基于微傳感器陣列的蜂巢溫度監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)*

李 想，江朝暉，陸元洲，潘 煒，余林生

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)信息學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230036;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 蜂業(yè)研究所，安徽 合肥230036)

0 引 言

我國(guó)是世界傳統(tǒng)養(yǎng)蜂大國(guó)，蜂群擁有量位居世界第一位［1］。溫度是蜜蜂生命活動(dòng)的重要生態(tài)因子，蜂巢溫度的變化與蜜蜂個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育、蜜蜂群勢(shì)強(qiáng)弱、蜜蜂產(chǎn)卵繁殖等密切相關(guān)［2～4］。人們不斷嘗試新的理論、方法和技術(shù)手段研究蜂巢內(nèi)溫度分布和變化規(guī)律、揭示其恒溫調(diào)控機(jī)理，并取得了部分成果［5］。在蜂巢監(jiān)測(cè)和分析方面，湖南大學(xué)采用ARM9+uITRON 平臺(tái)和無線GPRS 模塊，研制了蜜蜂蜂箱專用數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［6］;云南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的蜂巢溫濕度數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，通過串口接收溫濕度數(shù)據(jù)，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)與分析［7］?？偟膩碚f，這些系統(tǒng)采集點(diǎn)過少很難涵蓋蜂巢整個(gè)立體空間，并且數(shù)據(jù)分析僅僅限于最大值、最小值和均值等，不能直觀反映蜂巢內(nèi)不同位置間的聯(lián)系。

本文采用微型溫度傳感器陣列、無線通信和可視化軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)一種多通道蜂巢溫度監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，集采集、顯示和分析等功能于一體，具有便捷、直觀和實(shí)時(shí)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要分為微型溫濕度傳感器陣列模塊、多通道無線數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析模塊(圖1)。計(jì)算機(jī)通過無線通信模塊發(fā)送指令給遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊收到指令后并控制傳感器陣列模塊采集數(shù)據(jù)，MCU 控制器處理數(shù)據(jù)后，再由無線模塊發(fā)送給遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的處理并實(shí)時(shí)顯示和動(dòng)態(tài)分析蜂巢內(nèi)溫度變化情況。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig 1 Total architecture of system

2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

2.1 傳感器及其部署

蜂巢空間狹小，能利用的空間非常有限，為減小對(duì)蜜蜂正常生活的影響和保證數(shù)據(jù)采集的真實(shí)準(zhǔn)確，所選取的傳感器必須非常微小。本系統(tǒng)選取的是Sensirion 公司推出SHT21 傳感器，是目前世界上最小的數(shù)字溫濕度傳感器之一。蜂巢是一個(gè)空間立體的區(qū)域，單點(diǎn)或簡(jiǎn)單多點(diǎn)采集很難反映蜂巢溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化情況。系統(tǒng)均勻選取了蜂巢空間30 個(gè)點(diǎn)作為蜂巢溫度場(chǎng)代表點(diǎn)，選取蜂巢外一個(gè)點(diǎn)作為環(huán)境溫度代表點(diǎn)。傳感器陣列基本布局是5 行6 列，每行傳感器均勻的分布在矩形平面對(duì)角線上(圖2)。整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置，包括箱體、蜂箱蓋、主控板、固定板、巢脾、外部傳感器和內(nèi)部傳感器陣列［8］。主控板貼合固定板上，外部傳感器和內(nèi)部傳感器陣列垂直與主控板相連(圖3)，多個(gè)巢脾放置于箱體內(nèi)，均勻分割傳感器陣列。

圖2 微傳感器陣列布局Fig 2 Layout of micro-sensor array

圖3 微傳感器陣列實(shí)物圖Fig 3 Physical map of micro-sensor array

2.2 多通道無線采集

系統(tǒng)選用鼎泰克公司RS—232 轉(zhuǎn)Zig Bee 無線通信模塊，采用RS—232 串行通信方式。微傳感器陣列一共擁有31 只微型溫濕度傳感器，每個(gè)傳感器都編有唯一的ID 編號(hào)，其中，1～10 編號(hào)由MCU1 控制，11～21 編號(hào)由MCU2 控制，22～31 編號(hào)由MCU3 控制。每個(gè)MCU 擁有一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)通過無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令后，蜂巢的三個(gè)無線節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到指令。收到指令后，MCU 會(huì)立即采集傳感器溫度濕度數(shù)據(jù)并準(zhǔn)備隨時(shí)發(fā)送，當(dāng)MCU1 通過無線節(jié)點(diǎn)一發(fā)送溫度濕度數(shù)據(jù)后，同時(shí)MCU2 和MCU3 處于等待之中。當(dāng)計(jì)算機(jī)收到數(shù)據(jù)后，向節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功指令，MCU2 接收到成功指令后，MCU2 會(huì)立即發(fā)送準(zhǔn)備好的溫度濕度數(shù)據(jù)，以此類推，直至發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束(圖4)。

圖4 多通道無線采集流程圖Fig 4 Flow chart of multichannel wireless collection

2.3 可視化顯示

系統(tǒng)軟件采用Matlab GUI 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件主要分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)識(shí)別和存儲(chǔ)，每個(gè)傳感器都編有唯一的ID，計(jì)算機(jī)收到數(shù)據(jù)后對(duì)ID 進(jìn)行識(shí)別并加上時(shí)間信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊是蜂巢溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一個(gè)很重要的模塊，當(dāng)無線傳感器采集的溫濕度更新相應(yīng)的Excel 表后，軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新相應(yīng)的數(shù)據(jù)，對(duì)溫濕度實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)采用三維立體化的顯示方式，在系統(tǒng)主界面中，可以直觀地看到30 個(gè)采集點(diǎn)，并且每個(gè)采集點(diǎn)都進(jìn)行了相應(yīng)編號(hào)，與實(shí)物相對(duì)應(yīng)。

3 數(shù)據(jù)分析模塊設(shè)計(jì)

3.1 單通道分析

單通道分析主要包括各個(gè)采集點(diǎn)的均值、方差以及直方圖，均值主要是反映在額定的時(shí)間段內(nèi)溫度場(chǎng)中溫度的分布情況，方差主要是體現(xiàn)額定時(shí)間段內(nèi)各采集點(diǎn)溫度變化幅度，直方圖主要是為了了解一組溫度數(shù)據(jù)的分布特征。

3.2 多通道分析

蜂巢溫度場(chǎng)是個(gè)動(dòng)態(tài)立體空間區(qū)域，單通道數(shù)據(jù)分析很難反映蜂巢內(nèi)整體溫度分布和相互關(guān)聯(lián)情況。為了對(duì)整個(gè)蜂巢系統(tǒng)進(jìn)行立體的分析，系統(tǒng)加入了動(dòng)態(tài)的多通道數(shù)據(jù)分析。

相關(guān)分析(correlation analysis)是研究數(shù)據(jù)之間是否存在某種依存關(guān)系

偏相關(guān)分析(partial correlation analysis)是在消除其他因素影響的基礎(chǔ)上求相關(guān)

其中，ε1和ε2分別為y=αu+βux2+ε1和y=αu+βux2+ε2的殘部。

4 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

選用意大利蜜蜂，在蜂巢中加入足夠的飼料，保證蜜蜂能夠安全地度過低溫環(huán)境。每次實(shí)驗(yàn)從蜂場(chǎng)開始，蜂場(chǎng)數(shù)據(jù)采集完后運(yùn)往低溫冷庫中采集，冷庫采集完后放回蜂場(chǎng)，完成一個(gè)循環(huán)周期，每周期采集10 天左右。經(jīng)過幾個(gè)月的采集，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，得到過了大量的數(shù)據(jù)。部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖5所示，可以直觀看到蜂巢中心位置和其它位置隨環(huán)境溫度變化情況。

對(duì)圖5(a)數(shù)據(jù)進(jìn)行單通道直方圖分析，結(jié)果如圖6 所示，分別呈現(xiàn)了中心點(diǎn)、第30 點(diǎn)、蜂巢外三個(gè)位置的溫度數(shù)據(jù)分布情況。

對(duì)圖5(a)數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道相關(guān)分析，可得到互相關(guān)系數(shù)矩陣和偏相關(guān)系數(shù)矩陣。為了更加形象地反映蜂巢內(nèi)各點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)程度，將互相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了三維立體顯示(圖6)。

通過定量的單通道和多通道分析，初步得出以下結(jié)論:1)在環(huán)境溫度劇烈變化時(shí)，蜂巢中心點(diǎn)溫度波動(dòng)范圍很小，基本保持在35 ℃左右;2)在環(huán)境溫度驟烈變化時(shí)，蜂巢內(nèi)越靠近邊緣的位置，其溫度變化越明顯，但最終會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定值;3)蜂巢中心點(diǎn)的周圍、蜂巢邊緣位置間的相關(guān)性較大。

圖5 實(shí)驗(yàn)采集的蜂巢溫度原始數(shù)據(jù)Fig 5 Original data of beehive temperature acquired in experiment

圖6 單通道直方圖分析Fig 6 Histogram analysis of single channel

5 結(jié)束語

本文采用SHT21 微型溫濕度傳感器和Zig Bee 無線通信技術(shù)，實(shí)時(shí)采集蜂箱內(nèi)立體均勻分布的30 點(diǎn)溫度和箱外環(huán)境溫度，應(yīng)用Matlab GUI 構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)接收、可視化顯示和動(dòng)態(tài)分析軟件。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，系統(tǒng)性能良好，單通道和多通道分析表明:蜂群為適應(yīng)溫度變化自主地通過抱團(tuán)聚集來保持中心溫度相對(duì)穩(wěn)定，且溫度分布情況與位置具有較大關(guān)聯(lián)性，當(dāng)環(huán)境溫度劇烈變化時(shí)，蜂巢中心溫度為34.8℃左右，而邊緣溫度變化極大。本系統(tǒng)能精確獲取蜂巢內(nèi)溫度分布及其變化規(guī)律，有助于揭示蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)理，對(duì)蜂學(xué)研究和蜜蜂養(yǎng)殖具有重要意義。

圖7 空間位置—相關(guān)系數(shù)圖Fig 7 Image of spatial position vs correlation coefficient

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