蜂群箱体关键参数在线监测系统与性能测试

分类：论文范文 发表时间：2020-09-03 08:53

　　摘要: 随着信息技术的发展，利用大数据分析、物联网监控、传感器感知、无线通信等技术构建一种蜂箱蜂群实时在线监测系统，是减少因开箱检查造成蜂群应激反应的可行解决方案。本研究针对蜂箱封闭环境进行实时监测困难的现状，利用STM32F103VBT6 32位微控制器，同时融合了温湿度传感器、微麦克风以及激光对射传感器，开发了一套低功耗、可连续工作的蜂群箱体关键参数在线监测系统，实现了养蜂生产过程中多参数信息获取以及蜂箱内蜂群的环境参数和生活状态的实时在线监测。系统主要包括核心处理模块、数据采集模块、数据发送模块以及数据库服务器等。数据采集模块包括蜂箱内部温湿度采集单元、蜂群声音采集单元、蜜蜂进出巢数量计数单元等，通过接入移动通信网络进行数据传输。系统现场部署性能测试结果表明，研制的系统能够实时监测蜂箱内温湿度，有效区别进出蜂箱的蜜蜂并记录进出巢门的蜜蜂数量，且自动获取的蜂群声音与标准的蜂群声音分布相吻合。本系统符合设计要求，采集参数准确可靠，可以作为蜂群相关研究的数据采集方法。

　　关键词: 蜂群箱体；STM32单片机；在线监测；传感器；农业物联网

　　1 引 言

　　中国从20世纪30年代开始现代化人工养殖蜜蜂，并不断引入国际上普遍养殖的意大利蜂种现代活框饲养技术，目前已成为世界养蜂第一大国，2017年蜂群数量达920万群[1]。蜜蜂是社会性群体昆虫，它们通常共同生活在高度复杂的社会公共群体中。蜜蜂群体具有一套完善的信息交流方式，主要包括化学、声音和舞蹈等。蜂箱是蜜蜂群日常活动的场所，蜂箱内部温湿度、空气流通度和蜜蜂群体声音变化都直接影响蜂群的健康情况、出巢工蜂数量、出勤采集花蜜和采集水分的比例以及蜂群繁殖等[2,3]，尤其是蜂箱内温湿度，是影响蜜蜂生活最大的环境因素。通过了解内部信息，监测蜂箱内蜜蜂生活环境，可以掌握蜜蜂生产的动向，及时向蜂农传递蜂群信息并进行相关处理，有效地管理蜂群，以保障蜜蜂的正常生长和生产[4]。

　　2 系统总体设计

　　蜂群箱体关键参数在线监测系统设计目标是采集蜂群中的各种参数，为后续分析蜂群状态做前期的数据积累。为了不影响蜂群正常的活动，通常将传感器放置在蜂箱内特定位置，不需要人工打开蜂箱查验而监测蜂箱及蜂群信息，即“非入侵的嵌入式方法”[15]。使用嵌入式方法监控蜂群的优点主要包括：①不干扰蜂群正常生理活动；②功耗小，连续工作时间长；③可靠性高，体积小，易于操作；④成本低。

　　2.1　系统设计思路

　　本研究采用模块化系统电路设计方式，使得系统设计更加简单、模块之间干扰更小、系统功耗更低，有利于整个系统的维护。系统主要包括核心处理模块、数据采集模块、数据发送模块以及数据库服务器等。系统原理框图如图1所示。

　　2.2　数据库设计

　　系统的服务器数据库基于SQL Server开发，采用戴尔（DELL）塔式服务器电脑主机T140 E-2224 4核心,3.4 GHz 32 G内存,4 T硬盘SAS|H330。除了音频数据量较大，采用本地存储外，其他参数数据都实时上传到服务器数据库端。这些数据都汇总到DTU（Data Transfer unit）节点，通过DTU无线传输节点，利用移动通信信号，将数据传输到数据库。网页端从数据库读取数据，通过网页端实时可视化采集的蜂群数据，并实现近期数据浏览和历史数据下载等功能，帮助用户实时掌握蜂箱中蜂群的各种参数。数据库部分内容如图2所示。

　　3 系统数据采集与传输控制

　　系统数据采集与传输控制是蜂群箱体关键参数在线监测系统的关键部分，通过多源传感器以及移动通信网络实现蜂箱内环境与蜂群活动智能监测，进而对目标蜂场的各蜂箱环境温湿度和蜂群声音强度参数进行实时采集与远程传输。系统数据采集与传输控制包括3个模块，即系统核心处理模块、数据采集模块和数据远程传输模块。

　　3.1　核心处理模块

　　目前通常采用51、AVR、DSP、STM32和FPGA等芯片进行嵌入式开发。这些芯片在功耗、速度、内存上参差不齐，各有所长。针对蜂群监测系统的实时性和低功耗的要求，本研究选择了STM32系列微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）作为处理器。与其他的单片机相比，STM32系列主要有以下优点。

　　①先进的内核架构。STM32系列采用ARM（Advanced RISC Machines）最新的、最先进机构Cortex-M3内核架构，通过ICode，DCode，System总线与外设进行连接。

　　②具有3种低功耗模式。拥有复杂、精细控制的时钟树，实时性好。

　　③丰富合理的外设。具有端口复用的功能。

　　④有自己的固件库，可加速开发。

　　3.2　数据采集模块

　　3.2.1　蜂箱内部温湿度采集单元

　　系统使用一体化的SHT20温湿度传感器。该传感器采用聚乙烯（PE）材料防水外壳，适用于户外和高湿度，可有效提高传感器的使用寿命。485数字通讯传感器接口为4线，电源输入5~12 V直流电压（无正负方向，正负极连接均工作正常）。温度测量范围为-40~120℃，温度误差为±0.1℃；湿度测量范围为0%~100%RH，湿度分辨率为0.1%RH。

　　3.2.2　进出巢蜜蜂数量计数单元

　　进出巢蜜蜂数量计数单元采用两对E3F-20C1/20L激光对射传感器，检测距离为（20±5） m，响应时间为2.5 ms，工作频率为50~60 Hz，监测的物体必须是大于1 mm的不透明的物体。该传感器为NPN常开型，工作电压为6~36 V，可满足本研究记录爬行中的蜜蜂数量的需求。

　　参考文献：

　　[1] 2018年中国蜜蜂养殖现状分析[EB/OL]. [2020-07-01]. http://www.hbtyxh.com/kunchongyangzhi/shichangfenxi/2019-10-11/15646.html.

　　[2] 何旭江, 曾志将. 蜜蜂生物学与饲养管理技术研究进展[J]. 蜜蜂杂志, 2019, 39(2): 9-12.HE X, ZENG Z. The advance of honeybee biology and beekeeping technology[J]. Journal of Bee, 2019, 39(2): 9-12.

　　[3] 杨少婷, 周冰峰. 谈蜜蜂饲养管理技术的发展[J]. 中国养蜂, 2000(3): 15.YANG S, ZHOU B. On the development of bee feeding and management technology[J]. Apiculture of China, 2000(3): 15.

　　作者杨选将 1,2, 李华龙 1, 李淼 1*, 胡泽林 1, 廖建军 1, 刘先旺 1, 郭盼盼 1, 岳旭东 1

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