蜜蜂蜂箱监测系统设计与实现

　　蜜蜂养殖技术是一种古老的技术，目前的情况是，如果要查看蜜蜂，就必须打开蜂箱盖，用手提起蜂框，用肉眼直接观察。这在正常情况下是没什么问题，但如果是在寒冷的天气或者蜂箱处于运输过程中，以上的做法可能会对蜜蜂带来不良甚至是致命的影响。

　　针对这一问题，本文设计了一种专门用于监督蜂箱内蜜蜂活动的监测系统[1].使用该系统时，蜂农无需打开蜂箱盖，只需在蜂箱的四壁上挖出一个小孔，并用玻璃片遮挡，借助系统本身发出的红外光，通过小孔将里面的情况拍摄成图片。通过这些图片，蜂农可以做到在任何情况下都能查看蜜蜂在蜂箱内的活动。此外，该系统还设计箱内温度过高或过低时的报警功能。

　　1 系统结构及工作原理

　　1.1 系统组成

　　蜜蜂蜂箱监测系统由CMOS图像感应模块、GPRS发射模块、报警系统、温度采集系统等部分组成[2].系统结构如图1所示。

　　系统主芯片采用台湾联咏科技的NT96211，该芯片内部具有图像处理引擎，同时又兼容ARM9，且具有控制功能，非常适合系统设计的要求。GPRS模块采用M10无线模块，用来将拍摄的蜜蜂图片以MMS形式发送至用户手机上，以方便用户远端监测。

　　1.2 系统工作原理

　　该系统通过内部的图像和温度传感器，将蜂箱内的蜜蜂生活及箱内温度情况反馈给用户。系统大致工作流程如下[3]：系统工作时，以温度传感器为基础的温度传感电路，采集蜜蜂蜂箱内的温度信息，转换成模拟的电信号传输给微处理器，经过处理器中的模-数转换器转换为数字信息。在温度值低于某一特定值时，微处理器根据用户设置来确定是否要启动报警，并将温度值保存于存储器中。与此同时，系统开启红外灯，CMOS图像传感器开始采集蜂箱内的图像信息，并将其传送到微处理器，通过处理器内部的图像处理引擎等相关部分进行处理。处理后的图像信息保存于SD卡内。之后，系统根据用户的设置，自动确定是否要将图片通过GPRS无线发射模块发送至用户的接收端。如果用户设定为发射模式，系统就会将之前保存的温度和图片信息以MMS形式发送给用户，发送后，温度和图片信息在SD卡内留有备份，以备用户查询。如果用户设定为非发射模式，则拍摄的图片信息可以直接在系统的LCD屏显示，采集的温度和图片信息只会保存在SD卡内，不会通过GPRS发送信息。该模式下，同时也默认开启了报警的功能。

　　需要强调的是，在发射模式下，系统对温度和图片的采集是通过内部时钟触发自动开始的，用户只需设定触发周期。这种模式适用于远距离监测的情况。而在非发射模式下，信息的采集是通过系统的控制键盘手动控制的，此时系统不会开启GPRS模块，同时开启报警功能。这种模式适用于直接接触时使用，可以为用户节省无线通信费用。

　　考虑到该系统用于蜜蜂养殖业上，用户为广大的蜂农，从用户的经济承受能力和资源的最优化利用角度出发，系统在设计时留有TV接口，用户使用更方便，更便于该系统的推广。

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　　2 系统设计

　　2.1 平台的选择

　　系统所使用的操作系统为联詠科技为NT系列微处理器产品所推出的、符合μITRON 2.0规范的NDK实时操作系统，即μITRON嵌入式实时操作系统。

　　μITRON操作系统与其他操作系统相比较，除具有一般嵌入式操作系统的实时性和可裁剪性外，还具有弱标准化的特点[4，5]，即TRON操作系统没有严格规定软件开发环境，可以使用多种编译环境。在本系统设计时，采用Source insight编译器。

　　本系统硬件平台采用NT96211微处理器，其兼容ARM9、支持各种硬件接口，包含串口、USB、GPIO、TV、LCD、SD卡接口等。操作平台结构如图2所示。

　　μITRON操作系统内部框架可分为库层、应用层和项目层三个层次。

　　（1）库层。包括驱动程序（Driver）、内核（μITRON v2 Kernel）和子系统（Lib（subsystem）、LibExt（subsystem））三个部分，如图2所示。驱动模块（Drive）是控制系统最底层硬件的软件部分，该部分包含各种外围设备的驱动代码。内核模块（？滋ITRON v2 Kernel）是库层的独自软件模块，其作用与其他操作系统内核一样，是整个实时系统的核心部分。该系统的内核符合？滋ITRON内核标准。子系统与驱动模块区别不是很明显，严格地讲是上层驱动的一种，它与底层驱动的主要区别在于子系统一般会包含控制流，而底层驱动本身不具备此功能。子系统又可分为两部分：操作系统本身所带的标准驱动和库等级代码Lib（subsystem）和用户自己编写的外围驱动和库等级代码LibExt（subsystem）。

　　（2）应用层。为用户编写的应用程序，这些应用程序用于特定的操作。简单的应用程序包含单任务就能完成操作，对于复杂的应用程序则需要多个任务协助才能完成操作。与子系统一样，应用层也可分为标准应用程序和用户添加的应用程序两个部分，分类也类似。

　　（3）项目层。是操作系统中最灵活的部分，它可以根据硬件平台对操作系统进行配置。系统的配置文件、初始化和UI文件均在这一层。基本上，应用层和库层模块都可以看作是项目层代码，原因在于这些层中的函数，都与项目相关且都需要被定制。

　　在本系统设计时，底层的硬件驱动程序主要存在驱动模块内，应用程序以及图像处理程序主要存放在应用模块中。项目层主要存放一些上层文件，如配置文件、初始化程序以及一些图像界面文件等。

　　2.2 功能模块设计

　　该监测系统主要由图像感应模块、GPRS无线发射模块、温度采集模块、太阳能充电模块等部分组成。

　　（1）图像感应模块

　　与CCD图像感应器相比较，CMOS图像感应器具有体积小、成本低、耗电小且图像质量符合本设计的要求的特点[6].所以选用型号为MI51120的CMOS图像感应器用于感应蜂箱内的红外图像。采集的图像信息经过滤光透镜被CMOS图像传感器接收，传感器再把图像信息通过总线传递给MCU进行处理。电路设计如图3所示。

　　（2）GPRS无线发射模块

　　在系统设计时，因只使用GPRS模块的MMS发射功能，因此选用功能有限，但性能稳定、价格实惠的M10模块。其硬件电路设计如图4所示[7].

　　需要注意的是：为了电路工作的稳定性，需根据实际情况添加一些上拉电阻和匹配电阻。

　　GPRS模块通过串行总线与CPU进行通信。可通过运行相关的AT命令从存储器中提取和发送图片信息。为了节省功耗，可通过MCU的I/O端口控制GPRS 模块的PWRKEY的高低电平，使GPRS模块只有在发送彩信的时候启动，平时模块不启动。

　　（3）温度采集模块

　　温度采集模块采用AD590温度传感器，温度采集电路如图5所示。其中，AD581为高精度集成稳压器，LF355为结型场效应管输入的运放。假设AD581输出端电压为U，AD590输出端电流为I，反馈支路上的电流为If，则根据“虚短”原理可知：

　　图5中电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0 ℃时调整R2，使输出Vo=0，然后在100 ℃时调整R4，使Vo=100 mV，最后在室温下进行校验。例如，若室温为25 ℃，则Vo应为25 mV.

　　采集的温度信息用电压信息来表征，通过GPIO口传输给处理器内部的A/D转换器，转换器将模拟信号转换为数字信号，再传递给处理器进行处理。处理器根据这些信息判断箱内温度是否过低（温度低于17 ℃）或过高（温度高于37 ℃），并根据用户设置决定是否要启动报警功能。

　　（4）太阳能充电模块

　　为了避免经常更换电池所带来的麻烦，系统采用太阳能充电方式供电。设计的太阳能充电模块采用CN3083芯片对充电过程进行管理。其模块硬件电路设计如图6所示。

　　在本系统设计时，为了使太阳能充电速度能满足需要，选择输出电压为18 V的太阳能电池板。而CN3083的输入电压最大只有6.0 V，不能直接与太阳能电池板连接。为此输入端电压必须经过降压（可用DC/DC电路进行处理）。在设计中选择RT34063芯片进行降压，通过降压芯片将CN3083的输入电压控制在5.7 V左右，这样就能使充电芯片正常地工作。

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　　3 系统实现

　　由于监测系统要长期置于黑暗的蜂箱内部进行监测，因此要想实用化就必须考虑功耗的问题。所以系统采用红外灯照射代替通常的闪光灯照射。拍出的图片如图7所示，比较清晰地反映了箱内蜜蜂的活动，说明该系统的设计能满足人们的需要。

　　目前在世界范围内，在蜜蜂养殖业上如何监测蜜蜂在蜂箱内的活动还是一个技术空白领域。本设计的目的在于为广大用户寻求一种能随时随地地监测蜜蜂的技术手段，通过对图片和温度信息的采集，向用户有效地反映蜂箱内情况。系统在设计时使用了国内比较少用的？滋ITRON操作系统，充分利用该操作系统本身的优势。经试验表明，该系统具有较强的可行性、稳定性和便捷性。同时图片显示方式的多样性和操作的可选择性，更能适应实际的需要。

　　参考文献

　　[1] 黄泽兵，赵群飞，张浩。一种新型数码相机自拍系统的设计[J].机电一体化，2006，12（1）：53-55.

　　[2] 王博，王毅。eBoat 200数码相机的设计与开发[J].计算机工程与应用，2002，38（22）：249-250.

　　[3] 于庆军，胡泓，刘建伟。基于ARM和数码相机的交通违法抓拍系统设计与实现[J].现代电子技术，2007，30（6）：76-77.

　　[4] 许甲同。操作系统教程[M].西安：电子科技大学出版社，1994.

　　[5] 凌明，浦汉来，张宇。基于滋ITRON操作系统的嵌入式GUI设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（2）：83-85.

　　[6] DIRIK A E，SENCAR H T，MEMON N.Digital single lens  reflex camera identification from traces of sensor dust[J].  IEEE Transactions on Information Forensics and Security，2008，3（3）：539-552.

　　[7] 陈以华。基于GPRS通信的配变自动化系统设计[J].煤矿机械，2008，29（9）：36-37.