蜜蜂養(yǎng)殖技術(shù)是一種古老的技術(shù)，目前的情況是，如果要查看蜜蜂，就必須打開蜂箱蓋，用手提起蜂框，用肉眼直接觀察。這在正常情況下是沒什么問題，但如果是在寒冷的天氣或者蜂箱處于運(yùn)輸過程中，以上的做法可能會(huì)對(duì)蜜蜂帶來不良甚至是致命的影響。
    針對(duì)這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種專門用于監(jiān)督蜂箱內(nèi)蜜蜂活動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。使用該系統(tǒng)時(shí)，蜂農(nóng)無需打開蜂箱蓋，只需在蜂箱的四壁上挖出一個(gè)小孔，并用玻璃片遮擋，借助系統(tǒng)本身發(fā)出的紅外光，通過小孔將里面的情況拍攝成圖片。通過這些圖片，蜂農(nóng)可以做到在任何情況下都能查看蜜蜂在蜂箱內(nèi)的活動(dòng)。此外，該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)箱內(nèi)溫度過高或過低時(shí)的報(bào)警功能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 系統(tǒng)組成
    蜜蜂蜂箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由CMOS圖像感應(yīng)模塊、GPRS發(fā)射模塊、報(bào)警系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)等部分組成[2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)主芯片采用臺(tái)灣聯(lián)詠科技的NT96211，該芯片內(nèi)部具有圖像處理引擎，同時(shí)又兼容ARM9，且具有控制功能，非常適合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。GPRS模塊采用M10無線模塊，用來將拍攝的蜜蜂圖片以MMS形式發(fā)送至用戶手機(jī)上，以方便用戶遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)。
1.2 系統(tǒng)工作原理
    該系統(tǒng)通過內(nèi)部的圖像和溫度傳感器，將蜂箱內(nèi)的蜜蜂生活及箱內(nèi)溫度情況反饋給用戶。系統(tǒng)大致工作流程如下[3]：系統(tǒng)工作時(shí)，以溫度傳感器為基礎(chǔ)的溫度傳感電路，采集蜜蜂蜂箱內(nèi)的溫度信息，轉(zhuǎn)換成模擬的電信號(hào)傳輸給微處理器，經(jīng)過處理器中的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。在溫度值低于某一特定值時(shí)，微處理器根據(jù)用戶設(shè)置來確定是否要啟動(dòng)報(bào)警，并將溫度值保存于存儲(chǔ)器中。與此同時(shí)，系統(tǒng)開啟紅外燈，CMOS圖像傳感器開始采集蜂箱內(nèi)的圖像信息，并將其傳送到微處理器，通過處理器內(nèi)部的圖像處理引擎等相關(guān)部分進(jìn)行處理。處理后的圖像信息保存于SD卡內(nèi)。之后，系統(tǒng)根據(jù)用戶的設(shè)置，自動(dòng)確定是否要將圖片通過GPRS無線發(fā)射模塊發(fā)送至用戶的接收端。如果用戶設(shè)定為發(fā)射模式，系統(tǒng)就會(huì)將之前保存的溫度和圖片信息以MMS形式發(fā)送給用戶，發(fā)送后，溫度和圖片信息在SD卡內(nèi)留有備份，以備用戶查詢。如果用戶設(shè)定為非發(fā)射模式，則拍攝的圖片信息可以直接在系統(tǒng)的LCD屏顯示，采集的溫度和圖片信息只會(huì)保存在SD卡內(nèi)，不會(huì)通過GPRS發(fā)送信息。該模式下，同時(shí)也默認(rèn)開啟了報(bào)警的功能。
    需要強(qiáng)調(diào)的是，在發(fā)射模式下，系統(tǒng)對(duì)溫度和圖片的采集是通過內(nèi)部時(shí)鐘觸發(fā)自動(dòng)開始的，用戶只需設(shè)定觸發(fā)周期。這種模式適用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)的情況。而在非發(fā)射模式下，信息的采集是通過系統(tǒng)的控制鍵盤手動(dòng)控制的，此時(shí)系統(tǒng)不會(huì)開啟GPRS模塊，同時(shí)開啟報(bào)警功能。這種模式適用于直接接觸時(shí)使用，可以為用戶節(jié)省無線通信費(fèi)用。
    考慮到該系統(tǒng)用于蜜蜂養(yǎng)殖業(yè)上，用戶為廣大的蜂農(nóng)，從用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力和資源的最優(yōu)化利用角度出發(fā)，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)留有TV接口，用戶使用更方便，更便于該系統(tǒng)的推廣。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 平臺(tái)的選擇
    系統(tǒng)所使用的操作系統(tǒng)為聯(lián)詠科技為NT系列微處理器產(chǎn)品所推出的、符合μITRON 2.0規(guī)范的NDK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，即μITRON嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
    μITRON操作系統(tǒng)與其他操作系統(tǒng)相比較，除具有一般嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可裁剪性外，還具有弱標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)[4，5]，即TRON操作系統(tǒng)沒有嚴(yán)格規(guī)定軟件開發(fā)環(huán)境，可以使用多種編譯環(huán)境。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用Source insight編譯器。
    本系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用NT96211微處理器，其兼容ARM9、支持各種硬件接口，包含串口、USB、GPIO、TV、LCD、SD卡接口等。操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    μITRON操作系統(tǒng)內(nèi)部框架可分為庫層、應(yīng)用層和項(xiàng)目層三個(gè)層次。
    (1)庫層。包括驅(qū)動(dòng)程序(Driver)、內(nèi)核(μITRON v2 Kernel)和子系統(tǒng)(Lib(subsystem)、LibExt(subsystem))三個(gè)部分，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)模塊（Drive）是控制系統(tǒng)最底層硬件的軟件部分，該部分包含各種外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)代碼。內(nèi)核模塊(?滋ITRON v2 Kernel)是庫層的獨(dú)自軟件模塊，其作用與其他操作系統(tǒng)內(nèi)核一樣，是整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心部分。該系統(tǒng)的內(nèi)核符合?滋ITRON內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)。子系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)模塊區(qū)別不是很明顯，嚴(yán)格地講是上層驅(qū)動(dòng)的一種，它與底層驅(qū)動(dòng)的主要區(qū)別在于子系統(tǒng)一般會(huì)包含控制流，而底層驅(qū)動(dòng)本身不具備此功能。子系統(tǒng)又可分為兩部分：操作系統(tǒng)本身所帶的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)和庫等級(jí)代碼Lib(subsystem)和用戶自己編寫的外圍驅(qū)動(dòng)和庫等級(jí)代碼LibExt(subsystem)。
    (2)應(yīng)用層。為用戶編寫的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序用于特定的操作。簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序包含單任務(wù)就能完成操作，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用程序則需要多個(gè)任務(wù)協(xié)助才能完成操作。與子系統(tǒng)一樣，應(yīng)用層也可分為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序和用戶添加的應(yīng)用程序兩個(gè)部分，分類也類似。
    (3)項(xiàng)目層。是操作系統(tǒng)中最靈活的部分，它可以根據(jù)硬件平臺(tái)對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行配置。系統(tǒng)的配置文件、初始化和UI文件均在這一層?；旧?，應(yīng)用層和庫層模塊都可以看作是項(xiàng)目層代碼，原因在于這些層中的函數(shù)，都與項(xiàng)目相關(guān)且都需要被定制。
    在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，底層的硬件驅(qū)動(dòng)程序主要存在驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)，應(yīng)用程序以及圖像處理程序主要存放在應(yīng)用模塊中。項(xiàng)目層主要存放一些上層文件，如配置文件、初始化程序以及一些圖像界面文件等。
2.2 功能模塊設(shè)計(jì)
    該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由圖像感應(yīng)模塊、GPRS無線發(fā)射模塊、溫度采集模塊、太陽能充電模塊等部分組成。
    (1)圖像感應(yīng)模塊
    與CCD圖像感應(yīng)器相比較，CMOS圖像感應(yīng)器具有體積小、成本低、耗電小且圖像質(zhì)量符合本設(shè)計(jì)的要求的特點(diǎn)[6]。所以選用型號(hào)為MI51120的CMOS圖像感應(yīng)器用于感應(yīng)蜂箱內(nèi)的紅外圖像。采集的圖像信息經(jīng)過濾光透鏡被CMOS圖像傳感器接收，傳感器再把圖像信息通過總線傳遞給MCU進(jìn)行處理。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

    (2)GPRS無線發(fā)射模塊 
    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，因只使用GPRS模塊的MMS發(fā)射功能，因此選用功能有限，但性能穩(wěn)定、價(jià)格實(shí)惠的M10模塊。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示[7]。

    需要注意的是：為了電路工作的穩(wěn)定性，需根據(jù)實(shí)際情況添加一些上拉電阻和匹配電阻。
    GPRS模塊通過串行總線與CPU進(jìn)行通信?？赏ㄟ^運(yùn)行相關(guān)的AT命令從存儲(chǔ)器中提取和發(fā)送圖片信息。為了節(jié)省功耗，可通過MCU的I/O端口控制GPRS 模塊的PWRKEY的高低電平，使GPRS模塊只有在發(fā)送彩信的時(shí)候啟動(dòng)，平時(shí)模塊不啟動(dòng)。
    (3)溫度采集模塊
    溫度采集模塊采用AD590溫度傳感器，溫度采集電路如圖5所示。其中，AD581為高精度集成穩(wěn)壓器，LF355為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入的運(yùn)放。假設(shè)AD581輸出端電壓為U，AD590輸出端電流為I，反饋支路上的電流為If，則根據(jù)“虛短”原理可知：

      圖5中電位器R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R4用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0 ℃時(shí)調(diào)整R2，使輸出Vo=0，然后在100 ℃時(shí)調(diào)整R4，使Vo=100 mV，最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25 ℃，則Vo應(yīng)為25 mV。

    采集的溫度信息用電壓信息來表征，通過GPIO口傳輸給處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再傳遞給處理器進(jìn)行處理。處理器根據(jù)這些信息判斷箱內(nèi)溫度是否過低（溫度低于17 ℃）或過高（溫度高于37 ℃），并根據(jù)用戶設(shè)置決定是否要啟動(dòng)報(bào)警功能。
    (4)太陽能充電模塊
    為了避免經(jīng)常更換電池所帶來的麻煩，系統(tǒng)采用太陽能充電方式供電。設(shè)計(jì)的太陽能充電模塊采用CN3083芯片對(duì)充電過程進(jìn)行管理。其模塊硬件電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

    在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了使太陽能充電速度能滿足需要，選擇輸出電壓為18 V的太陽能電池板。而CN3083的輸入電壓最大只有6.0 V，不能直接與太陽能電池板連接。為此輸入端電壓必須經(jīng)過降壓(可用DC/DC電路進(jìn)行處理)。在設(shè)計(jì)中選擇RT34063芯片進(jìn)行降壓，通過降壓芯片將CN3083的輸入電壓控制在5.7 V左右，這樣就能使充電芯片正常地工作。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要長期置于黑暗的蜂箱內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此要想實(shí)用化就必須考慮功耗的問題。所以系統(tǒng)采用紅外燈照射代替通常的閃光燈照射。拍出的圖片如圖7所示，比較清晰地反映了箱內(nèi)蜜蜂的活動(dòng)，說明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能滿足人們的需要。

    目前在世界范圍內(nèi)，在蜜蜂養(yǎng)殖業(yè)上如何監(jiān)測(cè)蜜蜂在蜂箱內(nèi)的活動(dòng)還是一個(gè)技術(shù)空白領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)的目的在于為廣大用戶尋求一種能隨時(shí)隨地地監(jiān)測(cè)蜜蜂的技術(shù)手段，通過對(duì)圖片和溫度信息的采集，向用戶有效地反映蜂箱內(nèi)情況。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)使用了國內(nèi)比較少用的?滋ITRON操作系統(tǒng)，充分利用該操作系統(tǒng)本身的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可行性、穩(wěn)定性和便捷性。同時(shí)圖片顯示方式的多樣性和操作的可選擇性，更能適應(yīng)實(shí)際的需要。
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