（电子科学与技术专业论文）蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现.pdf

硕士学位论文 a b s t r a e t t h e r ei sap r o b l e mw h i c hi su n a b l et om o n i t o rt h el i f eo fh i v e so fb e e s e f f e c t i v e l yd i f f i c u l t l yt ob es o l v e d i nt h et r a d i t i o n a lb e e sb r e e d i n i td i r e c t l y r e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fa q u a c u l t u r eo fb e e s w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y ，s e n s o rt e c h n o l o g y ， w i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h eo t h e rr e l a t e dt e c h n o l o g yi nr e c e n td e c a d e s ，i t b e g i n s t ob ep o s s i b l et ou s et h em o d e r ne l e c t r o n i c t e c h n o l o g y t os o l v et h e t r a d i t i o n a lp r o b l e m t h i sa r t i c l ei sa i m i n ga tt h i se x i s t i n gp r o b l e mi nm o n i t o r i n ga q u a c u l t u r eb e e h i v e so fb e e sa n dd e s i g nad i g i t a lm o n i t o r i n gs y s t e ms p e c i a lf o rt h eb e e h i v et o m o n i t o rt h el i f eo fh i v e so fb e e s t h es y s t e mu s e sa r m 9 + u i t r o np l a t f o r m t h e m i c r o p r o c e s s o rw i t ht h ea r m 9 d m i g o r en oo n l yh a st h ec o n t r o lf u n c t i o n ，b u ta l s o c o n t a i n st h ei m a g ep r o c e s s i n ge n g i n ea n dh a si m a g ep r o c e s s i n gf u n c t i o n i n a d d i t i o nt ot h ei m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e ，t h es y s t e ma l s oc o n t a i n st h eg p r s ，t h e t e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n di n t e r f a c ea n da n o t h e rf u n c t i o nm o d u l e s c o m p a r e dt o t h eo t h e ro p e r a t i n gs y s t e m ，t h es e l e c t e du l t r o nr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mt a k e s u pl e s ss p a c e ，a n dr u nt i m ef a s t e r b e c a u s et h es y s t e mc o n t a i n st h ew i r e l e s sg p r s m o d u l e ，t h ep i c t u r ei n f o r m a t i o nb e i n gp h o t o e dc a nb es e n tt ot h eu s e rt e r m i n a l s o c o m p a r e dt oo t h e rt y p e so fm o n i t o r i n gs y s t e m s ，t h i ss y s t e mc a n a c h i e v eu n a t t e n d e d o p e r a t i o n ，a n dm o r ec o n v e n i e n t l yt ob eu s e d a tf i r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e a b o u l tt h i si s s u e ，a sw e l la st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h er e s e a r c ho nt h eb e e m o n i t o r i n gi nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n ，t h e ni n t r o d u c e st h es y s t e mp r i n c i p l eo f w o r ka n dt h eo v e r a l ld e s i g nd i a g r a m ，i td e t a i l l yi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g no ft h es y s t e mm e m o r ym o d u l e ，g p r sm o d u l e ，t h ep o w e rm o d u l e s ，t h e s e n s i n gc i r c u i t sa n da n t h e rf u n c t i o nm o d u l e ，e t c a n dt h e nb u i l du pau i t r o n r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ，a c c o r d i n g t ot h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n d d i s c u s s e dt h eo v e r a l ls y s t e md e s i g no fa p p l i c a t i o na n dt h er e l a t e da ti n s t r u c t i o no f t h eo p e r a t i o n st h a tt h ew i r e l e s sm o d u l es e n dt h ep i c t u r es i g n a l t h es y s t e mt e s ti sa l m o s tf o rt h ef u n c t i o n ，p o w e rc o n s u m p t i o na n ds t a b i l i t yo f t h es y s t e m a f t e re a c hm o d u l eh a sb e e nt e s t e df o ral a r g en u m b e ro ft i m e sa c t u a l l y ， w ef o u n dt h ed a t as h o w st h a tt h ev a r i o u sf u n c t i o n si nt h ed e s i g nc a nb er e a l i z e d ， a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o na n ds t a b i l i t y i sa l s of u l f i l l e do u rn e e d s a n db e c a u s e v 蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现 w h e nw ed e s i g nt h i ss y s t e m ，w ef u l l l yt h o u g h ta b o u tt h es y s t e mr u n n i n g e n v i r o n m e n ta n dt h eo p e r a t i n gc o s t ，s ot h ed e s i g nh a v es t r o n gf e a s i b i l i t ya n d p o t e n t i a l l yo fg r e a te c o n o m i cv a l u e ，c a np r o v i d ea s u i t a b l em o n i t o r i n gp l a t f o r mf o r u s e r s k e yw o r d s m o n i t o r i n gs y s t e m ；t e m p e r a t u r ed e t e c t i o ns y s t e m ；g p r s ；t h ei m a g e s e n s o r ；m l c r o p r o c e s s o r v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 在人类历中，蜜蜂养殖业历史悠久。我国早在殷商时期的甲骨文就存在“蜜” 字的记录【l 】，可以推断我国在不晚于3 0 0 0 年前就已经能够取食蜂蜜，甚至开始饲 养蜜蜂。此外中国在很早时期就已经开始制作蜂蜜酒，其最早的记录见于公元前 7 8 0 年的西周宫宴中，在唐、宋时期更为盛行【2 】。关于我国蜜蜂养殖的确切记载 则最早出现于晋朝皇甫谧的高士传，“隐居以畜蜂豕为事，教授者满于天下， 营业者三百余人”【1 1 。而国外关于蜜蜂的记录则出现的更早，罗马神话中就有阿 里斯泰俄斯( a r i s t a e u s ) 教会人类驯化蜜蜂的传说。西班牙发现了距今7 0 0 0 年前的 山崖取蜜壁画以及稍晚的美索不达米亚文明，埃及壁画1 2 】，这一切都已经说明了 人类很早就对蜂蜜和蓄养蜜蜂已经有了一定程度的了解，蜂蜜开始进入人类生活， 让人类变的更加富足。 在人类数千年的历史中，蜜蜂养殖业作为古老的技术始终存在，并得到不断 的进步。尽管人类很早就开始食用蜂蜜并懂得初级的蜜蜂养殖技术，但在很长的 一段时间里，蜜蜂养殖一直是处于一种半野生的状态，没有形成一个完整的体系。 直到1 8 5 3 年，美国人郎斯特罗什( l l l a n g s t r o t h ) 的巨作巢与蜂蜜( t h eh i v e a n dt h eh o n e yb e e ) 问世开始，情况才开始有所改变【2 】。该书系统地介绍了人工 蜜蜂养殖及蜂蜜收取技术，并发明了具有活动巢板的现代意义上的巢箱以及用于 分离蜂蜜的离心机，基本上构成了现代蜜蜂养殖技术的雏形，现代蜜蜂养殖技术 开始逐渐形成。时至今日，现在蜜蜂养殖还是延续着该方法。l a n g s t r o t h 发明的 这种巢箱也成为目前使用广泛的标准蜂箱，又称为郎氏十框蜂箱( l a n g s t r o t h 1 0 f r a m e sh i v e ) 。1 9 2 6 年，美国菲利普斯的养蜂学和上世纪多位专家执笔的 蜂箱与蜜蜂的出版，标志着养蜂学的正式形成。 我国的现代人工蜜蜂养殖发展得相对较晚，直到2 0 世纪3 0 年代开始，国际 普遍养殖的意大利蜂种才经日本开始被我国引入，现代活框饲养技术也随之引入。 但是蜜蜂养殖业在我国发展的却非常迅猛。目前我国已经是世界第一养蜂大国， 据国家农业部发布的全国养蜂业“十二五”发展规划中统计，2 0 0 9 年全国蜂 群数量达到8 2 0 万群，蜂蜜产量达4 0 万吨，蜂王浆和花粉产量超过4 0 0 0 吨，蜂 胶3 5 0 多吨，总产值超过8 4 亿。而如果考虑到对农作物产量增加的增值效应，则 全国农作物每年新增经济效益就可达1 6 0 多亿元。因此我们有理由相信，未来我 国蜜蜂养殖产业将成为发展前景最为广阔的行业之一。 然而，对于我国乃至世界而言，在养蜂养殖业中，直存在着一个悬而未决 的难题，那就是如何做到随时随地查看蜜蜂蜂箱内蜜蜂生活情况而对蜜蜂正常的 蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现 生活又不构成影响1 3 】。长期以来，人类解决此类问题基本上靠人力直接完成。如 果要查看蜂箱内情况，就必须打开蜂箱盖，用手提起蜂框，用肉眼直接观察。对 于箱内的温度信息，由于特殊条件的限制，不可能使用温度计进行测量，基本上 只能依靠手感来估计，这就不可避免地存在一个很大的误差。即便是如此，在恶 劣的天气下或者蜂箱处于运输过程中，那么以上的做法均有可能对蜜蜂生存带来 不良甚至是致命的后果。考虑到着我国蜜蜂养殖业的快速发展，这一难题已经成 为了蜜蜂养殖业内迫切需要解决的问题。 随着现代电子和计算机技术，特别是嵌入式技术在近些年的飞速发展使得通 过以图片为媒介和采用自动温度测量的蜜蜂蜂箱内环境监测的方法成为可能，也 就是本论文所要研究的蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统。与传统的肉眼观测技术相 比，蜜蜂蜂箱专用数字化监测技术具有如下的优点1 4 j ： ( 1 ) 使用更加方便。监测时无须打开蜂箱盖，且不会对蜜蜂正常生活造成不良 影响。 ( 2 ) 监测箱内温度信息更为准确，基本消除肉眼观察法产生的误差。 ( 3 ) 图片信息可以长时间保存，便于用户用于信息的对照 ( 4 ) 可随时随地操作，克服时空因素的限制。 ( 5 ) 监测系统稳定性强，功耗低。 ( 6 ) 系统可连续工作，充分利用绿色能源，电源电池使用周期更长。 1 2 国内外研究现状 蜜蜂对人类的重要性完全可以用爱因斯坦的那句预言体现，“如果蜜蜂从地 球上消失，那人类只能再活4 年。”i l j ，然而在人类历史的很长一段时间里，人 类对蜜蜂的关注程度存在严重的不足，直到近些年这种情形才逐渐有所改观。 在国外，德国对蜜蜂的研究最早。随着现代工业的迅猛发展，环境污染和生 态恶化问题日益严重，德国汉堡在19 9 1 年首次开始实施蜜蜂生态监控项目，利用 蜜蜂对有毒物质反应明显的特点，通过监测蜜蜂来了解环境的缓慢变化，随后俄 罗斯、芬兰、意大利相继跟进【5 j 。2 0 0 6 年1 1 月，美国宣布，美国科技人员研制 出蜜蜂跟踪仪。由于炸药往往会有特殊的气味，利用蜜蜂对这种气味敏感的特征， 该仪器可以用来探测爆炸装置。2 0 0 9 年，针对最近地球上蜜蜂正在迅速地减少现 象，保加利亚开发出蜜蜂监测仪。该仪器不但可以提供蜂蜜数量、蜂群患病情况、 采集的花粉是否受到农药的污染等信息，还可以测量蜂巢内温度、湿度，噪音比 等数据信息。在实践中可以利用蜜蜂对某些类型的气体敏感性，可以用来确定环 境的状况，因此该仪器也可以间接对生态环境进行监测，如气候变化、植物的种 类繁殖情况等。2 0 1 0 年6 月，有报道称为了研究蜜蜂大量死亡的原因，英国欲启 动一个耗资2 0 0 万英镑的项目，该项目将为三千只蜜蜂安装由伦敦皇家霍洛威大 硕士学位论文 学开发的电子标签以期监控它们的行为。 目前，我国在蜜蜂监测研究方面才刚刚起步。根据目前已知的公开发表的文 章中，关于蜜蜂监测方面的研究资料只有2 0 0 8 年安徽农业科技期刊3 6 期发表的 养蜂箱内温湿度远程监测系统研究，该研究主要针对蜂箱内的温度和湿度信 息，并可实时远程发送这些信息。此外国内通过监测蜜蜂来监测环境的研究也开 始在进行中。 总体而言，国内外对蜜蜂监测方面的研究基本上还是处于一个有限的初级阶 段。如何通过现代技术解决蜜蜂养殖业面临的问题方面，还是一个全新的领域， 是一个亟须加强研究力度的领域。 本文结合现代电子嵌入式技术，图像处理技术和无线传输技术等技术，设计 并实现一种用于蜜蜂养殖的蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统，实现无人值守式图像 采集、温度信息采集以及信息的远程发送过程。因此本课题的研究与开展将会对 蜜蜂养殖业起到一个极大地促进作用，且从成本和经济效益出发来看，完全在用 户的可接受范围内，具有较大的实用价值和经济价值。 1 3 论文主要工作及结构 本论文以湖南大学与深圳博立码杰有限公司合作项目为蓝本，提出了一种基 于a r m 9 d m i 和t r o n 操作系统的蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统方案的设计及实 现，重点介绍了存储部分、各种接口电路、温度采集模块、g p r s 无线发射模块和 系统电源等功能模块的硬件设计，以及基于t r o n 技术操作规范的n d k 实时操作 系统的内部结构和功能模块软件设计。在本设计中本人从事的主要工作为监测系 统整体方案设计，系统各个功能模块硬件设计及系统各功能模块及整体参数测试， 得出测试结果并分析，最后提出改进建议。 本论文的主要结构为： 第1 章：绪论。综述蜜蜂养殖业的发展历史，现实中所面临的问题以及国内 外蜜蜂监测研究发展现状，并简单地介绍了本设计的研究意义。 第2 章：系统结构总体设计及工作原理。提出系统功能设计要求和蜜蜂蜂箱 专用数字化监测系统的整体架构。简要介绍系统结构图，并根据结构图提出了系 统的总体设计方案，给出了各个模块实现的功能以及模块之间数据的流向。并详 细介绍了系统的工作原理。 第3 章：监测系统硬件电路设计。介绍了微处理器的特点和资源信息，详细 描述了图像采集、温度采集、g p r s 无线传输、电源、存储、接口电路等功能模块 硬件电路设计，并阐述了各个模块中芯片选型的依据。 第4 章：系统固件开发。简单地介绍了t r o n 操作系统发展历史和发展现状。 详细地描述了基于t r o n 规范的n d k 操作系统的内部结构、任务流程以及固件系 蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现 统的具体编译过程。 第5 章：系统软件设计。介绍了系统软件的总体设计方案、应用程序的基本 任务设计、温度采集程序设计流程。然后详细地描述了g p r s 模块的相关知识及发 送图片过程的相关a t 指令。 第6 章：系统测试及分析。测试所设计的监测系统，主要针对系统的重要功 能模块的功能、系统整体功耗和稳定性等方面进行。给出主要的调试步骤，通过 大量的测试，得出测试结果，并对这些结果进行相应的分析。 最后是文章的总结和展望。分析和总结了本设计的取得的成果和存在的缺陷， 提出系统后续改进建议。并对项目设计的进一步的工作和项目的未来发展趋势进 行展望。 硕士学位论文 第2 章系统结构总体设计及工作原理 2 1 系统功能要求 本系统设计的目的是为用户提供一个用于监测蜂箱内蜜蜂的监测平台。这就 要求系统在保证稳定性和可承受成本的前提下，必须具备满足用户监测使用的所 有功能，同时还要尽可能地使用便利。这也是系统所研究的内容和要达到的目标， 具体说来，要包含以下几个部分： ( 1 ) 系统的电源使用周期足够长。由于受天气的影响，蜜蜂蜂箱在几乎整个冬 季是不能打开的，而本系统工作于蜂箱内部，这就要求系统的电源使用时间至少 要长达4 个月左右。 ( 2 ) 图片查看方式要多样化。本监测系统与其他的监测系统不同之处在于，系 统的使用环境更为苛刻。对于图片查看方式，设计时既要需要充分利用现有资源 以尽可能节省成本，又要使系统使用方便。 ( 3 ) 系统稳定性好，运行成本要低。这就要求系统在工作时出现“死机”的概 率小，系统持续工作能力强。由于系统是长期处于工作状态，如果系统的运行成 本不能得到有效控制，将会影响到系统的推广，因此设计时应当充分考虑运行成 本的因素。 2 2 系统整体设计 2 2 1 系统结构设计 通过对市场调研和可行性分析，综合考虑成本、系统稳定性和管理便利性等 要素。提出一种基于嵌入式技术和g p r s 网络技术的蜜蜂蜂箱监测系统的设计架 构。整个监测系统结构如图2 1 所示： 图2 1 蜂箱监测系统结构图 蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现 从图中可以看出，整个系统分为三大部分，分别为：信息采集部分，信息处 理部分以及信息发送和显示部分。温度传感器和图像感应器为信息采集部分，用 于采集蜂箱内的图像和温度信息，这部分性能的好坏直接影响到到系统的实际功 效。信息处理部分由微处理器及其外围设备组成，用来对采集到的信息进行处理， 即对图像进行相关处理，判断温度值是否处在允许范围内。g p r s 模块，l c d 显示 器以及各种接口电路构成了信息发送和显示部分。主要用于发送和显示图片、温 度信息。 2 2 2 系统整体设计 根据结构图分析可以容易得出，蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统由c m o s 图像 感应模块、g p r s 发射模块、接口电路、温度采集模块等部分组成【6 1 。其系统整体 设计如图2 2 所示。 系统微处理器采用的是台湾联咏科技有限公司的n t 9 6 2 1 l 芯片，该芯片内部 具有图像处理引擎，同时又兼容a r m 9 d m i 内核，具有控制功能，符合本系统设 计的需要。 系统的g p r s 模块采用了m 3 3 无线模块。在系统设计中，m 3 3 模块用来将拍 摄的蜜蜂图片以m m s 形式发送至用户手机上，方便用户远端监测。 2 3 系统工作原理 图2 2 系统整体设计闰 该监测系统通过内部的图像和温度传感器，将蜂箱内的蜜蜂生活情况及箱内 温度信息反馈给用户。系统具体工作原理如下【7 】： 硕士学位论文 根据具体工作过程不同，系统可以采用两种工作方式，分别为监控模式工作 方式和线控模式工作方式。 在监控模式工作方式下，系统工作之前需要用户手动设置一些配置信息，比 如终端设备号( 通常情况为手机号) 以及图片自动拍摄时间间隔等。然后将系统 置于蜂箱内，开始工作。在设置的拍摄时间未到来时，系统处于睡眠状态，各功 能模块均未开启；当拍摄时间到来时，系统状态从睡眠被唤醒，相关功能模块均 相继开启，进入工作状态。系统工作时，以温敏电阻为基础的温度采集模块开始 采集蜜蜂蜂箱内的温度信息，转换成模拟的电信号，该模拟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号，并以此得出温度值信息。在温度值 处于温度临界范围内时，微处理器只是保存温度值信息至存储器。若温度值超出 临界范围时，微处理器将会确定要发出警示信息以提示用户，并将温度值和警示 信息保存于存储器中。 采集完温度信息之后，系统开始采集图像信息。系统开启红外灯，c m o s 图 像传感器开始感应蜂箱内的图像信息。采集的图像信息传递给微处理器，并通过 处理器内部的图像处理引擎等相关部件进行处理。处理后的图像信息保存于s d 卡 内。 最后系统开启g p r s 无线发射模块，将采集到的温度，警示以及图片信息以 m m s 形式发送给用户终端设备。发送完毕之后，温度信息、警示信息和图片均在 s d 卡留有备份，以备用户查实。 上述为监控模式下的工作方式。为了减少系统的运行成本，设计中除了监控 模式之外，还额外保留了线控模式工作方式。在线控模式下，通过线控器来控制 系统的具体操作。拍摄的图片和温度等信息可以直接在线控器的l c d 屏显示，但 温度和图片信息不通过g p r s 发送出去，只保存在s d 卡内。且此时系统不用判断 是否要给出警示信息。 采用线控模式工作方式时，信息的采集是通过系统的u s b # b 接线控器手动控 制的。此时系统不会开启g p r s 模块。这种模式适用于近距离直接接触使用，可以 为用户节省g p r s 模块的m m s 发射费用。而在监控模式工作方式下，系统对温度 和图片的采集是通过内部时钟自动触发的。这种模式适用于远距离无人值守式监 测，使用也较为方便，所以通常情况下系统采用的是监控模式工作方式。 考虑到该系统用于蜜蜂养殖业中，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，系统设计时兼容多种电路接1 3 女n u s b ，t v 等接 1 3 等，使用户能够更方便地使用，极大地方便了该系统的推广。 2 4 本章小结 本章针对要解决的问题提出系统的功能要求，即系统设计所要达到的目标。 蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现 然后根据这些要求给出系统结构图和整体设计方案，并简要介绍重要部件。最后 系统地阐述了整个监测系统的的工作原理。 硕士学位论文 第3 章监测系统硬件电路设计 3 1 微处理器介绍 本系统的核心为台湾联咏科技有限公司推出n t 9 6 2 1 1 微处理器。该处理器为 一款高图像质量、高性能、低成本的数码相机专用处理芯片，具有优秀的静态数 字图像捕获和视频数据流的能力。芯片着眼于3 2 m 以内像素的数码相机市场，能 够与现存的多数c m o s 传感器兼容，因此用户基本上可以不用考虑图像传感器选 择受限制的问题。该处理器能提供复杂的视频处理方法与内置的硬件加速管道， 可以实现高性能的图片连拍功能。处理器还提供了更为灵活的处理机制，可以更 好地实现自动白平衡、自动曝光和自动聚焦等操作。基于以上优势，该芯片在数 码产品市场中占有很大一定份额。 具体来说，该芯片具有如下特征【8 】： ( 1 ) 3 2 位高性能处理器，采用a r m 9 d m i 内核。包含4 k b 数据c a c h e 和4 k b 的 指令c a c h e 。内嵌了i c e ( i n c i r c u i te m u l a t o r ) ，便于固件调试。 ( 2 ) 集成了时钟发生器和内置锁相环。包含两个时钟：系统时钟1 2 m h z ，实时 时钟3 2 7 6 8 h z 。而内部c p u 工作频率高达1 6 0 m h z ，且支持在线编程。 ( 3 ) 可调的存储总线结构。具有1 6 位的s d r a m 总线，支持高达1 2 8 m b 的s d r s d r a m 和5 1 2 m b 的d d r is d r a m 。支持s d 卡、m m c 、智能卡、x d p i c t u r ec a r d 、 m l c s l c 型n a n df l a s h 、s p i ( 串行外设接口) f l a s h 等存储器。 ( 4 ) 兼容传感器接e l 引擎。支持市场通用的o v t ，a p t i n a ，三星等系列的图像 传感器。支持最高图像传感器像素为3 2 m ，1 0 位c m o s 传感器输入。内置的c m o s 图像感应控制器可现实串口在线编程，可有效隐蔽算法缺陷。提供g a m m a 、l u t 校正和闪光灯控制。灵活的图像分析流程便于自动曝光，自动对焦和自动白平衡。 拥有镜片材质补偿技术( 专利申请) 和高标准像素组合。 ( 5 ) 图像处理引擎。提供专有抗混叠滤色镜彩色插值，灵活的边缘渲染机制和 优秀的降噪技术( 专利申请) 以及满足s r g b 或特定颜色的要求的高精度的色彩校 正矩阵。拥有亮度对比度和色相饱和度调整，特定的颜色控制技术( 专利申请) ， r g b 到y c b c r 色彩空间变换，相同的预览和捕获路径和假色抑制功能。 ( 6 ) 图像操作引擎。包含高质量的数字缩放比例引擎，正逆色彩空间变换和色 度滤波器。 ( 7 ) 图形引擎。包括复制、粘贴以及一些几何操作，例如镜像、翻转和循环等。 此外还提供算术运算，包括加法、减法、逻辑运算和a l p h a 混合。 ( 8 ) j p e g 解码。提供m o t i o nj p e g3 0 f p s v g a 视频剪切回放功能。支持 蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现 i s o i e c1 0 9 1 8 1 基线j p e g 压缩解码。支持a v i 视频文件格式和可交换的图像文 件格式，其图像分辨率可达3 2 m 像素。 ( 9 ) l c d t v 显示。高性能的比例缩放引擎和可编程g a m m a 校正。兼容用于 a u o 、c a s i o 和，r o p p o l y 面板的数字t f tl c d 显示屏接口，也可支持数字c s t nl c d 面板界面。内置t v 编码器和d a c 。支持两种n t s c p a l 制式的t v 复合视频输出， 8 位数字视频i o 端口。支持c c i r 6 0 1 数字视频输入和c c i r 6 0 1 c c i r 6 5 6 数字视频 输出。 ( 1 0 ) 图形屏幕显示。包含8 位o s d 架构，2 5 6 真色和8 层次的透明度。其可编 程的宽度和高度完全符合l c d 分辨率要求。 ( 1 1 ) 硬件音频编解码。集成1 0 位a d c 单声道音频录音，1 6 位d a c 的单声道 音频播放和可编程逻辑噪声门的功能。集成片上前置放大器和片上扬声器驱动。 ( 1 2 ) 定时器。包含8 通道3 2 位定时器和看门狗定时器。 ( 1 3 ) j , b 围接口。支持1 2 c 、u s b 、u p , a t 等接口。兼容u s b l 1 、u s b 2 0 ，最高 数据传输速率为4 8 0 m b p s 。支持可编程3 线串行接口，4 通道1 0 位通用a d c 。内 置灵活的p w m 界面和直流电机控制，电源按钮控制。 ( 1 4 ) 双_ - - 电压供电。1 8 v 内核逻辑电压。2 5 vd d r is d r a m 接口电压。3 3 v i o 接口和模拟电路电压。 微处理器内部的块框图如图3 1 所示： 图3 1 微处理器块框图 综上所述，该微处理器在性能和成本上，都在我们可接受的范围内。因此设 计中选择其作为本系统的微处理器芯片。 硕士学位论文 3 2 系统模块设计 本监测系统主要由存储模块、图像感应模块、g p r s 无线发射模块、温度采集 模块、u s b 电路、t v 接口、l c d 显示设计、电源电路等多个部分组成。 3 2 1 存储模块 由于系统比较复杂，设计时要求根据其中不同的功能需要，体积、功耗限制 以及性价比方面的综合因素，分别采用不同类型的存储器1 9 。本系统使用了三种 存储器，即d d rs d r a m 、f l a s h 和s d 卡三种。d d rs d r a m 用于存贮系统在正常 运行过程中的数据、代码和堆栈等。n o rf l a s h 主要用于存贮系统启动代码和l o g o 等。而n a n df l a s h 用于保存系统内核、文件系统、应用程序等【l0 1 。系统上电时， 处理器将在n o rf l a s h 上直接运行开机启动代码，实现开机过程。系统的正常启动 后，系统将n a n df l a s h 中的程序复制至i j r a m _ l 进行运行【l 。s d 卡在系统设计中主 要用于保存拍摄的图片信息。此外在系统调试阶段s d 卡也可以用于保存n a n d f l a s h 所保存程序信息。 1 d d r 存储器 d d r ( d o u b l ed a t ar a t e ) ，全称为d d rs d r a m ，为双倍速率同步动态随机 存储器。d d r 内存是在s d r a m 内存基础上衍生出来的，沿用的生产体系与 s d r a m 基本相同。 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) ，即同步动态随机 存储器。该存储器具有6 4 位带宽，采用3 3 v - e 作电压。s d r a m 将c p u 和r a m 通 过一个相同的时钟联系在一起，使得c p u 和r a m 共享一个时钟周期，从而使两者 以相同的速度同步工作【1 2 】。所以s d r a m 在每个时钟周期内只传输一次数据，且 都只是在每个时钟周期的上升沿进行数据传输。s d r a m 内部为双存储体结构，由 两个相互交错的存储阵列组成。当c p u 从其中一个存储体或阵列访问数据时，另 外一个存储体或阵列就已经为c p u 一次数据的读写做好了准备，通过内部这两个 存储阵列的紧密切换，s d r a m 数据读取效率就能得到很大的提高。 与s d r a m 不同，d d r 运用了更先进的电路同步技术，使得数据和地址的输 入和输出步骤既相互独立执行，又能保证与c p u 完全同步。d d r 使用了d l l ( d e l a y l o c k e dl o o p ，延时锁定回路) 技术，能够提供一个数据滤波信号。存储控制器可 使用该数据滤波信号来对有效数据进行精确定位，每1 6 次输出一次，并对来自不 同存储器内的数据进行重新同步。更为重要的是，由于d d r 在时钟脉冲信号的上、 下边沿均能读取数据，因此尽管d d r 的实际工作频率和s d r a m - - 样，但是数据 传输的等效频率是工作频率的两倍。这就意味着在不提高时钟频率的情况下，加 倍提高数据传输的速度。 在外形体积方面，d d r 与s d r a m 两者比较相似，他们具有相同的尺寸和管 蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现 脚距离。但d d r 管脚数目为1 8 4 ， = l s d r a m 多了1 6 个，主要添加了新的时钟、 控制、电源等信号。在工作电压方面，d d r 内存采用的是2 5 vs s t l 2 标准电压， 而不是s d r a m 使用的3 3 v 工作电压。 d d r 又称为d d r i ，这是便于与现在p c 所使用的d d r 2s d r a m 相区分。现在 通常情况下我们使用“d d r ”称谓。 本系统的d d r 存储器采用的是韩国h y n i x 公司生产的h y 5 d u 5 6 16 2 2 芯片。该 芯片为1 6 位数据总线，2 5 6 m 数据容量的d d r is d r a m ，适合本设计对高存储密 度和大带宽的要求。其电路原理图如图所示【l3 1 。由于微处理器本身的存储容量太 小，因此大量的数据都是通过外扩的h y 5 d u 5 6 1 6 2 2 存储器进行缓存的。d d r 电 路电路设计如图3 2 所示： 图3 2d d r 电路设计 2 f l a s h 存储器 f l a s h 存储器又称“闪存”，为内存的一种。它结合了r o m 和r a m 各自的优点， 不仅可以快速读取存储数据，还可以进行电可擦除可编程，并且数据不会因为断 电而丢失。由于f l a s h 存储器具有容量大，改写速度快，可整片或扇区在系统编程 等优点，适用于大量数据的存储，因而得到了越来越广泛的使用。近年来，f l a s h 硕士学位论文 开始全面代替传统存储器在嵌入式领域中的地位，用于存储操作系统文件，系统 开机启动程序以及程序代码等。 根据f l a s h 内部门电路类型不同，f l a s h 可分为n a n df l a s h 和n o rf l a s h 两种。 其中n a n df l a s h 内部采用非线性宏单元模式，具有极高的存储单元密度，可以实 现高密度存储，并且写入和擦除数据的速度也比较快，非常满足用户对大量数据 存储的要求。但是n a n df l a s h 使用起来也存在不足，该存储器的运行和管理需要 特殊的系统接口。n o rf l a s h 的优点是可片内执行，即内部装载的应用程序可以直 接在n o rf l a s h 上运行，而不必经过系统外接的r a m l l 0 i t l 4 】。利用该特点，n o rf l a s h 常用来存储系统启动程序和开机l o g o 。但由于n o rf l a s h 写入速率慢，价格也较高。 考虑这些因素，实际设计中往往两者结合使用。 本设计使用了两种类型f l a s h 存储器，即n o rf l a s h 和n a n df l a s h 。根据我们系 统文件比较小的特点，完全可以不用采用传统专用的n o rf l a s h 设计方式，而是充 分利用系统设计中1 6 f 6 8 4 单片机内部的n o rf l a s h ，系统的开机启动程序和开机 l o g o 均存放于此。系统采用的n a n df l a s h 芯片同样也是韩国h y n i x 公司生产的另外 款h y 2 7 u s 0 8 5 6 a 芯片，该芯片为8 位数据总线，2 5 6 m b i t 容量的n a n df l a s h 芯片 l l s 。在系统中主要用于固化系统文件和应用程序。f l a s h 电路设计如图3 3 所示： 图3 3f l a s h 电路设计 3 s d 卡 本监测系统不能及时把拍摄下来的照片传输到用户终端，并且要求对图像信 息进行备份，所以有必要在系统中引入用于保存图像数据的存储器，同时也为了 蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现 便于系统开发和调试。所以我们在系统设计中使用了s d 卡存储器。 s d ( s e c u r ed i g i t a lm e m o r yc a r d ) 卡是一种基于半导体快闪记忆器的存储设 备，由于其良好的结构能保证数字文件传送的安全性，重新格式化也比较容易， 再加上其体积小、记忆容量大、数据传输率高、安全性好，使用灵活的特点。因 此s d 卡被广泛地使用于便携式设备【l 6 1 。 s d 技术是在m u l t i m e d i a 卡( m m c ) 格式基础上发展起来的。在尺寸大小方面， 两者之间相差不大，但s d 卡却具有更大容量的存贮单元。s d 卡能够兼容m m c ， 即m m c 卡可以被s d 设备使用，但s d 卡却没法被m m c 设备使用。 s d 卡有三种可支持的传输模式，即1 、4 位s d 模式和s p i 模式。采用1 位s d 模式时，拥有独立指令和数据通道，以及独有的传输格式；采用4 位s d 模式时， 使用额外的或者某些重新设置的针脚，支持四位的并行数据传递；使用s p i 模式时， 则是独立序列输入和输出。 s d 卡内部为n a n d 型f l a s h 存储器，具有相当大的数据传输率。通常采用s p i 和1 位s d 传输模式的低速卡拥有0 4 0 0 k b p s 的数据传输率；而高速卡在采用s p i 和l 位s d 传输模式时，支持0 2 5 m b p s 的数据传输率；采用4 位s d 传输模式时速 率可达到o 1 0 0 m b p s 。 如图3 4 为s d 卡硬件电路设计图1 1 7 。 虫3 钟w 图3 4s d 卡电路 与此对应，相应的存储器接口部分也包括f l a s h 存储器扩展部分、d d r 控制器 以及s d 卡扩展部分。 3 2 2 图像感应模块 监测系统要求拍摄蜂箱内部的图片，这就要求系统中拥有图像感应的图像传 感器。根据市场上元件基本结构的不同，图像传感器的可分为c c d 和c m o s 型两 硕士学位论文 种【1 8 】。c c d 型传感器由于具有高信噪比、高解析度、线性特性曲线好、感光面积 大、图像失真少、体积和重量小等优点在高像素的数码产品中被广泛使用 1 9 1 。与 c c d 图像感应器相比较，c m o s 图像感应器具有体积小，成本低，耗电小等特点， 但图像效果质量相比较c c d 而言要逊色一点，一般使用在对像素要求不高的场 合。 在本系统中，图像像素达到5 m 的图片就完全符合我们的要求，不必片面追 求过高图像质量，因此我们选择c m o s 图像传感器。其芯片型号为m t 9 p 0 0 1 ，该 芯片具有1 2 位数据传输总线、5 百万像素( 像素阵列为2 5 9 2 h x l 9 4 4 v ) 、高帧率 和低暗电流【2 0 1 。其原理图如图3 5 所示： 图3 5 图像传感器电路 要采集的图像信息经过滤光透镜，被c m o s 图像传感器接收。传感器将图像 信息通过c m o s 数据总线接口传递给微处理器，信息经过微处理器的图像处理引 擎进行图像处理后，保存于s d 卡内。 3 2 3g p r s 无线发射模块 3 2 3 1m 3 3 介绍 在本系统中，g p r s 模块以m m s 形式将图片和温度等信息发送至用户终端， 更确切地说是手机终端设备。是本系统实现远程无人值守式工作的重要组成部分。 系统采用了上海移为通信技术有限公司的m 3 3g p r s 模块。该模块为四频 蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现 g s m g p r s 模块，支持c s 1 、c s 2 、c s 3 和c s 4 四种g p r s 编码方案，具有多时 隙的特征。其工作频率有四种，分别为g s m 8 5 0 m h z ，g s m 9 0 0 m h z ，d c s l 8 0 0 m h z 和p c s l 9 0 0 m h z ，具体的使用频率可通过模块集成的a t 命令进行设置。 m 3 3 是一个b 2 b 连接器型的模块，通过内部的1 0 0 针连接器，可以嵌入用户 自己定制的应用程序，模块综合了m m s 、h t t p 、t c p i p 、s m t p 等多种网络协议， 这些协议让数据的传输变得相对容易，同时扩展的a t 命令也更加方便用户设计开 发。模块具有比较大的上传和下载速度，其最大上传和下载速度为均可达到 8 5 6 k b p s 。 模块具有成本低、系统稳定和体积小的特点，其大小规格为4 0 0 m m x 3 2 2 m m x 6 1 m m 。在功耗方面，由于采用了节能技术