蜂群箱體關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)與性能測試

　　摘要: 隨著信息技術(shù)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(shù)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(yīng)激反應(yīng)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(fēng)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(guān)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(wù)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)的蜂群聲音分布相吻合。本系統(tǒng)符合設(shè)計要求，采集參數(shù)準(zhǔn)確可靠，可以作為蜂群相關(guān)研究的數(shù)據(jù)采集方法。

　　本文源自智慧農(nóng)業(yè)(中英文)【2020年第2期】《智慧農(nóng)業(yè)(中英文)》(季刊)是國家新聞出版署批準(zhǔn)、國內(nèi)外公開發(fā)行的農(nóng)業(yè)工程類學(xué)術(shù)期刊，由中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部主管，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所主辦，《智慧農(nóng)業(yè)(中英文)》編輯委員會學(xué)術(shù)指導(dǎo)，《智慧農(nóng)業(yè)(中英文)》編輯部編輯出版。

　　關(guān)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)

　　1 引 言

　　中國從20世紀(jì)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(shù)，目前已成為世界養(yǎng)蜂第一大國，2017年蜂群數(shù)量達(dá)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(fù)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(xué)、聲音和舞蹈等。蜂箱是蜜蜂群日常活動的場所，蜂箱內(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(guān)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(yīng)激反應(yīng)。隨著信息技術(shù)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(shù)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(yīng)激反應(yīng)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(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)收集蜂群的活動和環(huán)境關(guān)鍵信息，并評估蜂群健康狀況，通過分析采樣數(shù)據(jù)預(yù)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(guān)。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(guān)信息，從而使得養(yǎng)蜂人可以迅速作出反應(yīng)[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(yuǎn)程傳輸，開展了多個養(yǎng)蜂箱內(nèi)的溫度和濕度相關(guān)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(dāng)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(xué)工作者的努力的目標(biāo)，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(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)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(shù)，根據(jù)蜜蜂的生物學(xué)特性，構(gòu)建了低功耗、可持續(xù)工作的蜂群箱體關(guān)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(fēng)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(luò)無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)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(xué)決策。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　蜂群箱體關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)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(shè)計思路

　　本研究采用模塊化系統(tǒng)電路設(shè)計方式，使得系統(tǒng)設(shè)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(wù)器等。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　圖1　蜂群箱體在線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

　　Fig. 1 Schematic diagram of beehive on-line monitoring system

　　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(shè)備為溫濕度傳感器、射頻傳感器和微麥克風(fēng)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(shè)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(shù)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(shè)計

　　系統(tǒng)的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫基于SQL Server開發(fā)，采用戴爾(DELL)塔式服務(wù)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(wù)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。

　　圖2　數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲示意圖

　　Fig. 2 Schematic diagram of database data storage

　　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(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過多源傳感器以及移動通信網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(yuǎn)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(yuǎn)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(shè)進行連接。

　　②具有3種低功耗模式。擁有復(fù)雜、精細(xì)控制的時鐘樹，實時性好。

　　③豐富合理的外設(shè)。具有端口復(fù)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(shè)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。

　　圖3　電源管理電路

　　Fig. 3 Power management circuit

　　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(dá)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(dāng)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(fù)方向，正負(fù)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(yù)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。

　　圖4　蜂箱溫濕度監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

　　Fig. 4 Beehive temperature and humidity monitoring structure chart

　　SHT20溫濕度傳感器模塊的通訊接口電路如圖5所示。

　　圖5　SHT20溫濕度傳感器接口電路

　　Fig. 5 Interface circuit of SHT20 temperature and humidity sensors

　　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(yīng)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。

　　圖6　激光對射傳感器接線圖

　　Fig. 6 Wiring of the laser beam sensor

　　激光對射有如下特性：當(dāng)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(dāng)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。

　　圖7　激光對射原理圖

　　Fig. 7 The principle diagram of laser beam

　　蜜蜂進出巢計數(shù)任務(wù)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(shè)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(dāng)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(dāng)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。

　　(a)　蜜蜂進巢計數(shù)

　　(b)　蜜蜂出巢計數(shù)

　　圖8　蜜蜂進出巢計數(shù)原理圖

　　Fig. 8 Principle diagram of bees counting in and out of nest

　　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(fēng)，頻率響應(yīng)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(wù)包括配置WAVE頭格式和目標(biāo)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(shè)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(fēng)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(shè)接口(SPI)協(xié)議，將該wav文件保存到本地SD存儲卡后進行遠(yuǎn)程無線傳輸。

　　3.3　數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸單元

　　為實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測并達(dá)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(lán)牙、移動通信網(wǎng)絡(luò)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(shè)備進行遠(yuǎn)程控制、建設(shè)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(luò)和RS232串口，工業(yè)級設(shè)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送，經(jīng)GPRS模塊遠(yuǎn)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(shè)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(dá)芬奇架構(gòu)的高性能處理器配合相應(yīng)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(luò)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(fēng)，將微型麥克風(fēng)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(fēng)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(luò)編程，實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器間的全雙工通訊，進而通過無線網(wǎng)絡(luò)實時與服務(wù)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(luò)發(fā)送至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)蜂箱內(nèi)蜜蜂聲音文件的遠(yuǎn)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(xué)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。

　　注： 1.監(jiān)測系統(tǒng) 2.蜂箱

　　圖9　蜂箱及系統(tǒng)部署圖

　　Fig. 9 Deployment diagram of the system and beehive

　　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(yuǎn)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(shè)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(xí)性及相關(guān)參考文獻。

　　圖10　系統(tǒng)實際監(jiān)測界面

　　Fig. 10 Interface of system monitoring

　　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(fù)，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(guān)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(dāng)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(dāng)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(xí)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(zhǔn)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(yīng)是蜂群本身活動造成的[19]。

　　b)變異系數(shù)：由于溫度和濕度數(shù)據(jù)的量綱不同，要考慮消除量綱影響，采用變異系數(shù)(Coefficient of Variation，C.V)來評定數(shù)據(jù)的離散程度[19]。C.V為原數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與原數(shù)據(jù)平均值的比值。變異系數(shù)的運算公式為：

　　C.V =(BD/MN)×100% (1)

　　其中，C.V代表變異系數(shù);BD代表溫濕度標(biāo)準(zhǔn)差;MN代表溫濕度平均值。

　　根據(jù)測試數(shù)據(jù)，箱內(nèi)溫度C.V約為0.0375，濕度C.V約為0.0852。溫濕度C.V雖存在差異，但值均較小，表明監(jiān)測結(jié)果具有相對穩(wěn)定性[20]。這說明試驗結(jié)果與蜂箱內(nèi)環(huán)境預(yù)期是一致的，表明本系統(tǒng)在實時監(jiān)測蜂箱內(nèi)溫濕度方面是可行的。

　　圖11　蜂群巢內(nèi)溫濕度監(jiān)測結(jié)果

　　Fig. 11 Monitoring results of temperature and humidity in beehive

　　4.3　基于進出巢蜜蜂數(shù)量的數(shù)據(jù)可靠性分析

　　利用本系統(tǒng)的進出巢蜜蜂數(shù)量計數(shù)單元，采集得到進出巢蜜蜂數(shù)量數(shù)據(jù)，其日變化如圖12所示。可以看出，隨著監(jiān)測時間推移，出巢蜜蜂數(shù)量比進出蜜蜂數(shù)量略有增加，即少數(shù)蜜蜂出巢后沒有返巢，可能是因為死亡或迷失方向不能返巢等。

　　圖12　蜜蜂進出蜂箱監(jiān)測結(jié)果

　　Fig. 12 Monitoring results of bees in and out of hive

　　為了得出蜜蜂的活躍性和溫度之間的關(guān)系，擬合蜜蜂進出巢數(shù)據(jù)曲線和溫度數(shù)據(jù)曲線，得到圖12中紅線，從紅線的斜率可以看出，在同一天中，當(dāng)溫度較高時蜜蜂的活躍性更高，蜜蜂進出巢的趨勢和溫度成正比關(guān)系，基本符合蜜蜂進出巢的規(guī)律;對12:30、13:30、14:30和15:30四個時刻監(jiān)測數(shù)據(jù)進行重復(fù)測量方差分析，進出巢蜜蜂數(shù)量在這四個時刻沒有顯著差異(p=0.0398，<0.05)。此結(jié)果表明，研制的系統(tǒng)可有效區(qū)別進出蜂箱的蜜蜂并記錄進出巢門的蜜蜂數(shù)量。

　　4.4　基于蜜蜂音頻數(shù)據(jù)的可靠性分析

　　從文獻[17]中可得知，蜂群聲音頻率范圍在100~700 Hz，具有3~4個波峰，如圖13所示。

　　圖13　蜂群音頻波形圖

　　Fig. 13 Audio waveform of bee colony

　　從本地SD存儲卡中讀取音頻數(shù)據(jù)，簡單地對數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，將音頻數(shù)據(jù)變換到頻域以獲得頻率分布圖，其公式為：

　　‘、;

　　其中，

　　?

　　表示傅里葉變換之后的結(jié)果。

　　利用相關(guān)函數(shù)做音頻信號的頻譜圖，如圖14所示。從此波形圖可看到有4幅波峰，分別分布在110 Hz、240~260 Hz、350 Hz、500 Hz處，表明在線監(jiān)測系統(tǒng)自動獲取的蜂群聲音與標(biāo)準(zhǔn)的蜂群聲音分布相吻合，可供后續(xù)相關(guān)研究分析。[21]

　　圖14　實驗蜂群音頻波形圖

　　Fig. 14 Audio waveform of experimental bee colony

　　5 結(jié) 論

　　本研究設(shè)計了一種基于信息技術(shù)技術(shù)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(fēng)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(yuǎn)程服務(wù)器。性能測試結(jié)果表明系統(tǒng)可準(zhǔn)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(shè)計要求，采集參數(shù)準(zhǔn)確可靠，可以作為蜂群相關(guān)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。