楊培凱，石 雄，李 林

（武漢輕工大學電氣與電子工程學院，武漢 430023）

1 引言

糧食儲藏過程中對糧食蟲害的防治首先是發(fā)現(xiàn)蟲害，然后需要判斷害蟲的種類、數(shù)量，再決定采取何種應(yīng)對措施。這一過程中的監(jiān)測與其他單一物理量的監(jiān)測相比更加復雜，因為對害蟲的識別、分類的主要依據(jù)是害蟲的外形、顏色等信息，換句話說人們依據(jù)所看到的害蟲實體或者其圖像信息才能比較準確地進行判斷[1]，可見糧食蟲害監(jiān)測中使用圖像傳感技術(shù)具有直觀方便、信息量豐富的現(xiàn)實意義。

本文以CMOS圖像傳感器構(gòu)成的微型攝像頭為核心，以集成無線傳輸模塊的系統(tǒng)級單片機為控制中心組成無線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點，節(jié)點內(nèi)配有糧蟲誘捕裝置、照明用的LED、鋰電池及其充電管理模塊等。使用中，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)需要放置到散裝糧庫的規(guī)定位置或者容易發(fā)生蟲害、需要加強監(jiān)測的位置，通常是埋入在散裝糧食中的數(shù)米深處。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中LED的光線和誘捕裝置內(nèi)的誘捕劑吸引糧蟲進入攝像頭的拍攝區(qū)域，攝像頭定期自動拍攝或根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制中心的指令進行拍攝，所獲取的圖像通過無線傳輸?shù)姆绞絺魉偷睫D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點并最終傳送到作為網(wǎng)絡(luò)控制中心的計算機上，計算機再根據(jù)需要進行顯示和后續(xù)的處理，從而實現(xiàn)對散裝糧食內(nèi)部糧蟲信息的采集和監(jiān)測。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

糧庫通常有若干個倉房，每個倉房可存儲數(shù)十或數(shù)百噸散裝糧食，根據(jù)《糧油儲藏技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，對于現(xiàn)代糧倉進行糧蟲監(jiān)測的方法，一般來說，既要兼顧總體也要考慮局部情況。比如常見的平房倉，通常在糧倉的4個角落以及各個墻面距離1 m處設(shè)置監(jiān)控點，來進行糧蟲的監(jiān)測。同時，對于糧倉中地理位置、空氣濕度等有助于糧蟲繁衍的區(qū)域要采用增加監(jiān)控節(jié)點的方法，達到對蟲害總體的監(jiān)控。同時考慮到糧庫庫房建筑的遮擋和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電池容量有限，在每個庫房設(shè)置一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，通過轉(zhuǎn)發(fā)點進行信息轉(zhuǎn)發(fā)，圖1所示即為整個糧蟲監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 糧蟲監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總體布局框圖

整個糧蟲監(jiān)測系統(tǒng)由3部分組成，分別是埋入各個糧倉中的無線圖像采集節(jié)點，分布在糧倉外部或者附近區(qū)域的無線轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，以及在辦公室中的監(jiān)控計算機[2]。當需要進行糧蟲情況采集時，計算機發(fā)出監(jiān)控信號傳輸?shù)礁鱾€轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點收到信息以后，將監(jiān)控指令轉(zhuǎn)發(fā)到各個監(jiān)控節(jié)點。監(jiān)控節(jié)點啟動攝像頭，將拍攝到的圖片通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，再由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點傳回到計算機[3]。

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和計算機之間的信息傳輸可以選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸、串口傳輸?shù)雀鞣N形式，有線、無線也可以根據(jù)糧庫的規(guī)模、布局確定。整個傳輸網(wǎng)絡(luò)中的計算機既要負責發(fā)送所有控制指令，同時也要完成所有監(jiān)控節(jié)點的圖像收集并保存到電腦中?？紤]到一般糧庫的糧倉數(shù)量有限且每個糧倉內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般最多不超過十個，也就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量并不是很大，同時拍照取樣的時間間隔較長，有足夠的時間進行圖像數(shù)據(jù)的傳輸，所以在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中選擇輪詢的工作模式。

整個監(jiān)控系統(tǒng)完成之后，先對各個節(jié)點編號為1、2、3等號碼，計算機首先對1號監(jiān)控點發(fā)出監(jiān)控指令，該節(jié)點收到指令后，進行圖像采集，并將采集到的圖像傳回到該計算機，計算機收到圖像后進行處理并保存。計算機在收到當前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的糧蟲圖像數(shù)據(jù)后再詢問下一節(jié)點。監(jiān)控中心可對位于不同位置的糧蟲監(jiān)測節(jié)點設(shè)置不同的查詢次數(shù)，糧蟲發(fā)生率高的區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可設(shè)置更短周期的查詢次數(shù)，其他位置節(jié)點可以進行正常周期查詢，以達到監(jiān)測目的。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中設(shè)有時鐘日歷芯片，系統(tǒng)也可以給每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)定拍攝時間自動拍攝并上傳，當然在時間安排上必須避免兩個或兩個以上的節(jié)點同時傳輸導致無線傳輸信道上的沖突[4]。

3 圖像采集節(jié)點的設(shè)計

3.1 圖像采集節(jié)點的結(jié)構(gòu)

糧倉中發(fā)現(xiàn)糧蟲時大都采用熏蒸等方法除蟲，而選用的熏蒸藥劑一般是劇毒且有腐蝕性的化學藥劑，采用有線方式布設(shè)的監(jiān)測系統(tǒng)的布線極易被腐蝕而導致系統(tǒng)失效，選用無線傳感網(wǎng)絡(luò)則避免了這一問題，但同時要求網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點必須具備抗腐蝕的能力，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的外殼必須嚴格密封并采用耐腐蝕的塑料材料。

圖像采集節(jié)點的外型設(shè)計成球形，直徑約40 mm，大致與乒乓球一樣大小。外殼可以整體選用透明材料也可只在進行糧蟲拍攝的半球使用透明材料。拍攝區(qū)有便于糧蟲進入殼體內(nèi)聚焦區(qū)的小孔，在該半球內(nèi)部相應(yīng)地增加了一層透明的密封層以保護攝像頭、LED和印刷電路板等電子器件不被腐蝕。節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圖像采集節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

3.2 圖像采集節(jié)點的電路組成

圖像采集節(jié)點的電路包括CMOS攝像頭、緩沖存儲器、集成射頻收發(fā)功能的單片機、鋰電池、無線充電電路、LED照明電路等部分。電路的組成框圖如圖3所示。

圖3 圖像采集節(jié)點電路組成框圖

CMOS傳感器目前普遍應(yīng)用于各種智能電子產(chǎn)品上，本文所選的CMOS圖像傳感器組成的微型攝像頭有足夠小的體積和功耗，而且輸出的圖像數(shù)據(jù)可以有多種格式進行選擇，分辨率也較高。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中考慮成本時，可以選用OV9655等像素相對低一些的低成本攝像頭，當然，如果對像素或清晰度等有更高的要求，OV5640攝像頭是更好的選擇。OV9655或者OV5640攝像頭均具有自動對焦功能，經(jīng)過安裝特別計算倍率的鏡頭便可以通過微距拍攝出清晰的照片。攝像頭所拍攝的圖片信息經(jīng)緩沖存儲器送至單片機，再通過單片機內(nèi)部集成的無線傳輸模塊以無線傳輸方式向外發(fā)送到主節(jié)點。

OV9655圖像傳感器芯片是使用比較廣泛的130W像素攝像頭芯片，該芯片加上鏡頭后可以拍攝最高分辨率達1280×1024像素的圖像，圖像輸出格式 有 YUV/YCbCr、GRB、GRB565、GRB555和 Raw GRB格式。OV系列的CMOS圖像傳感芯片不僅體積小巧而且內(nèi)部集成了多種控制器，其核心任務(wù)是輸出連續(xù)的圖像序列，執(zhí)行拍照時需按要求單獨編寫實現(xiàn)拍照功能的控制程序。通過計算可以得出，130W像素的攝像頭最大拍攝相片大小為1.3 MB左右，而500W攝像頭最大拍攝照片大小約為5 MB左右，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，當這些圖像以20 bps的速率進行傳輸時，一副圖片傳輸需要數(shù)百秒的時間。但是糧蟲的繁殖發(fā)育相對是一個比較長的時間過程，因此《糧油儲藏技術(shù)規(guī)范》中要求每月只需要進行一至兩次采樣，對時效性沒有強制要求。以O(shè)V5640攝像頭為例，控制其實現(xiàn)拍照功能的程序流程圖如圖4所示。

圖4 OV5640拍照程序框圖

節(jié)點為了防腐蝕必須密封，不僅所使用的電池因此無法更換，而且也無法設(shè)置充電插座，所以可以在節(jié)點中集成無線充電模塊，當需要對節(jié)點進行充電時，先將節(jié)點進行回收，然后將節(jié)點放在具有無線充電功能的充電板上，便可實現(xiàn)無線充電。其充電原理與電動牙刷的充電方式類似。當然糧蟲圖像檢測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也必須使用休眠機制等策略實現(xiàn)低功耗，以盡可能地延長使用周期。

糧蟲監(jiān)控節(jié)點處于糧堆內(nèi)部，因此整個區(qū)域處于黑暗的狀態(tài)，由圖像采集節(jié)點結(jié)構(gòu)圖可以看到，節(jié)點內(nèi)部內(nèi)置了2顆高亮LED燈，這兩顆LED燈由攝像頭感光芯片的閃光點控制線進行控制。當拍照時，LED燈便會打開，提供光源。在圖像采集節(jié)點的內(nèi)壁上有很多開孔并涂有誘捕劑，該設(shè)計仿照了傳統(tǒng)糧蟲誘捕器的設(shè)計，可以吸引糧蟲進入監(jiān)控區(qū)域。

4 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的設(shè)計

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點是計算機與各個節(jié)點之間連接的橋梁，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點負責指令與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點接收到的圖像數(shù)據(jù)暫存在擴展存儲器中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點與計算機之間的信息傳輸可以根據(jù)糧庫的庫區(qū)分布情況選擇有線（或無線）的串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信等方式實現(xiàn)。

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選用與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同樣的Si1060無線單片機作為控制器[5]，只需在外圍搭建簡單的電路即可通過指令控制實現(xiàn)無線收發(fā)的功能，能夠很方便地與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的Si1060實現(xiàn)無線通信。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點電路組成框圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點電路組成框圖

5 系統(tǒng)電路設(shè)計

Si1060是一種新型的集成射頻功能的微控制器，它負責將CMOS圖像傳感器OV5640采集的圖像經(jīng)過處理之后通過無線天線發(fā)射出來[6]。因此，無線通訊是本次設(shè)計著重需要解決的問題。如圖6所示為Si1060及其外圍接口電路圖。

圖6 Si1060及其外圍接口電路圖

本次設(shè)計的目的是采集攝像頭OV5640的圖像并進行傳輸，圖7為OV5640攝像頭與Si1060的接口電路。

圖7 OV5640攝像頭接口電路

6 結(jié)論

將CMOS圖像傳感器OV5640等攝像頭應(yīng)用到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中[7]，具有非常高的實用價值。這種埋入糧食中的無線糧蟲監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可直觀地通過實時圖像掌握糧庫內(nèi)儲糧中的糧蟲情況，為糧食害蟲防治提供科學準確的數(shù)據(jù)依據(jù)，降低糧食儲存過程中因蟲害而導致的損耗。采用無線圖像傳輸?shù)姆绞綄Z倉的糧情進行監(jiān)測，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，整個系統(tǒng)目前還有很多需要改進的地方，上位機部分還需要進行設(shè)計改進，因此還有很長的路要走。

[1] 阮有志，馬巖. 糧情測控技術(shù)[M]. 沈陽：遼寧大學出版社，2011.

[2] 李國棟，王聃. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 黑龍江科技信息，2015，7.

[3] 阮征. 計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性提升方式分析[J]. 計算機與網(wǎng)絡(luò)，2014，15.

[4] 吳苗苗，沈世斌，王亮，李昊洋. 基于CMOS攝像頭的直立循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014，7.

[5] 黃曉亮，徐曉輝，宋軍華，等. 智能家居系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2011，(04): 35.

[6] 劉昊，馮海林. 一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性傳輸策略[C].中國運籌學會可靠性分會第九屆可靠性學術(shù)會議，2013.

[7] 吳楠，莊榮榮. 糧食儲藏技術(shù)管理[J]. 新農(nóng)村(黑龍江)，2014，10.