基于图像传感器和无线传感网络的粮虫监测*

杨培凯，石 雄，李 林

（武汉轻工大学电气与电子工程学院，武汉 430023）

1 引言

粮食储藏过程中对粮食虫害的防治首先是发现虫害，然后需要判断害虫的种类、数量，再决定采取何种应对措施。这一过程中的监测与其他单一物理量的监测相比更加复杂，因为对害虫的识别、分类的主要依据是害虫的外形、颜色等信息，换句话说人们依据所看到的害虫实体或者其图像信息才能比较准确地进行判断[1]，可见粮食虫害监测中使用图像传感技术具有直观方便、信息量丰富的现实意义。

本文以CMOS图像传感器构成的微型摄像头为核心，以集成无线传输模块的系统级单片机为控制中心组成无线传输的网络节点，节点内配有粮虫诱捕装置、照明用的LED、锂电池及其充电管理模块等。使用中，该网络节点根据需要放置到散装粮库的规定位置或者容易发生虫害、需要加强监测的位置，通常是埋入在散装粮食中的数米深处。网络节点中LED的光线和诱捕装置内的诱捕剂吸引粮虫进入摄像头的拍摄区域，摄像头定期自动拍摄或根据网络控制中心的指令进行拍摄，所获取的图像通过无线传输的方式传送到转发节点并最终传送到作为网络控制中心的计算机上，计算机再根据需要进行显示和后续的处理，从而实现对散装粮食内部粮虫信息的采集和监测。

2 系统结构与工作原理

粮库通常有若干个仓房，每个仓房可存储数十或数百吨散装粮食，根据《粮油储藏技术规范》的规定，对于现代粮仓进行粮虫监测的方法，一般来说，既要兼顾总体也要考虑局部情况。比如常见的平房仓，通常在粮仓的4个角落以及各个墙面距离1 m处设置监控点，来进行粮虫的监测。同时，对于粮仓中地理位置、空气湿度等有助于粮虫繁衍的区域要采用增加监控节点的方法，达到对虫害总体的监控。同时考虑到粮库库房建筑的遮挡和网络节点的电池容量有限，在每个库房设置一个转发节点，通过转发点进行信息转发，图1所示即为整个粮虫监控网络的结构示意图。

图1 粮虫监测网络总体布局框图

整个粮虫监测系统由3部分组成，分别是埋入各个粮仓中的无线图像采集节点，分布在粮仓外部或者附近区域的无线转发节点，以及在办公室中的监控计算机[2]。当需要进行粮虫情况采集时，计算机发出监控信号传输到各个转发节点，转发节点收到信息以后，将监控指令转发到各个监控节点。监控节点启动摄像头，将拍摄到的图片通过无线传输的方式发送到转发节点，再由转发节点传回到计算机[3]。

转发节点和计算机之间的信息传输可以选择网络传输、串口传输等各种形式，有线、无线也可以根据粮库的规模、布局确定。整个传输网络中的计算机既要负责发送所有控制指令，同时也要完成所有监控节点的图像收集并保存到电脑中。考虑到一般粮库的粮仓数量有限且每个粮仓内的网络节点一般最多不超过十个，也就是网络节点数量并不是很大，同时拍照取样的时间间隔较长，有足够的时间进行图像数据的传输，所以在网络传输过程中选择轮询的工作模式。

整个监控系统完成之后，先对各个节点编号为1、2、3等号码，计算机首先对1号监控点发出监控指令，该节点收到指令后，进行图像采集，并将采集到的图像传回到该计算机，计算机收到图像后进行处理并保存。计算机在收到当前网络节点的粮虫图像数据后再询问下一节点。监控中心可对位于不同位置的粮虫监测节点设置不同的查询次数，粮虫发生率高的区域的网络节点可设置更短周期的查询次数，其他位置节点可以进行正常周期查询，以达到监测目的。

网络节点中设有时钟日历芯片，系统也可以给每个网络节点设定拍摄时间自动拍摄并上传，当然在时间安排上必须避免两个或两个以上的节点同时传输导致无线传输信道上的冲突[4]。

3 图像采集节点的设计

3.1 图像采集节点的结构

粮仓中发现粮虫时大都采用熏蒸等方法除虫，而选用的熏蒸药剂一般是剧毒且有腐蚀性的化学药剂，采用有线方式布设的监测系统的布线极易被腐蚀而导致系统失效，选用无线传感网络则避免了这一问题，但同时要求网络的节点必须具备抗腐蚀的能力，因此网络节点的外壳必须严格密封并采用耐腐蚀的塑料材料。

图像采集节点的外型设计成球形，直径约40 mm，大致与乒乓球一样大小。外壳可以整体选用透明材料也可只在进行粮虫拍摄的半球使用透明材料。拍摄区有便于粮虫进入壳体内聚焦区的小孔，在该半球内部相应地增加了一层透明的密封层以保护摄像头、LED和印刷电路板等电子器件不被腐蚀。节点的结构如图2所示。

图2 图像采集节点结构图

3.2 图像采集节点的电路组成

图像采集节点的电路包括CMOS摄像头、缓冲存储器、集成射频收发功能的单片机、锂电池、无线充电电路、LED照明电路等部分。电路的组成框图如图3所示。

图3 图像采集节点电路组成框图

CMOS传感器目前普遍应用于各种智能电子产品上，本文所选的CMOS图像传感器组成的微型摄像头有足够小的体积和功耗，而且输出的图像数据可以有多种格式进行选择，分辨率也较高。在网络节点中考虑成本时，可以选用OV9655等像素相对低一些的低成本摄像头，当然，如果对像素或清晰度等有更高的要求，OV5640摄像头是更好的选择。OV9655或者OV5640摄像头均具有自动对焦功能，经过安装特别计算倍率的镜头便可以通过微距拍摄出清晰的照片。摄像头所拍摄的图片信息经缓冲存储器送至单片机，再通过单片机内部集成的无线传输模块以无线传输方式向外发送到主节点。

OV9655图像传感器芯片是使用比较广泛的130W像素摄像头芯片，该芯片加上镜头后可以拍摄最高分辨率达1280×1024像素的图像，图像输出格式 有 YUV/YCbCr、GRB、GRB565、GRB555和 Raw GRB格式。OV系列的CMOS图像传感芯片不仅体积小巧而且内部集成了多种控制器，其核心任务是输出连续的图像序列，执行拍照时需按要求单独编写实现拍照功能的控制程序。通过计算可以得出，130W像素的摄像头最大拍摄相片大小为1.3 MB左右，而500W摄像头最大拍摄照片大小约为5 MB左右，根据数据手册，当这些图像以20 bps的速率进行传输时，一副图片传输需要数百秒的时间。但是粮虫的繁殖发育相对是一个比较长的时间过程，因此《粮油储藏技术规范》中要求每月只需要进行一至两次采样，对时效性没有强制要求。以OV5640摄像头为例，控制其实现拍照功能的程序流程图如图4所示。

图4 OV5640拍照程序框图

节点为了防腐蚀必须密封，不仅所使用的电池因此无法更换，而且也无法设置充电插座，所以可以在节点中集成无线充电模块，当需要对节点进行充电时，先将节点进行回收，然后将节点放在具有无线充电功能的充电板上，便可实现无线充电。其充电原理与电动牙刷的充电方式类似。当然粮虫图像检测网络节点也必须使用休眠机制等策略实现低功耗，以尽可能地延长使用周期。

粮虫监控节点处于粮堆内部，因此整个区域处于黑暗的状态，由图像采集节点结构图可以看到，节点内部内置了2颗高亮LED灯，这两颗LED灯由摄像头感光芯片的闪光点控制线进行控制。当拍照时，LED灯便会打开，提供光源。在图像采集节点的内壁上有很多开孔并涂有诱捕剂，该设计仿照了传统粮虫诱捕器的设计，可以吸引粮虫进入监控区域。

4 转发节点的设计

转发节点是计算机与各个节点之间连接的桥梁，转发节点负责指令与数据的转发。转发节点接收到的图像数据暂存在扩展存储器中，转发节点与计算机之间的信息传输可以根据粮库的库区分布情况选择有线（或无线）的串口通信、网络通信等方式实现。

转发节点选用与网络节点同样的Si1060无线单片机作为控制器[5]，只需在外围搭建简单的电路即可通过指令控制实现无线收发的功能，能够很方便地与网络节点的Si1060实现无线通信。转发节点电路组成框图如图5所示。

图5 转发节点电路组成框图

5 系统电路设计

Si1060是一种新型的集成射频功能的微控制器，它负责将CMOS图像传感器OV5640采集的图像经过处理之后通过无线天线发射出来[6]。因此，无线通讯是本次设计着重需要解决的问题。如图6所示为Si1060及其外围接口电路图。

图6 Si1060及其外围接口电路图

本次设计的目的是采集摄像头OV5640的图像并进行传输，图7为OV5640摄像头与Si1060的接口电路。

图7 OV5640摄像头接口电路

6 结论

将CMOS图像传感器OV5640等摄像头应用到无线传感网络中[7]，具有非常高的实用价值。这种埋入粮食中的无线粮虫监控网络可直观地通过实时图像掌握粮库内储粮中的粮虫情况，为粮食害虫防治提供科学准确的数据依据，降低粮食储存过程中因虫害而导致的损耗。采用无线图像传输的方式对粮仓的粮情进行监测，在农业领域有着广阔的发展前景，整个系统目前还有很多需要改进的地方，上位机部分还需要进行设计改进，因此还有很长的路要走。

[1] 阮有志，马岩. 粮情测控技术[M]. 沈阳：辽宁大学出版社，2011.

[2] 李国栋，王聃. 基于无线传感网络的空气质量监测系统研究[J]. 黑龙江科技信息，2015，7.

[3] 阮征. 计算机网络可靠性提升方式分析[J]. 计算机与网络，2014，15.

[4] 吴苗苗，沈世斌，王亮，李昊洋. 基于CMOS摄像头的直立循迹智能车系统设计[J]. 自动化技术与应用，2014，7.

[5] 黄晓亮，徐晓辉，宋军华，等. 智能家居系统中无线传感器网络的设计[J]. 电子设计工程，2011，(04): 35.

[6] 刘昊，冯海林. 一种无线传感网络数据可靠性传输策略[C].中国运筹学会可靠性分会第九届可靠性学术会议，2013.

[7] 吴楠，庄荣荣. 粮食储藏技术管理[J]. 新农村(黑龙江)，2014，10.