基于圖像傳感器和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的糧蟲(chóng)監(jiān)測(cè)*

楊培凱，石 雄，李 林

（武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430023）

1 引言

糧食儲(chǔ)藏過(guò)程中對(duì)糧食蟲(chóng)害的防治首先是發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)害，然后需要判斷害蟲(chóng)的種類、數(shù)量，再?zèng)Q定采取何種應(yīng)對(duì)措施。這一過(guò)程中的監(jiān)測(cè)與其他單一物理量的監(jiān)測(cè)相比更加復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)害蟲(chóng)的識(shí)別、分類的主要依據(jù)是害蟲(chóng)的外形、顏色等信息，換句話說(shuō)人們依據(jù)所看到的害蟲(chóng)實(shí)體或者其圖像信息才能比較準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷[1]，可見(jiàn)糧食蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)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(shí)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(wú)線傳輸模塊的系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)為控制中心組成無(wú)線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)配有糧蟲(chóng)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(diǎn)根據(jù)需要放置到散裝糧庫(kù)的規(guī)定位置或者容易發(fā)生蟲(chóng)害、需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)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(diǎn)中LED的光線和誘捕裝置內(nèi)的誘捕劑吸引糧蟲(chóng)進(jìn)入攝像頭的拍攝區(qū)域，攝像頭定期自動(dòng)拍攝或根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制中心的指令進(jìn)行拍攝，所獲取的圖像通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺魉偷睫D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)并最終傳送到作為網(wǎng)絡(luò)控制中心的計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)再根據(jù)需要進(jìn)行顯示和后續(xù)的處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)散裝糧食內(nèi)部糧蟲(chóng)信息的采集和監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

糧庫(kù)通常有若干個(gè)倉(cāng)房，每個(gè)倉(cāng)房可存儲(chǔ)數(shù)十或數(shù)百噸散裝糧食，根據(jù)《糧油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)于現(xiàn)代糧倉(cāng)進(jìn)行糧蟲(chóng)監(jiān)測(cè)的方法，一般來(lái)說(shuō)，既要兼顧總體也要考慮局部情況。比如常見(jiàn)的平房倉(cāng)，通常在糧倉(cāng)的4個(gè)角落以及各個(gè)墻面距離1 m處設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，來(lái)進(jìn)行糧蟲(chóng)的監(jiān)測(cè)。同時(shí)，對(duì)于糧倉(cāng)中地理位置、空氣濕度等有助于糧蟲(chóng)繁衍的區(qū)域要采用增加監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的方法，達(dá)到對(duì)蟲(chóng)害總體的監(jiān)控。同時(shí)考慮到糧庫(kù)庫(kù)房建筑的遮擋和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池容量有限，在每個(gè)庫(kù)房設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，圖1所示即為整個(gè)糧蟲(chóng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 糧蟲(chóng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)總體布局框圖

整個(gè)糧蟲(chóng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由3部分組成，分別是埋入各個(gè)糧倉(cāng)中的無(wú)線圖像采集節(jié)點(diǎn)，分布在糧倉(cāng)外部或者附近區(qū)域的無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以及在辦公室中的監(jiān)控計(jì)算機(jī)[2]。當(dāng)需要進(jìn)行糧蟲(chóng)情況采集時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出監(jiān)控信號(hào)傳輸?shù)礁鱾€(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)收到信息以后，將監(jiān)控指令轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)攝像頭，將拍攝到的圖片通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，再由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳回到計(jì)算機(jī)[3]。

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)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(wú)線也可以根據(jù)糧庫(kù)的規(guī)模、布局確定。整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)既要負(fù)責(zé)發(fā)送所有控制指令，同時(shí)也要完成所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的圖像收集并保存到電腦中?？紤]到一般糧庫(kù)的糧倉(cāng)數(shù)量有限且每個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般最多不超過(guò)十個(gè)，也就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量并不是很大，同時(shí)拍照取樣的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，有足夠的時(shí)間進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的傳輸，所以在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中選擇輪詢的工作模式。

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)完成之后，先對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1、2、3等號(hào)碼，計(jì)算機(jī)首先對(duì)1號(hào)監(jiān)控點(diǎn)發(fā)出監(jiān)控指令，該節(jié)點(diǎn)收到指令后，進(jìn)行圖像采集，并將采集到的圖像傳回到該計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)收到圖像后進(jìn)行處理并保存。計(jì)算機(jī)在收到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的糧蟲(chóng)圖像數(shù)據(jù)后再詢問(wèn)下一節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控中心可對(duì)位于不同位置的糧蟲(chóng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的查詢次數(shù)，糧蟲(chóng)發(fā)生率高的區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可設(shè)置更短周期的查詢次數(shù)，其他位置節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行正常周期查詢，以達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中設(shè)有時(shí)鐘日歷芯片，系統(tǒng)也可以給每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)定拍攝時(shí)間自動(dòng)拍攝并上傳，當(dāng)然在時(shí)間安排上必須避免兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸導(dǎo)致無(wú)線傳輸信道上的沖突[4]。

3 圖像采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

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

圖像采集節(jié)點(diǎn)的外型設(shè)計(jì)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(jìn)行糧蟲(chóng)拍攝的半球使用透明材料。拍攝區(qū)有便于糧蟲(chóng)進(jìn)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(hù)攝像頭、LED和印刷電路板等電子器件不被腐蝕。節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圖像采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3.2 圖像采集節(jié)點(diǎn)的電路組成

圖像采集節(jié)點(diǎn)的電路包括CMOS攝像頭、緩沖存儲(chǔ)器、集成射頻收發(fā)功能的單片機(jī)、鋰電池、無(wú)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(diǎn)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(jìn)行選擇，分辨率也較高。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中考慮成本時(shí)，可以選用OV9655等像素相對(duì)低一些的低成本攝像頭，當(dāng)然，如果對(duì)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(dòng)對(duì)焦功能，經(jīng)過(guò)安裝特別計(jì)算倍率的鏡頭便可以通過(guò)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(chǔ)器送至單片機(jī)，再通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部集成的無(wú)線傳輸模塊以無(wú)線傳輸方式向外發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)。

OV9655圖像傳感器芯片是使用比較廣泛的130W像素?cái)z像頭芯片，該芯片加上鏡頭后可以拍攝最高分辨率達(dá)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(shí)需按要求單獨(dú)編寫實(shí)現(xiàn)拍照功能的控制程序。通過(guò)計(jì)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(cè)，當(dāng)這些圖像以20 bps的速率進(jìn)行傳輸時(shí)，一副圖片傳輸需要數(shù)百秒的時(shí)間。但是糧蟲(chóng)的繁殖發(fā)育相對(duì)是一個(gè)比較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程，因此《糧油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范》中要求每月只需要進(jìn)行一至兩次采樣，對(duì)時(shí)效性沒(méi)有強(qiáng)制要求。以O(shè)V5640攝像頭為例，控制其實(shí)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(diǎn)為了防腐蝕必須密封，不僅所使用的電池因此無(wú)法更換，而且也無(wú)法設(shè)置充電插座，所以可以在節(jié)點(diǎn)中集成無(wú)線充電模塊，當(dāng)需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電時(shí)，先將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回收，然后將節(jié)點(diǎn)放在具有無(wú)線充電功能的充電板上，便可實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。其充電原理與電動(dòng)牙刷的充電方式類似。當(dāng)然糧蟲(chóng)圖像檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也必須使用休眠機(jī)制等策略實(shí)現(xiàn)低功耗，以盡可能地延長(zhǎng)使用周期。

糧蟲(chóng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)處于糧堆內(nèi)部，因此整個(gè)區(qū)域處于黑暗的狀態(tài)，由圖像采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖可以看到，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部?jī)?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(diǎn)控制線進(jìn)行控制。當(dāng)拍照時(shí)，LED燈便會(huì)打開(kāi)，提供光源。在圖像采集節(jié)點(diǎn)的內(nèi)壁上有很多開(kāi)孔并涂有誘捕劑，該設(shè)計(jì)仿照了傳統(tǒng)糧蟲(chóng)誘捕器的設(shè)計(jì)，可以吸引糧蟲(chóng)進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域。

4 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連接的橋梁，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)指令與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收到的圖像數(shù)據(jù)暫存在擴(kuò)展存儲(chǔ)器中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸可以根據(jù)糧庫(kù)的庫(kù)區(qū)分布情況選擇有線（或無(wú)線）的串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信等方式實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選用與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同樣的Si1060無(wú)線單片機(jī)作為控制器[5]，只需在外圍搭建簡(jiǎn)單的電路即可通過(guò)指令控制實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)的功能，能夠很方便地與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的Si1060實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)電路組成框圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)電路組成框圖

5 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

Si1060是一種新型的集成射頻功能的微控制器，它負(fù)責(zé)將CMOS圖像傳感器OV5640采集的圖像經(jīng)過(guò)處理之后通過(guò)無(wú)線天線發(fā)射出來(lái)[6]。因此，無(wú)線通訊是本次設(shè)計(jì)著重需要解決的問(wèn)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(jì)的目的是采集攝像頭OV5640的圖像并進(jìn)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中[7]，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。這種埋入糧食中的無(wú)線糧蟲(chóng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可直觀地通過(guò)實(shí)時(shí)圖像掌握糧庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)糧中的糧蟲(chóng)情況，為糧食害蟲(chóng)防治提供科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，降低糧食儲(chǔ)存過(guò)程中因蟲(chóng)害而導(dǎo)致的損耗。采用無(wú)線圖像傳輸?shù)姆绞綄?duì)糧倉(cāng)的糧情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，整個(gè)系統(tǒng)目前還有很多需要改進(jìn)的地方，上位機(jī)部分還需要進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，因此還有很長(zhǎng)的路要走。

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