蜂巢溫度全覆蓋采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閆宇，潘煒*，江朝暉，齊磊，余林生

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院；b.蜂業(yè)研究所，安徽 合肥 230036）

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蜂巢溫度全覆蓋采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閆宇a，潘煒a*，江朝暉a，齊磊b，余林生b

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院；b.蜂業(yè)研究所，安徽 合肥 230036）

為探索蜂巢內(nèi)溫度變化以及蜂巢恒溫調(diào)控機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種蜂巢溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由溫度采集電路、嵌入式微處理器、Zigbee無(wú)線模塊及上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端組成，其中溫度傳感器采集電路安放于2巢礎(chǔ)間，微處理器及傳輸電路置于蜂箱外。采集電路以負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻作為溫度傳感器，微處理器控制多路切換開關(guān)、AD轉(zhuǎn)換器，采用陣列式結(jié)構(gòu)對(duì)巢脾各蜂房溫度進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)、采集，采用Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，利用C語(yǔ)言基于Visual Studio軟件平臺(tái)開發(fā)監(jiān)測(cè)終端軟件。試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)在自然環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定，105 s內(nèi)可獲取蜂巢單張巢脾2 880個(gè)蜂房溫度數(shù)據(jù)，覆蓋巢脾90%區(qū)域，獲取溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度值誤差小于0.5 ℃。

蜂巢；蜂房；溫度采集系統(tǒng)

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中國(guó)飼養(yǎng)的蜜蜂蜂種以意大利蜜蜂（意蜂）和中華蜜蜂（中蜂）為主，意蜂飼養(yǎng)占主導(dǎo)位置［1］。溫度是影響蜜蜂發(fā)育的最重要生態(tài)因子之一，與蜜蜂的生長(zhǎng)發(fā)育、行為活動(dòng)、生理代謝、蜜蜂群勢(shì)增長(zhǎng)密切相關(guān)［2-5］。掌握蜂群溫度變化規(guī)律對(duì)研究蜜蜂種群動(dòng)態(tài)，群體多樣性，蜜蜂發(fā)育與生殖行為，豐富昆蟲發(fā)育生物學(xué)和蜜蜂生態(tài)學(xué)具有重要意義，對(duì)科學(xué)養(yǎng)蜂、提高蜂產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量具有指導(dǎo)作用。

方文富等［6］將19支精密溫度計(jì)安裝于打孔改裝的副蓋上，測(cè)量蜂群內(nèi)脾間蜂路中心和箱內(nèi)空處溫度值；Becher等［7］利用NTC傳感器，通過傳感器技術(shù)與電子技術(shù)設(shè)計(jì)巢溫測(cè)量裝置，采用16×16傳感器電路獲取256點(diǎn)溫度，3個(gè)子塊電路共獲取巢脾中心768點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)；譚慶忠［8］提出蜂箱專用數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用熱敏電阻和圖像傳感器獲取蜂箱內(nèi)箱壁處溫度數(shù)據(jù)及圖像信息；郭東生等［9］、楊冠煌等［10］采用電子測(cè)試儀和多路溫度測(cè)試儀固定于子脾區(qū)、無(wú)子脾區(qū)和隔板外進(jìn)行溫度測(cè)量研究；付月生等［11］用SHT21溫濕度傳感器按照蜂巢空間對(duì)稱原則安放30個(gè)傳感器探頭，獲取整箱30點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)。以上蜂巢測(cè)溫系統(tǒng)主要采用溫度計(jì)、電子測(cè)試儀以及傳感器技術(shù)測(cè)量方法，存在幾點(diǎn)不足：一是采樣獲取蜂箱內(nèi)巢溫?cái)?shù)據(jù)受采樣點(diǎn)、采樣位置的影響較大，測(cè)量區(qū)域有限；二是儀器探頭需占據(jù)一定空間，會(huì)影響蜜蜂活動(dòng)空間，蜜蜂會(huì)聚集探頭處形成蜂團(tuán)，試圖將溫度探頭清理出箱外，從而導(dǎo)致所測(cè)溫度偏高，測(cè)量不準(zhǔn)［8］；三是蜜蜂產(chǎn)卵、發(fā)育、生長(zhǎng)、封蓋子等溫度數(shù)據(jù)受蜜蜂生長(zhǎng)發(fā)育特殊環(huán)境影響，數(shù)據(jù)難以獲取。

筆者在文獻(xiàn)［7］和前期研究成果［12-13］基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套蜂巢溫度采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以意蜂巢礎(chǔ)為研究對(duì)象（意蜂與中蜂巢礎(chǔ)大小存在差異），采用NTC熱敏電阻傳感器作為測(cè)溫裝置，以嵌入式微處理器STM32為核心，設(shè)計(jì)了陣列式結(jié)構(gòu)溫度采集電路、微處理器控制電路及監(jiān)測(cè)終端軟件。系統(tǒng)在自然環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

圖1　蜂巢巢溫采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Temperature acquisition system for the hive

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蜜蜂巢溫采集系統(tǒng)由4個(gè)部分組成：溫度采集電路、微處理器系統(tǒng)、無(wú)線通信傳輸以及上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端，如圖1所示。PC機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)終端軟件，設(shè)置采集方式、采集時(shí)間后，監(jiān)測(cè)終端通過與PC機(jī)相連的Zigbee（主機(jī)）模塊間斷定時(shí)發(fā)出采集指令。試驗(yàn)場(chǎng)蜂箱外采集控制盒中的微處理器通過Zigbee（從機(jī)）接收到采集指令后，控制試驗(yàn)巢礎(chǔ)框中電路進(jìn)行溫度采集、AD轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器處理后由Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端，監(jiān)測(cè)終端對(duì)接收數(shù)據(jù)附加時(shí)間信息后以txt文檔形式存儲(chǔ)在電腦中。系統(tǒng)采用電纜連接，室內(nèi)市電電纜加裝漏電保護(hù)開關(guān)后連接至箱外控制盒，經(jīng)電源適配器轉(zhuǎn)換，為整個(gè)系統(tǒng)供電。

試驗(yàn)巢礎(chǔ)框是將制作的與巢礎(chǔ)大小相同的試驗(yàn)電路板夾在2巢礎(chǔ)之間，電路板一面布有NTC傳感器與巢房一一對(duì)應(yīng)，另一面布二極管、AD芯片、多路選擇器等器件。PCB板絲印層六邊形與巢礎(chǔ)六邊形吻合，NTC探頭彎曲放置使其緊貼巢礎(chǔ)，以此測(cè)量蜂房溫度。

2　系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1控制電路

巢溫采集系統(tǒng)控制電路安裝于蜂箱外控制盒中 ， 其 中 包 括 STMicroelectronics公 司 的STM32F103ZET6微處理器最小系統(tǒng)、電平轉(zhuǎn)換Max3232電路、繼電器控制電路、參考溫度采集DS18B20電路、直流電源適配器等。芯片STM32F103ZET6是一款32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能、低功耗、低成本微處理器，工作頻率為72 MHz，具有多路GPIO接口，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)IO口的需求。采用電平轉(zhuǎn)換Max3232電路連接DTK Electronics公司的RS232轉(zhuǎn)Zigbee無(wú)線模塊［11，14］（可視、開闊傳輸距離1 600 m），實(shí)現(xiàn)5～25 m數(shù)據(jù)傳輸需要。系統(tǒng)供電采用直流電源適配器，將AC220V轉(zhuǎn)換為DC9V，為采集電路板供電，Zigbee模塊、微處理器系統(tǒng)使用電壓轉(zhuǎn)換芯片為其供電。

2.2溫度采集電路

為獲取蜂巢全覆蓋溫度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了陣列式溫度采集電路，即采用少量集成電路，制作長(zhǎng)42 cm、寬21 cm、厚2 mm的溫度采集電路板。電路板安放于2巢礎(chǔ)之間，因而對(duì)蜜蜂脾間活動(dòng)、生存空間無(wú)影響。

溫度采集傳感器采用日本芝浦NTC熱敏電阻PX3-42H-1%，40行72列傳感器構(gòu)成2 880個(gè)溫度采樣點(diǎn)，布于PCB雙面板的一面與巢房對(duì)應(yīng)；另一面放置2 880個(gè)二極管1N4448，4片AD芯片TLC2543，18片模擬復(fù)用多路器芯片Max4617以及9 V轉(zhuǎn)5 V低壓線性穩(wěn)壓器芯片LM1117-5.0等。試驗(yàn)巢礎(chǔ)框采集板電路通過端子排I/O接口與微處理器I/O接口相連，采集電路運(yùn)用點(diǎn)陣原理［15］，設(shè)計(jì)如圖2所示試驗(yàn)巢礎(chǔ)框電路。

采集電路原理：NTC與二極管1N4448串聯(lián)，一路導(dǎo)通時(shí)，將4.7 k?電阻對(duì)應(yīng)通路壓降作為ADC輸入量，其他線路由于二極管正向?qū)ǚ聪蚪刂棺饔枚ゲ挥绊?。采集時(shí)，控制盒中繼電器動(dòng)作，采集板中9 V電源接通并轉(zhuǎn)換為5 V供電，八選一芯片U0～U17依次使能工作，同時(shí)單個(gè)器件八路通道X0～X7依次導(dǎo)通，從而使ADC芯片采集轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù)。例如：U0使能，U0的X1路導(dǎo)通，芯片ADC0 與ADC1獲取第0列0～19行數(shù)據(jù)；U0的X2路導(dǎo)通芯片ADC2與ADC3獲取第0列20～39行數(shù)據(jù)，采用相同辦法依次獲取其他列數(shù)據(jù)。

圖2　NTC傳感器陣列電路Fig.2 The circuit of NTC sensors in an array

3　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含下位機(jī)程序軟件的設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端軟件的設(shè)計(jì)。

3.1下位機(jī)程序

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)即微處理器運(yùn)行程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通電以后，微處理器對(duì)時(shí)鐘、GPIO口、串口進(jìn)行初始化，當(dāng)微處理器通過從機(jī)Zigbee接收到上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端發(fā)來(lái)的采集指令后，控制采集板供電繼電器閉合，調(diào)用NTC陣列AD采集程序采集溫度數(shù)據(jù)，采集完成，控制繼電器斷開，調(diào)用DS18B20外界溫度采集程序，采集結(jié)束，等待下一個(gè)采集指令。

3.2上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端

上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端軟件在Visual Studio 2012軟件平臺(tái)上開發(fā)，采用C#語(yǔ)言編寫。實(shí)現(xiàn)功能包括串口號(hào)、波特率、發(fā)送/接收方式、采集指令發(fā)送時(shí)間間隔選擇以及接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。軟件界面如圖3所示。

圖3　上位機(jī)程序界面Fig. 3 Program interface of supervision computer

4　系統(tǒng)運(yùn)行與結(jié)果

4.1試驗(yàn)測(cè)試

2015年8月4日至11月2日，在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)蜂業(yè)研究所試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行2次試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)之前采用精密溫度計(jì)（0～50 ℃，精度0.1 ）℃對(duì)溫度采集電路板在15～40 ℃進(jìn)行校準(zhǔn)，使溫度采集傳感器測(cè)量溫度與實(shí)際溫度誤差小于0.5 ℃。經(jīng)測(cè)試，采集傳感器緊貼巢礎(chǔ)背面菱形位置，蜂巢內(nèi)脾間蜂路、巢脾間隙濕度變化對(duì)測(cè)溫傳感器影響較小。

意蜂巢礎(chǔ)單張有效測(cè)試點(diǎn)約為3 200點(diǎn)，試驗(yàn)測(cè)量2 880點(diǎn)，測(cè)量范圍涵蓋巢礎(chǔ)90%以上區(qū)域。第1次，蜂箱內(nèi)放置9張巢框，試驗(yàn)巢框放于中間位置；第2次，將紅外攝像頭安裝于箱內(nèi)一側(cè)，箱內(nèi)放置4張巢框，試驗(yàn)巢框位于最外層且與攝像頭約4張巢框距離，以確保8個(gè)攝像頭完整獲取試驗(yàn)框蜜蜂圖像。系統(tǒng)實(shí)物與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果如圖4所示。10月23 日15：00采集系統(tǒng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)列于表1。

圖4　采集系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Fig. 4 The physical map of the acquisition system field test experiment diagram

表1　意蜂中心區(qū)域采集的溫度Table 1 Temperature in the central area of Apis mellifera ligustica

4.2數(shù)據(jù)處理及分析

以10月23日03：00、09：00、15：00、21：00的溫度數(shù)據(jù)為例，將獲取txt文檔數(shù)據(jù)在Microsoft office Excel 2007中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用軟件Matlab 2010b對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各時(shí)刻溫度最大值、最小值和外界參考溫度，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理得到溫度平面圖，如圖5所示。

圖5　10月23日的測(cè)量數(shù)據(jù)的Matlab處理結(jié)果Fig. 5 Data processing by Matlab obtained on October 23

獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：所測(cè)巢脾巢溫分布從中央到周圍依次降低，降低的幅度與子區(qū)（是否有蜂子）的分布有關(guān)；蜂巢中心區(qū)域溫度相對(duì)穩(wěn)定，外界氣溫的變化對(duì)邊緣區(qū)域有較大影響，蜂巢中心區(qū)域溫度變化受外界氣溫影響較小。

溫度采集系統(tǒng)在2次連續(xù)21 d測(cè)試期間，運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)采集電路板故障、數(shù)據(jù)傳輸及獲取失敗現(xiàn)象。

［1］ 陳瑪琳，趙芝俊，席桂萍．中國(guó)蜂產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析［J］．浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，26（3）：825-829．

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［4］ 江天寶．溫度對(duì)蜜蜂卵發(fā)育影響的研究［D］．福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2004．

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Design and experiment of the temperature acquisition system for the full beehive

Yan Yua， Pan Weia*， Jiang Chaohuia， Qi Leib， Yu Linshengb
（a.College of Information and Computer Science； b.Apiculture Research Institute， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China）

In order to explore the mechanism controlling constant temperature and the evolution rule of temperature in the hive and bee colonies， a new temperature acquisition system is designed to monitor the temperature in the whole beehive. The monitoring system is composed of a temperature acquisition circuit， an embedded microprocessor， a Zigbee module and a host computer monitor terminal. The NTC thermistors are used as the temperature sensors installing between the nest foundation in an array to make a full measurement and collection of hive temperature. The microprocessor is placed out of the hive to control a multiplexer and an A/D converter. The data is then transmitted through the Zigbee wireless network and is saved by the monitoring terminal software developed by using C language on the basis of Visual Studio software platform. The experiment results show that the system was operating normally under the nature environment. The temperature from 2 880 cells of one single hive， more than 90% of which was covered， is obtained within 105 seconds， which is low than 0.5 ℃ compared with the actual temperature in the hive.

beehive； hive； temperature acquisition system

閆宇（1988—），男，陜西洋縣人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)控制及應(yīng)用研究，yy_yanyu@126.com；*通信作者，潘煒，副教授，主要從事自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制與應(yīng)用研究，panwei@ahau.edu.cn

TP274+.2

A

1007-1032（2016）04-0460-05

2016-01-27 修回日期：2016-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31272511）