蜜蜂養殖技術是一種古老的技術，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輸過程中，以上的做法可能會對蜜蜂帶來不良甚至是致命的影響。
    針對這一問題，本文設計了一種專門用于監督蜂箱內蜜蜂活動的監測系統[1]。使用該系統時，蜂農無需打開蜂箱蓋，只需在蜂箱的四壁上挖出一個小孔，并用玻璃片遮擋，借助系統本身發出的紅外光，通過小孔將里面的情況拍攝成圖片。通過這些圖片，蜂農可以做到在任何情況下都能查看蜜蜂在蜂箱內的活動。此外，該系統還設計箱內溫度過高或過低時的報警功能。
1 系統結構及工作原理
1.1 系統組成
    蜜蜂蜂箱監測系統由CMOS圖像感應模塊、GPRS發射模塊、報警系統、溫度采集系統等部分組成[2]。系統結構如圖1所示。

    系統主芯片采用臺灣聯詠科技的NT96211，該芯片內部具有圖像處理引擎，同時又兼容ARM9，且具有控制功能，非常適合系統設計的要求。GPRS模塊采用M10無線模塊，用來將拍攝的蜜蜂圖片以MMS形式發送至用戶手機上，以方便用戶遠端監測。
1.2 系統工作原理
    該系統通過內部的圖像和溫度傳感器，將蜂箱內的蜜蜂生活及箱內溫度情況反饋給用戶。系統大致工作流程如下[3]：系統工作時，以溫度傳感器為基礎的溫度傳感電路，采集蜜蜂蜂箱內的溫度信息，轉換成模擬的電信號傳輸給微處理器，經過處理器中的模-數轉換器轉換為數字信息。在溫度值低于某一特定值時，微處理器根據用戶設置來確定是否要啟動報警，并將溫度值保存于存儲器中。與此同時，系統開啟紅外燈，CMOS圖像傳感器開始采集蜂箱內的圖像信息，并將其傳送到微處理器，通過處理器內部的圖像處理引擎等相關部分進行處理。處理后的圖像信息保存于SD卡內。之后，系統根據用戶的設置，自動確定是否要將圖片通過GPRS無線發射模塊發送至用戶的接收端。如果用戶設定為發射模式，系統就會將之前保存的溫度和圖片信息以MMS形式發送給用戶，發送后，溫度和圖片信息在SD卡內留有備份，以備用戶查詢。如果用戶設定為非發射模式，則拍攝的圖片信息可以直接在系統的LCD屏顯示，采集的溫度和圖片信息只會保存在SD卡內，不會通過GPRS發送信息。該模式下，同時也默認開啟了報警的功能。
    需要強調的是，在發射模式下，系統對溫度和圖片的采集是通過內部時鐘觸發自動開始的，用戶只需設定觸發周期。這種模式適用于遠距離監測的情況。而在非發射模式下，信息的采集是通過系統的控制鍵盤手動控制的，此時系統不會開啟GPRS模塊，同時開啟報警功能。這種模式適用于直接接觸時使用，可以為用戶節省無線通信費用。
    考慮到該系統用于蜜蜂養殖業上，用戶為廣大的蜂農，從用戶的經濟承受能力和資源的最優化利用角度出發，系統在設計時留有TV接口，用戶使用更方便，更便于該系統的推廣。
2 系統設計
2.1 平臺的選擇
    系統所使用的操作系統為聯詠科技為NT系列微處理器產品所推出的、符合μITRON 2.0規范的NDK實時操作系統，即μITRON嵌入式實時操作系統。
    μITRON操作系統與其他操作系統相比較，除具有一般嵌入式操作系統的實時性和可裁剪性外，還具有弱標準化的特點[4，5]，即TRON操作系統沒有嚴格規定軟件開發環境，可以使用多種編譯環境。在本系統設計時，采用Source insight編譯器。
    本系統硬件平臺采用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。操作平臺結構如圖2所示。

    μITRON操作系統內部框架可分為庫層、應用層和項目層三個層次。
    (1)庫層。包括驅動程序(Driver)、內核(μITRON v2 Kernel)和子系統(Lib(subsystem)、LibExt(subsystem))三個部分，如圖2所示。驅動模塊（Drive）是控制系統最底層硬件的軟件部分，該部分包含各種外圍設備的驅動代碼。內核模塊(?滋ITRON v2 Kernel)是庫層的獨自軟件模塊，其作用與其他操作系統內核一樣，是整個實時系統的核心部分。該系統的內核符合?滋ITRON內核標準。子系統與驅動模塊區別不是很明顯，嚴格地講是上層驅動的一種，它與底層驅動的主要區別在于子系統一般會包含控制流，而底層驅動本身不具備此功能。子系統又可分為兩部分：操作系統本身所帶的標準驅動和庫等級代碼Lib(subsystem)和用戶自己編寫的外圍驅動和庫等級代碼LibExt(subsystem)。
    (2)應用層。為用戶編寫的應用程序，這些應用程序用于特定的操作。簡單的應用程序包含單任務就能完成操作，對于復雜的應用程序則需要多個任務協助才能完成操作。與子系統一樣，應用層也可分為標準應用程序和用戶添加的應用程序兩個部分，分類也類似。
    (3)項目層。是操作系統中最靈活的部分，它可以根據硬件平臺對操作系統進行配置。系統的配置文件、初始化和UI文件均在這一層。基本上，應用層和庫層模塊都可以看作是項目層代碼，原因在于這些層中的函數，都與項目相關且都需要被定制。
    在本系統設計時，底層的硬件驅動程序主要存在驅動模塊內，應用程序以及圖像處理程序主要存放在應用模塊中。項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 功能模塊設計
    該監測系統主要由圖像感應模塊、GPRS無線發射模塊、溫度采集模塊、太陽能充電模塊等部分組成。
    (1)圖像感應模塊
    與CCD圖像感應器相比較，CMOS圖像感應器具有體積小、成本低、耗電小且圖像質量符合本設計的要求的特點[6]。所以選用型號為MI51120的CMOS圖像感應器用于感應蜂箱內的紅外圖像。采集的圖像信息經過濾光透鏡被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進行處理。電路設計如圖3所示。

    (2)GPRS無線發射模塊 
    在系統設計時，因只使用GPRS模塊的MMS發射功能，因此選用功能有限，但性能穩定、價格實惠的M10模塊。其硬件電路設計如圖4所示[7]。

    需要注意的是：為了電路工作的穩定性，需根據實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進行通信。可通過運行相關的AT命令從存儲器中提取和發送圖片信息。為了節省功耗，可通過MCU的I/O端口控制GPRS 模塊的PWRKEY的高低電平，使GPRS模塊只有在發送彩信的時候啟動，平時模塊不啟動。
    (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為高精度集成穩壓器，LF355為結型場效應管輸入的運放。假設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“虛短”原理可知：

      圖5中電位器R2用于調整零點，R4用于調整運放LF355的增益。調整方法如下：在0 ℃時調整R2，使輸出Vo=0，然后在100 ℃時調整R4，使Vo=100 mV，最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25 ℃，則Vo應為25 mV。

    采集的溫度信息用電壓信息來表征，通過GPIO口傳輸給處理器內部的A/D轉換器，轉換器將模擬信號轉換為數字信號，再傳遞給處理器進行處理。處理器根據這些信息判斷箱內溫度是否過低（溫度低于17 ℃）或過高（溫度高于37 ℃），并根據用戶設置決定是否要啟動報警功能。
    (4)太陽能充電模塊
    為了避免經常更換電池所帶來的麻煩，系統采用太陽能充電方式供電。設計的太陽能充電模塊采用CN3083芯片對充電過程進行管理。其模塊硬件電路設計如圖6所示。

    在本系統設計時，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過降壓(可用DC/DC電路進行處理)。在設計中選擇RT34063芯片進行降壓，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 系統實現
    由于監測系統要長期置于黑暗的蜂箱內部進行監測，因此要想實用化就必須考慮功耗的問題。所以系統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蜜蜂的活動，說明該系統的設計能滿足人們的需要。

    目前在世界范圍內，在蜜蜂養殖業上如何監測蜜蜂在蜂箱內的活動還是一個技術空白領域。本設計的目的在于為廣大用戶尋求一種能隨時隨地地監測蜜蜂的技術手段，通過對圖片和溫度信息的采集，向用戶有效地反映蜂箱內情況。系統在設計時使用了國內比較少用的?滋ITRON操作系統，充分利用該操作系統本身的優勢。經試驗表明，該系統具有較強的可行性、穩定性和便捷性。同時圖片顯示方式的多樣性和操作的可選擇性，更能適應實際的需要。
參考文獻
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