蜂群箱體關鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)與性能測試

楊選將 李華龍 李淼 胡澤林 廖建軍 劉先旺 郭盼盼 岳旭東

摘要： 隨著信息技術的發(fā)展，利用大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、傳感器感知、無線通信等技術構(gòu)建一種蜂箱蜂群實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，是減少因開箱檢查造成蜂群應激反應的可行解決方案。本研究針對蜂箱封閉環(huán)境進行實時監(jiān)測困難的現(xiàn)狀，利用STM32F103VBT6 32位微控制器，同時融合了溫濕度傳感器、微麥克風以及激光對射傳感器，開發(fā)了一套低功耗、可連續(xù)工作的蜂群箱體關鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了養(yǎng)蜂生產(chǎn)過程中多參數(shù)信息獲取以及蜂箱內(nèi)蜂群的環(huán)境參數(shù)和生活狀態(tài)的實時在線監(jiān)測。系統(tǒng)主要包括核心處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及數(shù)據(jù)庫服務器等。數(shù)據(jù)采集模塊包括蜂箱內(nèi)部溫濕度采集單元、蜂群聲音采集單元、蜜蜂進出巢數(shù)量計數(shù)單元等，通過接入移動通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)現(xiàn)場部署性能測試結(jié)果表明，研制的系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測蜂箱內(nèi)溫濕度，有效區(qū)別進出蜂箱的蜜蜂并記錄進出巢門的蜜蜂數(shù)量，且自動獲取的蜂群聲音與標準的蜂群聲音分布相吻合。本系統(tǒng)符合設計要求，采集參數(shù)準確可靠，可以作為蜂群相關研究的數(shù)據(jù)采集方法。

關鍵詞： 蜂群箱體;STM32單片機;在線監(jiān)測;傳感器;農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號： TP311 文獻標志碼： A 文章編號： 202004-SA001

引文格式：楊選將， 李華龍， 李淼， 胡澤林， 廖建軍， 劉先旺， 郭盼盼， 岳旭東. 蜂群箱體關鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)與性能測試[J]. 智慧農(nóng)業(yè)（中英文）， 2020， 2 （2）： 115-125.

Citation：YANG XuanJiang， LI Hualong， LI Miao， HU Zelin， LIAO Jianjun， LIU Xianwang， GUO Panpan， YUE Xudong. Beehive key parameters online monitoring system and performance test[J]. Smart Agriculture， 2020， 2 （2）： 115-125.

1 引 ?言

中國從20世紀30年代開始現(xiàn)代化人工養(yǎng)殖蜜蜂，并不斷引入國際上普遍養(yǎng)殖的意大利蜂種現(xiàn)代活框飼養(yǎng)技術，目前已成為世界養(yǎng)蜂第一大國，2017年蜂群數(shù)量達920萬群[1]。蜜蜂是社會性群體昆蟲，它們通常共同生活在高度復雜的社會公共群體中。蜜蜂群體具有一套完善的信息交流方式，主要包括化學、聲音和舞蹈等。蜂箱是蜜蜂群日?；顒拥膱鏊湎鋬?nèi)部溫濕度、空氣流通度和蜜蜂群體聲音變化都直接影響蜂群的健康情況、出巢工蜂數(shù)量、出勤采集花蜜和采集水分的比例以及蜂群繁殖等[2，3]，尤其是蜂箱內(nèi)溫濕度，是影響蜜蜂生活最大的環(huán)境因素。通過了解內(nèi)部信息，監(jiān)測蜂箱內(nèi)蜜蜂生活環(huán)境，可以掌握蜜蜂生產(chǎn)的動向，及時向蜂農(nóng)傳遞蜂群信息并進行相關處理，有效地管理蜂群，以保障蜜蜂的正常生長和生產(chǎn)[4]。

經(jīng)常性地人工開箱檢查蜂箱，會引起蜂箱內(nèi)蜂群的應激反應。隨著信息技術的快速發(fā)展，利用大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、傳感器感知、無線通信等技術構(gòu)建一種蜂箱蜂群在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集蜂群內(nèi)的信息，包括溫度、濕度、數(shù)量、重量、氣體成分、聲音等[5]，是減少蜂群應激反應的可行解決方案。

自60年代開始，國外借助聽測儀，即蜂群聲音分析儀來監(jiān)控分蜂。Cejrowski等[6]利用支持向量機（Support Vector Machine，SVM）算法和C分類法監(jiān)測了分蜂前21天、前8天和前1天時蜂群所發(fā)出不同的聲音強度分別在240、270和300 Hz的變化，以便養(yǎng)蜂者及時采取措施，降低蜂群的分蜂性，提高蜂群的生產(chǎn)能力。2007年比利時碧奧特公司開發(fā)的Api SCAN-Plus型蜜蜂計數(shù)器，可跟蹤2個分別帶有獨立檢測模塊蜂箱的蜜蜂活動規(guī)律，但該系統(tǒng)不是實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。Murphy等[7，8]提出使用無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）收集蜂群的活動和環(huán)境關鍵信息，并評估蜂群健康狀況，通過分析采樣數(shù)據(jù)預測外部局域短期氣象條件，觀察到巢內(nèi)二氧化碳水平變化方式和天氣模式相關。加拿大Simon Fraser University開發(fā)出裝有傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測蜂箱內(nèi)聲音、振動、溫度和濕度等相關信息，從而使得養(yǎng)蜂人可以迅速作出反應[9]。馬德貴等[10]通過利用溫濕度探頭，結(jié)合PTR8000+無線數(shù)據(jù)傳輸模塊完成蜂箱多點溫濕度數(shù)據(jù)的遠程傳輸，開展了多個養(yǎng)蜂箱內(nèi)的溫度和濕度相關信息的實時采集和數(shù)據(jù)傳輸工作。譚慶忠[11]研制了蜂箱數(shù)字化智能監(jiān)控系統(tǒng)，設計了溫度采集和圖像處理功能模塊以及各種接口，可做到無人值守式監(jiān)測蜂箱內(nèi)環(huán)境情況。黃洪云[12]發(fā)明并公開了一種基于自動溫控系統(tǒng)的智能太陽能養(yǎng)蜂箱，蜂箱包括溫度控制器、箱體和太陽能電池板等，可使用太陽能發(fā)電，智能控制溫度，有效地維護蜜蜂生存環(huán)境，給蜂農(nóng)帶來方便和效益。柴秋子等[13]基于MSP430超低功耗單片機研究了設施草莓環(huán)境的蜜蜂蜂群計數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，利用紅外光電傳感器單獨感應蜜蜂進出巢的方向，可在線統(tǒng)計蜜蜂進巢和出巢的頻率，進而研究蜜蜂活動規(guī)律。張江毅等[14]通過采集蜂群在蜂巢中的圖像信息，識別蜂群的行為和生存狀態(tài)，并結(jié)合光電傳感器識別蜂群進出蜂巢數(shù)量的變化，綜合判斷蜜蜂的行為。張曉青和馮奇杰[15]設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的蜂箱管理系統(tǒng)，實現(xiàn)在線實時采集蜂箱溫濕度和蜂蜜的重量，該系統(tǒng)也能定時清潔蜂箱內(nèi)蜜蜂殘余物，并且當蜂蜜重量出現(xiàn)異常時發(fā)出防盜報警，解決了養(yǎng)蜂戶工作效率低、養(yǎng)蜂規(guī)模擴大難的問題。

蜂箱與蜂群的信息自動采集與分析，是近30年來科學工作者的努力的目標，并取得了部分成果，但大多數(shù)集中在對蜂箱內(nèi)溫度、濕度、蜂群的量采集與檢測方面，而對于蜂群而言，聲音、進出數(shù)目等都是蜂群的綜合信息表現(xiàn)[16]。隨著信息技術的快速發(fā)展和應用，智能化獲取與檢測手段越來越成熟。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術，根據(jù)蜜蜂的生物學特性，構(gòu)建了低功耗、可持續(xù)工作的蜂群箱體關鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，同時融合了溫濕度傳感器、微麥克風以及激光對射傳感器等，利用多感知源數(shù)據(jù)融合分析方法實時監(jiān)測箱內(nèi)蜂群活動。其中，聲音數(shù)據(jù)實時存儲后與溫濕度數(shù)據(jù)和蜜蜂進出巢數(shù)目等數(shù)據(jù)融合，通過移動通信網(wǎng)絡無線傳輸?shù)竭h程服務器，避免了對蜂群造成干擾。本研究可保障蜂箱信息采集工作能夠連續(xù)進行，以便蜂農(nóng)實時獲取蜂箱及蜂群信息，幫助其作出蜂群養(yǎng)殖科學決策。

2 系統(tǒng)總體設計

蜂群箱體關鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)設計目標是采集蜂群中的各種參數(shù)，為后續(xù)分析蜂群狀態(tài)做前期的數(shù)據(jù)積累。為了不影響蜂群正常的活動，通常將傳感器放置在蜂箱內(nèi)特定位置，不需要人工打開蜂箱查驗而監(jiān)測蜂箱及蜂群信息，即“非入侵的嵌入式方法”[15]。使用嵌入式方法監(jiān)控蜂群的優(yōu)點主要包括：①不干擾蜂群正常生理活動;②功耗小，連續(xù)工作時間長;③可靠性高，體積小，易于操作;④成本低。

2.1 系統(tǒng)設計思路

本研究采用模塊化系統(tǒng)電路設計方式，使得系統(tǒng)設計更加簡單、模塊之間干擾更小、系統(tǒng)功耗更低，有利于整個系統(tǒng)的維護。系統(tǒng)主要包括核心處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及數(shù)據(jù)庫服務器等。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用STM32F103VBT6單片機為控制芯片，功耗約700 mW，采用外接12 V直流電供電，外圍設備為溫濕度傳感器、射頻傳感器和微麥克風等。通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊上傳溫濕度數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫，音頻數(shù)據(jù)可以保存在本地SD存儲卡（Secure Digital Memory Card）中，以便后續(xù)進一步分析蜂群狀態(tài)。為了能夠?qū)崟r地了解蜂群的狀態(tài)，系統(tǒng)增加了液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示模塊，方便蜂農(nóng)在現(xiàn)場能一目了然地掌握蜂群的真實環(huán)境。本設計參考了廖建軍等[17]基于WSN的蜂群監(jiān)測系統(tǒng)研制與性能測試功能，利用WSN技術在不干擾蜂群狀態(tài)的前提下進行有效監(jiān)測。利用本地數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的高效管理。

2.2 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)的服務器數(shù)據(jù)庫基于SQL Server開發(fā)，采用戴爾（DELL）塔式服務器電腦主機T140 E-2224 4核心，3.4 GHz 32 G內(nèi)存，4 T硬盤SAS|H330。除了音頻數(shù)據(jù)量較大，采用本地存儲外，其他參數(shù)數(shù)據(jù)都實時上傳到服務器數(shù)據(jù)庫端。這些數(shù)據(jù)都匯總到DTU（Data Transfer unit）節(jié)點，通過DTU無線傳輸節(jié)點，利用移動通信信號，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。網(wǎng)頁端從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)頁端實時可視化采集的蜂群數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)近期數(shù)據(jù)瀏覽和歷史數(shù)據(jù)下載等功能，幫助用戶實時掌握蜂箱中蜂群的各種參數(shù)。數(shù)據(jù)庫部分內(nèi)容如圖2所示。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸控制

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸控制是蜂群箱體關鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵部分，通過多源傳感器以及移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)蜂箱內(nèi)環(huán)境與蜂群活動智能監(jiān)測，進而對目標蜂場的各蜂箱環(huán)境溫濕度和蜂群聲音強度參數(shù)進行實時采集與遠程傳輸。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸控制包括3個模塊，即系統(tǒng)核心處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊。

3.1 核心處理模塊

目前通常采用51、AVR、DSP、STM32和FPGA等芯片進行嵌入式開發(fā)。這些芯片在功耗、速度、內(nèi)存上參差不齊，各有所長。針對蜂群監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和低功耗的要求，本研究選擇了STM32系列微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）作為處理器。與其他的單片機相比，STM32系列主要有以下優(yōu)點。

①先進的內(nèi)核架構(gòu)。STM32系列采用ARM（Advanced RISC Machines）最新的、最先進機構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)，通過ICode，DCode，System總線與外設進行連接。

②具有3種低功耗模式。擁有復雜、精細控制的時鐘樹，實時性好。

③豐富合理的外設。具有端口復用的功能。

④有自己的固件庫，可加速開發(fā)。

低功耗的STM32F103VBT6是32位微控制器，采用LQFP-100封裝，工作電源電壓為2～3.6 V，工作溫度為-40～85℃，程序存儲器為128 kB，RAM（Random Access Memory）數(shù)據(jù)大小為20 kB，最大時鐘頻率為72 MHz，支持接口包括CAN、I2C、SPI、USART和USB。由于系統(tǒng)外部器件需要5和3.3 V電源，因此系統(tǒng)采用5 V供電，支持USB適配器或充電寶供電。為方便室外使用，同時又設計了12 V轉(zhuǎn)5 V電路，以支持12 V適配器供電方式。電源管理電路如圖3所示。

系統(tǒng)主控制芯片采用STM32F103VBT6，具有高性能ARM?Cortex?-M332位RISC內(nèi)核（精簡指令集計算機），高速嵌入式存儲器（閃存128 kB，SRAM 20 kB）。該微處理器工作頻率最高可達72 MHz，芯片內(nèi)雙RC晶振頻率為8 MHz和32 kHz支持芯片外8 MHz 的高速晶振和32 kHz的低速晶振，后者可用于CPU的實時時鐘。芯片內(nèi)SRAM為64 k，芯片閃存為512 k以及支持在線編程。STM32F103VBT6具有100個I/O口和3個16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，2通道的12位DA轉(zhuǎn)換器，12通道直接存儲器存取DMA控制器，可滿足蜂箱內(nèi)環(huán)境溫濕度與聲音監(jiān)測處理需求。

為了保證數(shù)據(jù)采集各核心單元有充足的供電，當進行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝數(shù)據(jù)到電可擦編程只讀存儲器EEPROM時，必須給單總線一個強上拉，否則由寄生電源供電時溫濕度轉(zhuǎn)換會丟失返回值。所以使用漏極開路把I/O直接拉到電源上來提供足夠電流。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

3.2.1 蜂箱內(nèi)部溫濕度采集單元

系統(tǒng)使用一體化的SHT20溫濕度傳感器。該傳感器采用聚乙烯（PE）材料防水外殼，適用于戶外和高濕度，可有效提高傳感器的使用壽命。485數(shù)字通訊傳感器接口為4線，電源輸入5～12 V直流電壓（無正負方向，正負極連接均工作正常）。溫度測量范圍為-40～120℃，溫度誤差為±0.1℃;濕度測量范圍為0%～100%RH，濕度分辨率為0.1%RH。

SHT20溫濕度傳感器預備了一種信號指示電源的使用意圖。如果總線被拉低，總線控制器就需要在溫度轉(zhuǎn)換時對單總線提供強上拉。

為能實時在線監(jiān)控蜂箱內(nèi)溫濕度，更好地管理蜂群，采用LabVIEW來編寫監(jiān)測蜂箱內(nèi)溫濕度的上位機采集程序。蜂箱溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4所示。圖中總線控制器發(fā)出一個Skip ROM指令，然后發(fā)出讀電源指令，這條指令發(fā)出后，控制器發(fā)出讀時序，寄生電源會將總線拉低，而外部電源會將總線保持為高位。如果總線被拉低，總線控制器就會知道需要在溫度轉(zhuǎn)換期間對單總線提供強上拉。

SHT20溫濕度傳感器模塊的通訊接口電路如圖5所示。

3.2.2 進出巢蜜蜂數(shù)量計數(shù)單元

進出巢蜜蜂數(shù)量計數(shù)單元采用兩對E3F-20C1/20L激光對射傳感器，檢測距離為（20±5） m，響應時間為2.5 ms，工作頻率為50～60 Hz，監(jiān)測的物體必須是大于1 mm的不透明的物體。該傳感器為NPN常開型，工作電壓為6～36 V，可滿足本研究記錄爬行中的蜜蜂數(shù)量的需求。

激光對射傳感器在接收端采用三線，在發(fā)射端采用兩線，NPN常開，工作電壓為6～36 V，接線圖如圖6所示。

激光對射有如下特性：當處于正常狀態(tài)時，發(fā)射端發(fā)射光束，接收端能夠接收光束;當光束被物體遮擋后，接收端不能正常接收，此時，接收端就會觸發(fā)一個信號，從而接收端口捕捉到這個觸發(fā)信號。如圖7所示。

蜜蜂進出巢計數(shù)任務利用兩對激光傳感器融合作用的原理實現(xiàn)，如圖8所示。其中IN表示巢內(nèi)，OUT表示巢外。該裝置部署在蜂箱中的進出口出，蜂箱設有一個蜜蜂通道，靠觸發(fā)傳感器的先后次序來判斷蜜蜂爬行的方向。當蜜蜂從OUT向IN運動時，首先觸發(fā)對射1中斷，再觸發(fā)對射2中斷，此時變量NumberIn加1（見圖8（a））。同理，當蜜蜂從IN往向OUT運動時，首先觸發(fā)對射2中斷，再觸發(fā)對射1中斷，此時變量NumberOut加1（見圖8（b））。由此完成蜜蜂進出巢的計數(shù)功能，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給RS232串口。

3.2.3 蜂群聲音采集單元

該單元采用全指向的HC-4052專業(yè)麥克風，頻率響應范圍為20 Hz～20 kHz，靈敏度范圍為（-46±2） dB，信噪比大于63 dB，咪頭尺寸為4.0 mm×1.5 mm，能夠方便地放入蜂箱中任何位置，有利于采集蜂群的聲音。

蜂群聲音采集任務包括配置WAVE頭格式和目標數(shù)據(jù)寫入兩部分。WAVE是常用的音頻文件格式，一個WAVE文件是由RIFF WAVE Chunk、Format Chunk、Fact Chunk（可選）和Data Chunk等若干個Chunk組成的。通過配置*.wav文件頭格式來設定采樣音頻文件的格式。本系統(tǒng)音頻文件按照16 bits、脈碼調(diào)制錄音（Pulse Code Modulation，PCM）模式、單通道、8 kHz采樣頻率、MIC接入方式進行采樣，頭文件采用小端模式，采集數(shù)據(jù)按照大端模式。將麥克風采樣的數(shù)據(jù)添加到頭文件的后面，形成wav音頻文件。每個音頻文件的采集時間為42 s（100頁，其中頁為內(nèi)存管理大小單位），采用串行外設接口（SPI）協(xié)議，將該wav文件保存到本地SD存儲卡后進行遠程無線傳輸。

3.3 數(shù)據(jù)遠程傳輸單元

為實現(xiàn)遠程監(jiān)測并達到無人值守的目的，需要將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)實時傳送給蜂農(nóng)，以便實時了解蜂群狀態(tài)。數(shù)據(jù)無線傳輸有多種方式，包括ZigBee、藍牙、移動通信網(wǎng)絡和Wi-Fi等，在傳輸距離和傳輸速度上各有優(yōu)缺點[18]。其中移動通信具有實時性強、可對設備進行遠程控制、建設成本少低、監(jiān)控范圍廣、具有良好的可擴展性、系統(tǒng)的傳輸容量大、數(shù)據(jù)傳送速率高和通信費用低等特點及優(yōu)勢。由于蜂箱放置在戶外，為保證數(shù)據(jù)可靠地傳輸，本系統(tǒng)采用廈門才茂通信科技有限公司的CM3150P GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸模塊，包括移動GPRS網(wǎng)絡和RS232串口，工業(yè)級設計，可實現(xiàn)TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程無線傳輸和實時傳送。

通過ZigBee模塊進行現(xiàn)場蜂箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的近距離傳輸與匯聚，無線收發(fā)模塊將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)通過串口傳給微控制器，微控制器將接收到的數(shù)據(jù)編碼后，采用GPRS DTU模塊進行遠程數(shù)據(jù)發(fā)送，采用微控制器控制采集節(jié)點數(shù)據(jù)接收與GPRS模塊遠程數(shù)據(jù)發(fā)送，經(jīng)GPRS模塊遠距離發(fā)送至計算機子系統(tǒng)。現(xiàn)場采用人機交互模塊實時顯示節(jié)點環(huán)境信息和設置工作參數(shù)，通過LCD顯示模塊實時顯示來自所有子節(jié)點的采集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)校驗和組包發(fā)送。

音頻采用PCM壓縮編碼格式，ARM+DSP達芬奇架構(gòu)的高性能處理器配合相應的音頻編解碼功能模塊進行音頻數(shù)據(jù)處理，實時音頻數(shù)據(jù)傳輸基于實時傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）和RTCP （RTP Control Protocol，RTCP） 控制協(xié)議，確保網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性。蜂箱內(nèi)采用戴爾 OptiPlex 7060微型工控機連接微型麥克風，將微型麥克風放置在蜂箱內(nèi)部，工控機使用客戶端Python腳本程序，從微型麥克風每秒采集一次聲音數(shù)據(jù)，并生成音頻文件，存儲在本地SD存儲卡中進行實時緩存，而后通過Python進行WebSocket網(wǎng)絡編程，實現(xiàn)客戶端與服務器間的全雙工通訊，進而通過無線網(wǎng)絡實時與服務器上位機軟件和數(shù)據(jù)庫保持連接，并將生成的存儲SD卡中的wav音頻文件通過4G無線網(wǎng)絡發(fā)送至服務器數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)蜂箱內(nèi)蜜蜂聲音文件的遠程傳輸與存儲。

4 監(jiān)測系統(tǒng)性能測試

為研制監(jiān)測系統(tǒng)的功能和性能，通過現(xiàn)場部署方式對系統(tǒng)進行測試。主要從系統(tǒng)功能、基于溫濕度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、基于進出巢蜜蜂數(shù)量數(shù)據(jù)可靠性、基于蜜蜂音頻數(shù)據(jù)可靠性等方面進行。

4.1 現(xiàn)場部署功能測試

為開展試驗，課題組飼養(yǎng)了3箱蜜蜂。實驗地點為合肥科學島西郊（117.17°E，31.91°N），測試時間為2019年11月—2020年6月，此期間外界氣溫較低，便于監(jiān)測蜂箱內(nèi)蜂群的溫濕度狀態(tài)。此外，這個階段只有少數(shù)作物開花，蜂群采粉活動減少，蜜蜂出入蜂巢數(shù)量少，便于監(jiān)測和采集進出蜜蜂，適合進行實驗。蜂箱及系統(tǒng)部署如圖9所示。

監(jiān)測系統(tǒng)部署之后，開始采集蜂群中的各種參數(shù)（圖10）。其中溫濕度數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫，音頻文件保存在SD存儲卡后進行遠程無線傳輸，連續(xù)采集30天。系統(tǒng)可正常采集數(shù)據(jù)，證明設計功能實現(xiàn)。通過分析采集數(shù)據(jù)的合理性來對監(jiān)測系統(tǒng)的性能進行評估。數(shù)據(jù)的合理性主要是參考蜂群的生物習性及相關參考文獻。

4.2 基于溫濕度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性分析

為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，將蜂箱內(nèi)環(huán)境溫濕度傳感器與終端ZigBee節(jié)點連接裝在蜜蜂監(jiān)測點，終端節(jié)點采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)后，每發(fā)送數(shù)據(jù)后，便自動進入休眠模式，收到采集指令后恢復，再次采集數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測一個月（2020年5月20日—6月20日）。網(wǎng)關節(jié)點顯示接收到的數(shù)據(jù)信息并將接收到的數(shù)據(jù)通過串口上傳到工控主機。試驗數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)在連續(xù)監(jiān)測的1個月內(nèi)，終端節(jié)點每天發(fā)送的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)各24組，協(xié)調(diào)器都能實時地接收，丟包率為零，而且采集的數(shù)據(jù)值精確可靠。

在蜂箱中，當溫度較高時，蜂群中的蜜蜂通過煽動翅膀給周圍環(huán)境降溫;而當溫度較低時，蜜蜂則通過抱團的形式產(chǎn)熱，以確保蜂箱內(nèi)溫濕度相對穩(wěn)定[18]。利用蜂群此習性，采集2020年6月20日溫濕度數(shù)據(jù)日變化對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準確性進行評估（如圖11所示）。具體評估方法和評估結(jié)果如下。

a）波動極差：蜂群內(nèi)溫度波動幅度（max-min極差）為3.8℃，濕度波動幅度為16.9%RH，因此僅僅利用極差來衡量數(shù)據(jù)的離散程度不合理，很容易受到極值的影響。較大的溫度波動應是蜂群本身活動造成的[19]。

5 結(jié) ?論

本研究設計了一種基于信息技術技術的低功耗、可持續(xù)工作的蜂群實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用了溫濕度傳感器、微麥克風以及激光對射傳感器，實現(xiàn)了蜂箱內(nèi)溫濕度、進出巢數(shù)量、聲音等參數(shù)的實時在線監(jiān)測。系統(tǒng)可實現(xiàn)蜂群音頻數(shù)據(jù)的本地存儲，蜂箱的溫濕度數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)竭h程服務器。性能測試結(jié)果表明系統(tǒng)可準確采集蜂箱環(huán)境溫濕度、蜂群聲音、蜜蜂進出巢數(shù)目等信息。系統(tǒng)符合設計要求，采集參數(shù)準確可靠，可以作為蜂群相關研究的數(shù)據(jù)采集方法。

本研究目前不足之處是監(jiān)測系統(tǒng)采集到的音頻數(shù)據(jù)中包含白噪聲，這些噪聲對后期的數(shù)據(jù)處理有干擾，可能還會影響識別的精度。后續(xù)將深入研究音頻信號中包含的噪聲成分，并選用合適的濾波方法進行去噪。

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Abstract： With the development of information technology， using big data analysis， monitoring of Internet of Things， sensor perception， wireless communication and other technologies to build a real-time online monitoring system for beehive is a feasible solution for reducing the stress response of bee colony caused by check the beehive artificially. Focusing on situation that real-time monitoring in the closed environment of the beehive is difficult， the STM32F103VBT6 32-bit microcontroller， integrated with the temperature and humidity sensor， microphone， and laser beam sensor were used in this study to develop a low-power， continuous working online monitoring system for the multi-parameter information acquisition and monitoring of beehive key parameters. The system mainly includes core processing module， data acquisition module， data sending module and database server. The data collection module includes a temperature and humidity collection unit inside the beehive， a bee colony sound collection unit， a bee in and out nest number counting unit， etc.， and transfers data by accessing the mobile communication network. The performance test results of system on-site deployment showed that the developed system could monitor the temperature and humidity in the beehive in real time， effectively distinguish the bees of entering and leaving the beehive， record the numbers of bees of entering and leaving the nest door， and the bee colony sounds that the automatically obtained were consistent with the standard sound distribution of bee colony. The results indicate that this system meets the design requirements， can accurately and reliably collect the beehive parameters data， and can be used as a data collection method for related research of bee colony.

Key words： bee colony; STM32; online monitoring; sensor; agricultural Internet of Things