蜜蜂養(yǎng)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(jiān)督蜂箱內蜜蜂活動的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。使用該系統(tǒng)時，蜂農(nóng)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(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的活動。此外，該系統(tǒng)還設計箱內溫度過高或過低時的報警功能。
1 系統(tǒng)結構及工作原理
1.1 系統(tǒng)組成
    蜜蜂蜂箱監(jiān)測系統(tǒng)由CMOS圖像感應模塊、GPRS發(fā)射模塊、報警系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)等部分組成[2]。系統(tǒng)結構如圖1所示。

    系統(tǒng)主芯片采用臺灣聯(lián)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(tǒng)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(fā)送至用戶手機上，以方便用戶遠端監(jiān)測。
1.2 系統(tǒng)工作原理
    該系統(tǒng)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(tǒng)大致工作流程如下[3]：系統(tǒng)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(jīng)過處理器中的模-數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信息。在溫度值低于某一特定值時，微處理器根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)根據(jù)用戶的設置，自動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。如果用戶設定為發(fā)射模式，系統(tǒng)就會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卡內留有備份，以備用戶查詢。如果用戶設定為非發(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保存在SD卡內，不會通過GPRS發(fā)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(fā)射模式下，系統(tǒng)對溫度和圖片的采集是通過內部時鐘觸發(fā)自動開始的，用戶只需設定觸發(fā)周期。這種模式適用于遠距離監(jiān)測的情況。而在非發(fā)射模式下，信息的采集是通過系統(tǒng)的控制鍵盤手動控制的，此時系統(tǒng)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(jié)省無線通信費用。
    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)濟承受能力和資源的最優(yōu)化利用角度出發(fā)，系統(tǒng)在設計時留有TV接口，用戶使用更方便，更便于該系統(tǒng)的推廣。
2 系統(tǒng)設計
2.1 平臺的選擇
    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實時操作系統(tǒng)，即μITRON嵌入式實時操作系統(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(tǒng)沒有嚴格規(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)設計時，采用Source insight編譯器。
    本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)(Lib(subsystem)、LibExt(subsystem))三個部分，如圖2所示。驅動模塊（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(tǒng)內核一樣，是整個實時系統(tǒng)的核心部分。該系統(tǒng)的內核符合?滋ITRON內核標準。子系統(tǒng)與驅動模塊區(qū)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(qū)別在于子系統(tǒng)一般會包含控制流，而底層驅動本身不具備此功能。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(xié)助才能完成操作。與子系統(tǒng)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(tǒng)中最靈活的部分，它可以根據(jù)硬件平臺對操作系統(tǒng)進行配置。系統(tǒng)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(shù)，都與項目相關且都需要被定制。
    在本系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)主要由圖像感應模塊、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(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進行處理。電路設計如圖3所示。

    (2)GPRS無線發(fā)射模塊 
    在系統(tǒng)設計時，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(wěn)定性，需根據(jù)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(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(wěn)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(jù)“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(shù)字信號，再傳遞給處理器進行處理。處理器根據(jù)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(jù)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(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(tǒng)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(jīng)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(tǒng)實現(xiàn)
    由于監(jiān)測系統(tǒng)要長期置于黑暗的蜂箱內部進行監(jiān)測，因此要想實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蜜蜂的活動，說明該系統(tǒng)的設計能滿足人們的需要。

    目前在世界范圍內，在蜜蜂養(yǎng)殖業(yè)上如何監(jiān)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(jiān)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(tǒng)在設計時使用了國內比較少用的?滋ITRON操作系統(tǒng)，充分利用該操作系統(tǒng)本身的優(yōu)勢。經(jīng)試驗表明，該系統(tǒng)具有較強的可行性、穩(wěn)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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