近年來，隨著計算機圖像處理技術、人工智能方法、圖像模式識別和多光譜識別等高新技術的發展，計算機圖像處理技術也日臻成熟，已經廣泛深入農業領域，其主要應用集中于農作物種子資源檢測、農產品分級、農業機器視覺、農產品長勢檢測、精細灌溉、農業環境監測儀等。作為圖像處理的前端，圖像采集是一個重要的環節，它將對象的可視化圖像和特征轉化為能被計算機處理的數據。所以，圖像采集系統的穩定性對圖像處理的效果具有直接的影響。目前，圖像采集有很多方法，最常用的圖像采集方法是圖像采集卡形式。圖像采集卡工作過程是通過視頻接口從視頻源獲取視頻信號，然后視頻信號進行模數轉換，并利用解碼器進行解碼，從而可處理視頻數據。

      本文研究并實現農業環境監測儀的一種嵌入式數字圖像采集系統，該系統基于ARMS3C2440－Linux2．6．30．4平臺，采用的USB2．0數字攝像頭來獲取圖像，視頻編程采用V4L2API，通過移植USB gadget下USB device模塊在flash存儲器上開辟空間作為上位機和PC、下位機和其它處理終端的共享空間，在此空間中共享圖像數據。這樣上位機可以通過訪問這塊空間實現圖像的采集，為下一步圖像處理提供穩定且高質量的圖像來源。

　　本農業環境監測儀系統處理器采用s3c2440，該芯片是三星公司推出的16/32RISC處理器，采用ARM920T內核，整體設計融合了MMU，AMBABUS和Harvard結構，具有獨立的16kB指令Cache和16kB數據Cache。Linux內核采用Linux2．6．30．4。圖像采集設備采用中星微ZC301數字攝像頭，該攝像頭為USB接口。該終端的系統結構圖如圖1所示。

　　農業環境監測儀中ARM－Linux平臺搭建：Linux內核移植及配置Linux內核是Linux操作系統的核心。它主要包括以下幾個部分：存儲管理、CPU和進程管理、文件系統、設備管理和驅動、網絡通信以及系統的初始化(引導)和系統調用等。

　　本系統的軟件部分包括系統初始化引導程序boot loader、Linux2．6．30．4操作系統內核、yaffs文件系統、USB攝像頭驅動、Frame buffer設備驅動、V4L2API和USB device驅動等。Linux內核實現了系統內存管理、軟件程序管理、硬件管理和文件系統管理等功能。隨著內核的不斷發展，內核的功能逐漸增強，但目錄變動不大。本文要想實現圖像的多路采集，首先需要移植內核Linux2．6．30．4，主要步驟如下：因為需要用到yaffs2文件系統，首先要為內核增加yaffs2補丁；修改機器碼，使之與boot loader的機器碼一致；指定目標板、編譯器和編譯器路徑；增加devfs文件系統管理器的支持；修改晶振頻率；修改mtd分區；修改NandFlash驅動，支持K9F1G08的Nand Flash；把s3c2440的默認配置寫入con fig文件；配置內核。

　　配置CPU選項：

　　增加對ZC301USB攝像頭的支持：

　　當然也要選擇上Support for Host－side USB，USB device file system，USB device class－devices，OHCIHCD support等選項來支持USBhost接口。最后make zIm-age，生成內核映像。

　　交叉編譯工具安裝在Linux系統中，工具鏈是生成內核映像必需的程序段，工具鏈的工作過程是從一個工具的輸出再到下一個工具的輸入。Linux工具鏈包括3部分：Com-piler，Assembler，Linker。GCC是Linux下C/C++語言的編譯器。本系統采用虛擬機中安裝RedHat9的方式作為交叉編譯器3．4．1的編譯環境，將編譯器的壓縮包cross－3．4．1．tar．bz2拷到Linux某目錄下，進入該目錄解壓，修改/etc/bashrc文件，將解壓的3.4．1/bin目錄添加到命名的默認路徑。農業環境監測儀的模塊的編譯和加載使用命令make modulesM=．/drivers/usb/gadget編譯生成s3c2410_udc．ko和file_storage．ko；然后將其下載到目標機中Linux2．6．30．4/lib/modules/2．6．30．4目錄下，使用insmods3c2410_udc．ko和insmodg_file_storage．kofile=floppy．Img removable分別加載；等待模塊加載完后，重新插拔USBdevice接口，PC端出現可移動存儲設備，至此Nand Flash模擬U盤成功；然后進行格式化，格式為FAT文件系統。

　　農業環境監測儀的V4L2圖像采集部分：V4L2重要接口函數和數據結構Video for Linux(簡稱V4L)，是Linux中支持影像設備的一組API，它配合適當的視頻采集設備和相應的驅動程序，可以實現圖像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC和頻道切換等功能。現在已有的版本為Video4Linux2(簡稱為V4L2)，是從V4L的基礎上發展起來的，從2．5．x版本后開始加入Linux內核。

　　所謂的V4L2有兩層含義：應用程序可以按照此框架訪問視頻設備、獲取圖像信息；在Linux中，視頻設備是設備文件，可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫，攝像頭在/dev/video0下。主要的函數有open()，close()，ioctl()，mmap()，write()，read()等。主要涉及的數據結構有：structv4l2_buffer，structv4l2_re-quest_buffers，structv4l2_capability，structv4l2_crop-cap，structv4l2_crop，structv4l2_format等。

　　農業環境監測儀用戶空間視頻采集過程首先在進行makemenuconfig操作時，將mul time-dia device菜單中的Video for Linux選項選上，這樣內核就配置了為農業環境監測儀獲取視頻的設備提供接口的Video4Linux。V4L2下用戶空間應用程序的流程如下：首先用open系統調用打開視頻設備，通過io ctl讀取設備信息并初始化設備；更改設備當前設置。視頻采集可采用兩種方法：內存映射或直接從設備讀取；對采集的視頻進行處理；關閉視頻設備。在視頻數據的傳輸中一般不使用read()，write()系統調用來直接運行，大多數情況下使用內存映射的流傳輸方式，流傳輸方式不要實際數據的拷貝，驅動和應用程序之間只需要交換被映射內存的指針就可以了。

　　其流程圖如2所示。

　　此時的用戶程序需要包含頭文件＜Linux/video-dev2．h＞，使用arm－linux－gcc編譯，并下載到目標板運行。

　　農業環境監測儀的多路協調本文以兩路視頻為例。進程是運行著一個或多個線程線程的地址空間和這些線程所需要的系統資源。它是Linux運行的基本單元，所有的進程都擁有自己獨立的處理環境和系統資源。進程的環境由當前系統狀態及其父進程信息決定并組成。對于單CPU系統來說，雖然Linux操作系統是一個多用戶多任務的操作系統，但在某一時刻，只能有一個進程處于運行狀態，各任務根據調度算法在這些狀態之間不停地切換。在Linux2．6內核中，用戶級進程擁有以下幾種狀態：就緒/運行態、等待狀態(可以被中斷)、等待狀態(不可以被中斷)、停止狀態和僵死狀態。每個進程都受調度策略和優先級的控制。這些參數可以通過應用程序顯示執行sched_setscheduler()和sched_setparam()函數來指定。

　　用戶進程狀態轉換如圖3所示。

　　實驗結果采集流程：配置USB攝像頭，連續抓取10幅圖片，分別取第1和第10幅圖像進行分析對比試驗。效果如圖4所示。

　　由圖4可見，圖像在灰度為200處右移，實際表現為亮度變大，圖像質量越來越清晰，說明開始階段圖像采集設備前期具有短暫的調節過程，調節后的圖形質量明顯提高。

　　VC++界面設計Windows下，與USB外設的任何通信需通過設備驅動，該驅動知道如何與系統的USB驅動和訪問設備的應用程序通信。Windows包含應用程序與USB通信需要的各種信息，不需要再安裝驅動；Win32的應用程序接口(API)函數，使得設備驅動能與應用程序之間相互通信，開發應用程序也不需要去了解復雜的USB協議。主要步驟有：建立MFC AppWizard(exe)工程；打開設備并返回設備句柄；獲取設備信息；識別接口信息；識別設備路徑名；設置設備等。與設備進行數據交換，首先把設備打開，windows下每個設備被當成一個文件夾來訪問，每個文件都有一個文件名。文件打開后就可以使用Read File和Write File來讀寫文件了。

　　本系統采用Nand Flash模擬PC和下位機之間的交互區域，實現了圖像的存儲和訪問。其具有如下優點：結構層次清晰；圖像傳輸可連續；圖像采集可控性強；圖像質量高。但是，由于FAT不是為Flash設計，因此需要透過FTL來訪問Nand Flash。此外，PC和下位機的同步問題也需要進一步的研究和改善。

　　圖像處理和識別作為一種更加直觀的途徑正越來越多的應用在農業環境監測儀的農業領域里。本文設計了一種基于嵌入式Linux圖像采集系統，重點研究了Nand Flash模擬USB device實現圖像存儲的過程。實驗證明，本系統提供的高質量且穩定的圖像來源能夠應用于農業環境中。