蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)理檢測(cè)裝置的研究

付月生，潘煒，余林生，汪天澍

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，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2300362.）

蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)理檢測(cè)裝置的研究

付月生1，潘煒1，余林生2，汪天澍2

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，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2300362.）

為了研究蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種能夠在蜂群處于原生態(tài)環(huán)境下進(jìn)行溫濕度測(cè)量的裝置。該系統(tǒng)根據(jù)巢脾擺放特點(diǎn)，按蜂巢空間對(duì)稱原則放置溫濕度傳感器。上位計(jì)算機(jī)控制下位單片機(jī)何時(shí)采集，單片機(jī)采集溫濕度傳感器信號(hào)經(jīng)處理后輸出并通過無線發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，無線接收模塊接收數(shù)據(jù)并傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示溫濕度和相應(yīng)時(shí)間并保存。實(shí)際應(yīng)用表明：系統(tǒng)使用方便，數(shù)據(jù)傳輸可靠，所測(cè)數(shù)據(jù)符合蜜蜂生物學(xué)特點(diǎn)，為后續(xù)進(jìn)一步研究蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。

蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)理；原生態(tài)環(huán)境；傳感器陣列；無線傳輸

溫度是氣候因素中對(duì)蜜蜂生命活動(dòng)影響最大的因素［1］，而蜜蜂對(duì)蜂巢內(nèi)溫度具有調(diào)節(jié)能力，在寒冷季節(jié),蜜蜂緊縮總體呈橢球狀分布,在溫暖季節(jié),蜜蜂散開在各張巢脾上呈近乎均勻分布。尤其在其繁殖后代的時(shí)候，蜂巢內(nèi)基本維持在最適宜蜂卵孵化的溫度。濕度對(duì)蜜蜂胚胎期、配后期發(fā)育以及對(duì)蜂巢內(nèi)的溫度皆有一定的影響，［2］進(jìn)而全面、準(zhǔn)確、有效地采集蜂箱內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)對(duì)于研究蜂巢的恒溫調(diào)控機(jī)理具有重要意義。

對(duì)于蜂巢內(nèi)部溫濕度檢測(cè)方法，國(guó)內(nèi)有檢測(cè)蜂巢內(nèi)的溫濕度技術(shù)，存在如下缺陷：1）探頭體積過大，不利于安裝；2）一個(gè)點(diǎn)或幾個(gè)點(diǎn)不能代表蜂巢內(nèi)部溫濕度空間變化；3）太大的體積改變了蜂巢原生態(tài)環(huán)境，測(cè)得結(jié)果不能正確反映實(shí)際蜂群生態(tài)情況。本系統(tǒng)主要用于研究蜂巢恒溫機(jī)制實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)確保了蜜蜂生長(zhǎng)處于原生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了能同時(shí)檢測(cè)記錄蜂巢內(nèi)30個(gè)所需監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及1個(gè)外部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度信息及相應(yīng)時(shí)間。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)溫濕度傳感器陣列由10個(gè)高精度微型溫濕度傳感器SHT21組成，采集的溫濕度信號(hào)經(jīng)SHT21轉(zhuǎn)換成為脈沖信號(hào)，直接送入STC12C5A60S2單片機(jī)中，單片機(jī)作為下位機(jī)的控制核心，接收上位機(jī)發(fā)來的命令信號(hào)，控制傳感器陣列及外部傳感器采集蜂箱內(nèi)外溫濕度數(shù)據(jù)，采集的結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)傳送模塊以無線通信方式或有線通信方式傳送至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)的顯示在相應(yīng)的窗口，并可將測(cè)量結(jié)果與測(cè)量時(shí)間一起保存在計(jì)算機(jī)中。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度傳感器

系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)蜂箱內(nèi)30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫濕度信息采集，由于蜂箱內(nèi)部空間有限且基本維持在一個(gè)恒定溫度，就需要選擇一款微型、高精度溫濕度傳感器，本系統(tǒng)選取尺寸超小的數(shù)字溫度和濕度傳感器SHT21作為測(cè)量溫濕度部件。

SHT21是Sensirion公司推出的一款尺寸超小的數(shù)字濕度和溫度傳感器，［3］尺寸只有3×3 mm，高度為1.1mm，采用DFN3-0封裝方式，經(jīng)過完全標(biāo)定，提供I2C數(shù)字接口，數(shù)字通信可大大降低功耗，正常工作狀態(tài)，功耗可在3 μW以內(nèi)，傳感器典型相對(duì)濕度精度±2%（20%～80%），溫度精度±0.3℃（25～42℃）。傳感器引腳包括供電電壓VDD、地線VSS、串行數(shù)據(jù)SDA、串行時(shí)鐘SCL 4個(gè)引腳，使用時(shí)需將VDD與VSS之間接一個(gè)去耦電容，控制器與SDA、SCL之間接上拉電阻，以保證控制器驅(qū)動(dòng)SDA和SCL在低電平。傳感器內(nèi)部設(shè)置的分辨率為相對(duì)濕度12位，溫度14位，SDA輸出數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包，輸出相對(duì)濕度信號(hào)SRH和溫度信號(hào)ST。由SRH、ST即可通過式（1）～（2）計(jì)算出相對(duì)濕度RH（%）和溫度T（℃）。

2.2 溫濕度傳感器陣列

為研究蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)制，要求在蜂群原生態(tài)環(huán)境下檢測(cè)蜂箱內(nèi)所需監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度信息。結(jié)合蜂箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用空間及平面對(duì)稱設(shè)計(jì)將傳感器懸吊于蜂箱內(nèi)巢脾與巢脾的間隙中，2個(gè)縫隙中的10個(gè)高精度微型溫濕度傳感器SHT21組成一個(gè)溫濕度傳感器陣列，由STC12C5A60S2單片機(jī)控制。

傳感器典型電路如圖2所示。設(shè)計(jì)將傳感器懸吊于蜂箱脾與脾之間的縫隙中，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)用傳感器的典型電路引出VDD，SDA，VSS，SCL這4根線連接至主控制器。為方便電路設(shè)計(jì)，分別用標(biāo)號(hào)1，2，3，4對(duì)應(yīng)VDD，SDA，VSS，SCL。

圖2 傳感器典型電路

由于STC12C5A60S2單片機(jī)不具備串行12C總線接口，故使用通用I/O口線來虛擬串行12C總線，但單片機(jī)各引腳之間存在微小的干擾，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得P0.0與P0.1、P0.2與P0.3、P0.4與P0.5、P0.6與P0.7、P1.2與P1.3、P1.4與P1.5、P1.6與P1.7、P2.0與P2.1、P3.4與P3.5、P3,6與P3.7之間互不干擾，一組傳感器陣列與單片機(jī)的硬件電路如圖3所示。

圖3 一組傳感器陣列與單片機(jī)接口連接電路

2.3 通信接口

本采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有線通信方式和無線通信方式傳送下位機(jī)采集的溫濕度數(shù)據(jù)。有線通信方式使用標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，該接口是單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行通信最常用的一種接口，但串口不能直接與單片機(jī)相連，需要選用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，其線路連接簡(jiǎn)單，傳輸電纜最長(zhǎng)約為15m［4］。無線通信方式選擇DTK2617A—Zigbee無線模塊，需將波特率、模塊節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行設(shè)置，本系統(tǒng)設(shè)置1個(gè)Coordination類型和3個(gè)Router類型，Coordination與PC機(jī)相連，Router與單片機(jī)相連。其接口電路與有線通信方式相同，采用三線制法，即接收數(shù)據(jù)引腳RXD與發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TXD相連，彼此交叉，形成交叉線，接口電路如圖4所示。

圖4 接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件編程

下位機(jī)由STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，主程序中主要包括讀取溫度子程序、讀取濕度子程序、串口發(fā)送與接收子程序。整體程序流程圖如圖5所示，讀取溫度子程序、讀取濕度子程序分別用來讀取SHT21采集的蜂箱溫濕度，串口發(fā)送與接收子程序用來接收上位機(jī)的命令信號(hào)，如接收到命令，則單片機(jī)控制傳感器采集溫濕度并將采集到的溫濕度信息傳送至上位機(jī)處理顯示，若沒接收到上位機(jī)的命令信號(hào)則繼續(xù)等待上位機(jī)命令。3個(gè)單片機(jī)的程序流程相同，區(qū)別在于向計(jì)算機(jī)傳送采集數(shù)據(jù)的時(shí)間不同，利用軟件延時(shí)，順序傳輸。

圖5 下位機(jī)程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件編程

上位機(jī)采用Visual C++編寫程序，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與多單片機(jī)之間的串行通信。［5］通過選擇不同采集方式獲取蜂箱內(nèi)部和外部溫濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)通信方式設(shè)置波特率，有線通信方式為9600 b·s-1，無線通信方式為38400 b·s-1，串口號(hào)根據(jù)實(shí)際使用的串口設(shè)定。在軟件界面上可以選擇定時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)以及即時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)2種方式，不同時(shí)間采集的溫濕度數(shù)據(jù)顯示在對(duì)應(yīng)的窗口上，便于比較同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間的差異，也可比較同一時(shí)間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度大小。30個(gè)內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及1個(gè)外部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)全部可以實(shí)時(shí)顯示并與采集時(shí)間存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，方便對(duì)蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)制的研究。

4 實(shí)際應(yīng)用

將蜂巢溫濕度檢測(cè)裝置放入實(shí)驗(yàn)蜂箱中進(jìn)行實(shí)際操作，蜂箱內(nèi)放置9片巢脾，結(jié)果如表1所示，測(cè)試地點(diǎn)為安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科技樓地下室冷凍庫(kù)，測(cè)試時(shí)間為2014-09-14T17∶09。

通過測(cè)試所得數(shù)據(jù)，可以直觀的看出蜂箱內(nèi)部溫度明顯高于外部溫度。蜂箱內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)滿足以下規(guī)律：1）在巢框平面上，溫度由巢框中心向左右兩邊逐漸遞減，例如溫度從表中第3（C）點(diǎn)分別向第1（A）點(diǎn)、第5（E）點(diǎn)遞減；2）在蜂箱空間結(jié)構(gòu)上，蜂箱內(nèi)部中間間隙的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度高于同一位置處于邊緣間隙的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度，例如表中第18（C）點(diǎn)溫度高于第3（C）點(diǎn)、第28（C）點(diǎn)溫度。以上結(jié)論符合蜜蜂在寒冷季節(jié)呈橢球形分布狀況。

表1 實(shí)際采集溫濕度數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)制不僅是蜂學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，而且對(duì)人類認(rèn)知、環(huán)境改造具有重要的借鑒價(jià)值。本采集系統(tǒng)準(zhǔn)確、有效、全面地采集了蜂箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，將蜂箱內(nèi)的溫濕度與蜂箱外的溫濕度進(jìn)行對(duì)比，直觀地顯示蜂巢的恒溫現(xiàn)象。本系統(tǒng)對(duì)采集的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存，為后續(xù)研究蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)制提供了有力的理論依據(jù)，具有重要的意義。

［1］曹義鋒，余林生，畢守東，丁建.溫度對(duì)蜜蜂影響的研究進(jìn)展［J］.蜜蜂雜志，2007（4）：13-15.

［2］楊令中.外界因素對(duì)蜜蜂發(fā)育的影響［J］.中國(guó)養(yǎng)蜂，1980（1）：20-21.

［3］SHT21數(shù)字濕度和溫度傳感器［J］.傳感器世界，2010（5）：46.

［4］馮賓.基于單片機(jī)的蜂巢溫濕度采集系統(tǒng)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009（5）：139-141.

［5］陸建華.PC機(jī)與多單片機(jī)的串行通信［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010（1）：35-38.

Research on Detection Device of Hive Thermostatic Regulatory Mechanism

Fu Yuesheng1,Pan Wei1,Yu Linsheng2,Wang Tianshu2
（1.School of Information and Computer，Anhui Agriculture University，Hefei 230036，China；2.Institute of Bee Research，Anhui Agriculture University，Hefei 230036，China）

In order to study the hive constant temperature regulatory mechanism,a measuring temperature and humidity device was designed in a way to be in the colony under the original ecological environment.Based on the characteristics of the honeycomb position,the temperature and humidity sensors were placed by the hive space symmetry principle.The microcontroller was controlled by the host computer to collect the temperature and humidity sensor signals,and the processed data were transmitted through wireless module and received via wireless transmission module,and then transmitted to the computer.The real-time data of temperature and humidity and the corresponding time were displayed by the computer and saved.The practical application shows that the system is easy to use,reliable to transmit data.The measured data are consistent with the biological characteristics of bees.It provides data for supporting subsequent studies of hives thermostat regulatory mechanism.

hive thermostatic regulatory mechanisms；environment of original ecological；sensor array; wireless transmission

TP272

B

1008-5483（2015）01-0060-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2015.01.013

2014-10-16

付月生（1989-），男，碩士生，主要從事計(jì)算機(jī)控制與應(yīng)用研究。E-mail：812198079@qq.com

潘煒（1959-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電子線路設(shè)計(jì)、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制與應(yīng)用研究。E-mail：panwei@ahau.edu.cn