用USB接口和USB集线器FE1.1S组成，USB接口电路全部采用差分布 线方式进行布线，USB接口是全速2.0，最大支持480Mbps，能够保证USB摄像头、USB WiFi、 USB Bluetooth等正常通信速率。
[0048]按键模块电路由4个GPI0和上拉电阻组成，GPI0采用中断方式触发。按键模块既可 配置为Android的标准输入按键，又可以作为检测终端的控制输入端口。
[0049]电容触摸屏模块电路由一个I2C通信接口和两个GPI0组成，两个GPI0分别控制 Reset和INT 口的状态，GPI0不接上拉/下拉电阻保持悬空状态。
[0050]高清液晶屏模块电路由通用的24Bit RGB接口和液晶屏控制SPI接口组成，SPI接 口控制液晶屏的初始化、休眠和唤醒等功能。
[0051 ]数据下载和通信模块结构如图3所示。其中：
[0052] SD卡接口电路是由弹压式Micro SD卡槽和必要的上拉电阻组成。SD卡最大支持 32GB，支持低速 MMC 卡和 Class2、Class4、Class6 和 ClasslO 等高速卡；
[0053] USB SLAVE接口是一种高速的USB 2.0接口，主要负责与计算机数据交换和软件调 试；
[0054] WiFi/BT 无线通讯模块电路由 WiFi/BT 二合一模块 AP6210、26MHz/10ppm、32.768K 无源晶振和陶瓷天线组成。WiFi最大传输速率为72.2Mbps，蓝牙模块为BT 4.0，最大传输速 率为4Mbps;
[0055] 3G无线通讯模块电路由SM5320E、Micro SIM卡接口和USB接口组成，SIM5320E是 一款高性价比的WCDMA/HSDPA模块，S頂5320E为城堡式SMT封装，具有紧凑的尺寸、超薄的厚 度、支持下行速率达3.6Mbps，为防止静电击穿，模块加入防静电模块。
[0056] GPS/北斗定位模块电路由一块UM220-IIIN组成，UM220-IIIN是双系统高性能GNSS 模块，能够同时支持BD2 B1、GPS L1两个频点。
[0057] 电源模块电路包括四部分，分别是5V主供电电源、3.3V供电电源、3.6V3G供电电 源、传感器供电电源。检测终端由可充电锂电池供电，经MP2303转换为5v主供电电源。 MP2303是一款高转换效率的电源芯片，能够支持5~28v宽输入电压，最大输出电流达到3A。 5 v主供电电源输出接入芯片AMS 1086CM-3.3,输出3.3v电压，构成3.3V供电电源，给SD卡、高 清液晶屏、SP3485芯片、FE1.1S芯片、MAXi7040G芯片、UM220-IIIN芯片等供电。5v主供电电 源输出接入芯片LT1086CM-3.6，输出3.6v电压，构成3.6V供电电源，给SM5320E芯片供电。 5v主供电电源输出经由LM2577组成的升压电路变换，构成可调传感器供电电源，给各传感 器供电。
[0058] 电量计模块电路由MAXi7040G芯片组成，MAXi7040G内置Model Gauge算法，可以准 确测量出电量信息。
[0059]图4是传感器接口 HAL库层和JNI接口层的定制框图。Android是一种通用、开源的 普及操作系统，Android系统对硬件的操作需要按照固定的流程。一般android的硬件调用 过程是kernel->HAL->JNI->API->APP，其中HAL和JNI是硬件厂商定制的层，硬件厂商 没有实现的HAL和JNI层则需要自行定制。如图4虚线框内，camera . usb . so、libXXXX-hardware. so是由本发明专门定制的HAL层和JNI接口层。
[0060]核心驱动程序主要分为两部分，第一部分是由厂商编写移植的驱动，第二部分是 由本发明专门编写或移植的驱动。本发明专门编写或移植的主要硬件驱动可分为输入输出 驱动和模块驱动:输入输出驱动包括RGB驱动，RGB液晶屏控制（SPI)接口控制驱动，电容触 摸屏驱动，背光控制驱动，背光调节驱动(PWM)等;模块驱动包括3G模块驱动、3G模块ri 1驱 动和GPS/北斗驱动。3G模块支持电话、中英文短信、彩信、3G上网、3G/2G网络切换，GPS/北斗 支持GPS和北斗数据解析，以及Android系统设置模块工作方式。核心驱动程序列表详见表 1〇
[0061 ] 表1:核心驱动程序列表 [0062]
[0063]
[0064] 图5是基于SQLite的数据展示及交换软件结构图。传统检测设备对采集数据进行 储存时，一般采用按固定的大小存储或直接存储到txt中，数据读取和处理难度大，特别是 数据量较大时数据处理往往需要导出到计算机借助第三方工具处理并显示。SQLite作为 Android标准数据库，体积小、占用资源小、支持传统的SQL语言，为检测仪这种轻型数据存 储、查询、处理提供了极大的方便。根据每个传感器不同的特点设计不同的数据存储字段， 检测终端采集的数据可以定时自动存储到SQLite数据库或直接手动添加到SQLite数据库， 存储SQLite数据库中的数据可以由USB或SD卡导出XXXX. db数据库，导出XXXX. db数据库可 由计算机中工具读取数据、处理数据或传输到远程的服务器。SQLite数据库中的数据也可 由3G网络或WiFi网路传输到远程服务器。SQLite数据库中的数据可供用户按时间、位置、传 感器类型等条件进行查找，查找出的数据可绘制出数据曲线，计算数据的均值方差等，观察 数据变化趋势。
[0065]使用本终端进行信息检测的流程如图6所示。具体步骤如下：
[0066] (1)打开检测终端电源，等待进入Android系统，GPS/北斗芯片会自动启动并接收 定位数据，3G移动网络模块注册网络信息，启动ril-daemon服务，守护rild进程，启动PPP_ 3G服务并进行拨号。进入Android系统。
[0067] (2)进入Android系统后，打开本次检测对应的APP，设置APP的工作方式。APP的工 作方式包括电流型和电压型传感器的识别设置，识别方式可以是读取拨码开关预设值，从 而识别传感器类型。另一种识别方式通过APP对每个接口传感器类型进行直接设置，直接识 别传感器类型。电流型和电压型传感器识别后，需要对传感器输出信号进行转换，由于每个 传感器输出信号转换方式不同，需要手动输入信号转换公式。
[0068] (3)接入相应的传感器，即利用AD和/或232和/或485和/或USB传感器接口，分别或 同时接入各种模拟/数字式、电流/电压型传感器以及视频/图像摄像头。系统自动从服务器 中下载最新传感器信息表，传感器信息表包括传感器ID，传感器基本信息，传感器类型，传 感器信号转换公式。将接入的传感器ID与传感器信息表1D比对，由传感器ID获取传感器的 信息，根据系统传感器信息的比对结果自动获得传感器的类型(数字式、模拟式)和数量。
[0069] (4)系统识别接入的传感器后，系统会自动启动相应的硬件驱动(AD驱动/232驱 动/摄像头驱动），并发送对应的指令到传感器。
[0070] (5)当传感器收到指令后，传感器会采集数据并上报到系统，系统收到传感器对应 的数据后会自动解析数据。
[0071] (6)数据解析完成后，系统结合GPS/北斗模块定位数据实时显示。
[0072] (7)数据显示完成后可以对检测的数据进行存储或传输操作，数据存储传输具有 便携式的实时存储传输或无人值守定时存储传输两种工作模式。
[0073]其中实时存储传输方式有3G或WiFi传输到远程数据库、本地SQLite数据库存储、 SMS/MMS发送。定时存储传输方式有3G或WiFi定时传输到远程数据库或定时存储本地 SQLite数据库。
[0074] 本地SQLite数据库的数据可以由WiFi、BT、SD卡、USB、3G五种方式导出。
[0075]以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明 的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范 围之内。
【主权项】
1. 通用化农田信息检测终端，其特征在于，包括主控模块、无线通讯模块、卫星定位模 块、电源模块、显示模块、输入模块、传感器接口、SD卡接口； 所述主控模块分别与无线通讯模块、卫星定位模块、电源模块、显示模块、输入模块连 接;且主控模块还设有传感器接口、SD卡接口。2. 根据权利要求1所述的通用化农田信息检测终端，其特征在于，所述主控模块为ARM Cortex-A8主控模块，所述无线通讯模块为WiFi和/或BT和/或3G无线通讯模块，所述卫星定 位模块为GPS和/或北斗定位模块，所述电源模块为电源和/或电量计模块，所述显示模块为 高清液晶屏模块，所述输入模块为按键和/或电容触摸屏模块，所述传感器接口为AD和/或 232和/或485和/或USB传感器接口。3. 根据权利要求1所述的通用化农田信息检测终端，其特征在于，所述AD和/或232和/ 或485和/或USB传感器接口，能够分别或同时接入各种模拟/数字式、电流/电压型传感器以 及视频/图像摄像头，实现对土壤和大气参数以及作物图像的精准采集，具有通用性、全面 性检测优势。4. 根据权利要求1所述的通用化农田信息检测终端，其特征在于，所述电源模块支持5 ~28V的宽输入电压，最大提供3A输出电流。5. 根据权利要求1或2所述的通用化农田信息检测终端，其特征在于，所述主控模块内 嵌Android操作系统，内核中集成了232、1 2(：、3?1、?丽^0(：、6?10、1^8摄像头接口驱动，且在 Andro i d操作系统中编写HAL硬件库和对应的JNI接口，支持Andro i d应用层直接调用各接 口，数据直接在SQLite下存储，并通过TCP/IP协议传输到后台数据库。6. 利用如权利要求1所述通用化农田信息检测终端的检测方法，其特征在于，包括以下 步骤： (1) 打开检测终端电源，等待进入Andro i d系统，GPS/北斗芯片会自动启动并接收定位 数据，3G移动网络模块注册网络信息，启动ri I-daemon服务，守护ri Id进程，启动PPP_3G月艮 务并进行拨号，进入Android系统； (2) 进入Android系统后，打开本次检测对应的APP，设置APP的工作方式； (3) 接入相应的传感器，传感器将会自动向系统推送传感器信息，系统接受到传感器信 息后，系统会自动计算接入传感器的类型为数字式或模拟式，以及传感器的数量； (4) 系统识别接入的传感器后，系统会自动启动相应的硬件驱动，并发送对应的指令到 传感器； (5) 当传感器收到指令后，传感器会采集数据并上报到系统，系统收到传感器对应的数 据后会自动解析数据； (6) 数据解析完成后，系统结合GPS和/或北斗模块定位数据实时显示； (7) 数据显示完成后可以对检测的数据进行存储或传输操作。7. 如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述Android操作系统的内核中集成了 232、12(：、3?1、？丽^0(：、6?10、1^8摄像头接口驱动，且在411办〇丨(1操作系统中编写骱1^硬件库 和对应的JNI接口，支持Android应用层直接调用各接口，数据直接在SQLite下存储，并通过 TCP/IP协议传输到后台数据库。8. 如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，步骤(3)中所述相应的传感器是指利用 AD和/或232和/或485和/或USB传感器接口，分别或同时接入各种模拟/数字式、电流/电压 型传感器以及视频/图像摄像头。9. 如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，步骤(4)中所述硬件驱动为AD驱动和/或 232驱动和/或摄像头驱动。10. 如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述数据存储或传输具有便携式的实 时存储传输或无人值守定时存储传输两种工作模式； 所述定时存储传输的方式包括3G和/或WiFi定时传输到远程数据库或定时存储在本地 SQLite数据库，或SMS/MMS发送;且所述本地SQLite数据库的数据可以由WiFi、BT、SD卡、 USB、3G五种方式导出。
【文档编号】H04N7/18GK105933543SQ201610499919
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】江朝晖, 李想, 马友华, 许正荣, 饶元
【申请人】安徽农业大学