基于FRID的蜂箱狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置設(shè)計與開發(fā)*

胡 林，魏海波，蔡朝陽，王 強，陳 攀，楊子毅

（湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，湖北十堰 442002）

0 引言

蜂場由為數(shù)眾多的蜂箱構(gòu)成，蜂箱內(nèi)的溫度、濕度環(huán)境是關(guān)系著蜜蜂生存、生活與產(chǎn)蜜等多個因素的重要參數(shù)。舒適的蜂箱環(huán)境能夠為蜜蜂提供較好的生存環(huán)境，使得蜂群能夠得到較好的產(chǎn)出；而不良的蜂箱環(huán)境會制約蜂群的產(chǎn)出、甚至會導致蜂群的縮減。獲取蜂箱內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)，及時為蜂箱環(huán)境的相關(guān)操作提供實時的參考依據(jù)，為蜂群理想的生活條件帶來便利，從而獲取較高的產(chǎn)出價值。傳統(tǒng)的僅依賴養(yǎng)殖人對蜂場做整體的主觀判斷方法，雖然有一定的效果，但是依舊存在較為明顯的短板，不能做到針對每個蜂箱的正確評估，容易導致部分蜂箱運行狀態(tài)不佳從而出現(xiàn)產(chǎn)出降低、蜂群縮減等問題。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，運用現(xiàn)代科技解決單個蜂箱內(nèi)部狀態(tài)的檢測成為可能，能夠解決前述的相關(guān)問題[1]。借助溫濕度傳感器監(jiān)測技術(shù)以及無線通信技術(shù)[2]，能夠在一定的距離下對蜂箱狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，從而有效降低潛在的人身風險。在監(jiān)測裝置的主動式查詢后，將數(shù)據(jù)采集裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸給顯示裝置并顯示，在直觀數(shù)據(jù)的配合下及時對蜂箱進行通風、保溫、散熱等調(diào)整，從而實現(xiàn)預期的蜂箱舒適度效果。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

蜂箱是養(yǎng)蜂過程中供蜜蜂繁衍生息的處所，是最基本的養(yǎng)蜂工具。蜂箱一般是由長、寬、高分別為420 mm、370 mm、270 mm的實木板材制作，結(jié)構(gòu)小巧緊湊。內(nèi)部可以存放10 個、12 個或者16 個（加長版）的巢框（蜜蜂作息與產(chǎn)蜜場所）。蜂箱前后箱壁內(nèi)側(cè)承框槽60～100 mm 處，裝設(shè)巢脾快速固定器；兩側(cè)壁下部的箱板，向前伸出箱前壁55 mm，高10 mm 的一段，既可安裝巢門翻板，其上釘上蓋板，關(guān)上巢門；翻板時，又可作為蜜蜂的棲息走廊；箱底距前緣120～220 mm 處開一底氣窗，有滑板，可開閉[3]。養(yǎng)殖人可以通過以上結(jié)構(gòu)對蜂箱的內(nèi)部狀態(tài)進行適度調(diào)整。

通過對蜂箱的狀態(tài)需求分析，結(jié)合蜂箱的自身特殊性，必須采用隔離方案實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)的分離式設(shè)計，遠距離獲取蜂箱內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)以保證觀測人員的基本人身安全。為此，設(shè)計了隔離型的整體系統(tǒng)方案，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體方案

整套蜂箱狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由一個中央控制及顯示單元外帶N個蜂箱數(shù)據(jù)采集單元共同構(gòu)成，采用主從架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的問詢[4]。中央控制單元設(shè)置好待查詢的蜂箱號后啟動查詢，在廣播的形式下將查詢命令在一定空間地域中廣播傳輸，該區(qū)域內(nèi)所有蜂箱均能讀取到中央控制單元下發(fā)的查詢幀信息，只有對應的蜂箱反饋對應信息至中央控制單元，中央控制單元對數(shù)據(jù)進行處理后在液晶顯示屏上顯示出來。該方案下，只需一個中央控制單元就能實現(xiàn)對某個蜂場內(nèi)的所有單個蜂箱進行點對點查詢，性價比高。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在電路設(shè)計過程中，考慮到蜂場的季節(jié)、環(huán)境等因素帶來的蜂箱移動的周期性特性，傳統(tǒng)的市電供應難以克服移動性的問題，即便加裝發(fā)電機組，也需要考慮實際的電源布線難題。因此在考慮設(shè)備電源供應時，必須采用便攜式電源方案實施。便攜式裝置通常采用鋰電池供電，電池的續(xù)航能力尤為重要。在這一點上，除了選用高品質(zhì)高容量的鋰電池單元以外，還需要設(shè)計合理的低功耗電路來降低整體功耗，因此在各單元模塊定型時優(yōu)先選用低功耗模塊。

2.1 功能模塊選型

2.1.1 無線傳輸模塊選型

無線傳輸模塊的選擇上，市面上有多種無線通訊模塊可供選擇?？紤]到本設(shè)計中必須采用低功耗設(shè)計，因此選用單片低功耗低成本能耗RF 收發(fā)芯片CC1101 模塊完成。該模塊體積小，通信速率快，功耗低，非常適用于消費電子、工業(yè)以及醫(yī)學等無線通訊領(lǐng)域[5-8]。同時該模塊采用SPI 總線進行數(shù)據(jù)通訊，一次能夠?qū)崿F(xiàn)最大64個字節(jié)數(shù)據(jù)的收發(fā)雙向同步傳輸，進一步提高數(shù)據(jù)吞吐量[9-11]。CC1101模塊的實物圖及接口定義如圖2所示。

圖2 CC1101模塊外觀及接口定義

2.1.2 傳感器模塊選型

傳感器的選擇上，由于需要采集蜂箱內(nèi)部的溫度以及濕度數(shù)據(jù)，相對于采用獨立傳感器搭配其他元器件搭建傳感器采集電路而言，集成式溫濕度采樣單元實現(xiàn)起來相對比較容易。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器[12]。該模塊采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，能夠確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能8 位單片機相連接，因此該模塊具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點[13-15]。DTH11 模塊的實物圖及接口定義如圖3所示。

圖3 DTH11模塊外觀及接口定義

2.1.3 控制器芯片選型

微處理器作為設(shè)計中的中央處理單元，不僅承載著數(shù)字量數(shù)據(jù)的讀取功能，還需要通過無線傳輸模塊進行數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。同時，考慮到采用的是鋰電池供電，需要對電池的電量進行監(jiān)控。結(jié)合對以上功能的分析，微處理器應該具備SPI 總線接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，并且要考慮器件自身功耗，選用核心電壓為低電壓的器件能夠有效降耗。綜上所述，選用國產(chǎn)宏晶公司推出的功能功耗較為均衡的STC15系列中的STC15W408AS芯片作為主控芯片。該芯片具有DIP、SKDIP、SOP、QFN 等多種封裝形式，在管腳上具有16∕20∕28 等3 種類型，能夠滿足本設(shè)計中的管腳數(shù)量需求以及其他要求。通過對本設(shè)計過程中的IO需求分析，選用了16個管腳SOP封裝的控制芯片。其實物如圖4所示。

圖4 STC15W408AS外觀

2.2 硬件電路設(shè)計

通過對無線傳輸模塊、傳感器模塊、主控芯片的選型，基本上確定了硬件電路框架。電路除了以上單元模塊之外，還設(shè)計了顯示單元模塊以及按鍵電路，用于中央控制及顯示單元裝置。在一般的數(shù)據(jù)采集側(cè)，主要包含主控單元、傳感器數(shù)據(jù)采集單元和無線傳輸單元；在控制顯示側(cè)，則包含主控單元、按鍵查詢電路、無線傳輸單元和顯示單元。通過在顯示模塊中通過選定待查詢的蜂箱地址，確認后便可以通過無線傳輸單元獲取傳感器采集數(shù)據(jù)并顯示在顯示屏中。完整的硬件電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 硬件電路原理

在電源的設(shè)計過程中，考慮到所有模塊均采用3.3 V電源供電，而單體鋰電池的電壓范圍在3.0～4.2 V 之間，不能滿足所設(shè)計電路的電源要求，需要添加電源轉(zhuǎn)換電路保證穩(wěn)定的3.3 V 電源供應。這里采用BCT2057-3.3 V電源轉(zhuǎn)換芯片，該芯片能夠在輸入電壓范圍為1.6～5.5 V的電源輸入中實現(xiàn)穩(wěn)定的3.3 V輸出，且輸出電流最大可以達到1 A，較好地滿足了電源需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)框架設(shè)計所述，數(shù)據(jù)采集裝置與顯示裝置分屬于下位機裝置與上位機裝置，控制器對其進行分別控制，獨立的完成數(shù)據(jù)采集以及顯示，其中數(shù)據(jù)通信部分采用無線傳輸方式。兩個裝置的軟件流程如圖6所示。

圖6 蜂箱狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測軟件流程

從流程圖中可以看出，數(shù)據(jù)采集裝置完成實時的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，通過接收來自顯示裝置的廣播式無線數(shù)據(jù)，收到后與自身的地址號對比。如果是查詢自身狀態(tài)數(shù)據(jù)時便將準備好的數(shù)據(jù)通過無線返回給顯示裝置；如果不是查詢自身數(shù)據(jù)，則不理會該報文。顯示裝置則是先設(shè)置好查詢的蜂箱號（最大可以查詢到255 號蜂箱），啟動查詢功能后以廣播的方式通過無線發(fā)送至每一個蜂箱，只有匹配的蜂箱反饋狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后顯示在液晶屏幕上，獲取對應查詢蜂箱的狀態(tài)參數(shù)，為后續(xù)的調(diào)整提供參考依據(jù)。

4 結(jié)果分析

在原理圖的基礎(chǔ)上開展了實物樣品的制作，由于裝置主要采用模塊堆積的方式實現(xiàn)，因此樣機制作過程相對簡單。在實驗室條件下對樣機進行了測試，其測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 樣機實物測試

從顯示裝置顯示的結(jié)果看，上位機已完成對1 號蜂場5 號蜂箱的無線通信（由于未配備按鍵模塊，直接在單片機中指定了查詢蜂箱的從機為05號蜂箱），查詢5號蜂箱內(nèi)部的溫濕度數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：當前5 號裝置的實時溫度為19 ℃，濕度為74%。上位機亦可以開放環(huán)境參數(shù)，以供測試人員參考。本次測試未開放該功能，環(huán)境數(shù)據(jù)狀態(tài)為NULL（空）。

5 結(jié)束語

蜂蜜作為蜜蜂辛勤勞作的產(chǎn)物，具有較高的營養(yǎng)價值。而高質(zhì)量的蜂蜜產(chǎn)出離不開蜂箱所提供的舒適良好的作息環(huán)境。結(jié)合蜂箱數(shù)據(jù)監(jiān)測的特殊性，本文給出了基于無線通信下的蜂箱數(shù)據(jù)采集與顯示的設(shè)計與樣品開發(fā)全過程。通過分析需求與外部環(huán)境后，對主控芯片、無線通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊進行了選型分析，結(jié)合便攜式裝置在體積、功耗等方面的設(shè)計規(guī)則，設(shè)計了適應于低功耗的硬件電路設(shè)計與軟件程序設(shè)計，開發(fā)出了滿足蜂箱監(jiān)測的較長續(xù)航下的溫濕度數(shù)據(jù)采集裝置。通過獲取精確的狀態(tài)數(shù)據(jù)，為蜂箱內(nèi)蜂群的環(huán)境舒適度創(chuàng)造了前提條件。