蜂巢温度全覆盖采集系统的设计与实现

闫宇，潘炜*，江朝晖，齐磊，余林生

（安徽农业大学 a.信息与计算机学院；b.蜂业研究所，安徽 合肥 230036）



蜂巢温度全覆盖采集系统的设计与实现

闫宇a，潘炜a*，江朝晖a，齐磊b，余林生b

（安徽农业大学 a.信息与计算机学院；b.蜂业研究所，安徽 合肥 230036）

为探索蜂巢内温度变化以及蜂巢恒温调控机理，设计了一种蜂巢温度采集系统。该系统由温度采集电路、嵌入式微处理器、Zigbee无线模块及上位机监测终端组成，其中温度传感器采集电路安放于2巢础间，微处理器及传输电路置于蜂箱外。采集电路以负温度系数热敏电阻作为温度传感器，微处理器控制多路切换开关、AD转换器，采用阵列式结构对巢脾各蜂房温度进行全覆盖检测、采集，采用Zigbee无线网络传输数据，利用C语言基于Visual Studio软件平台开发监测终端软件。试验表明：该系统在自然环境下运行稳定，105 s内可获取蜂巢单张巢脾2 880个蜂房温度数据，覆盖巢脾90%区域，获取温度数据与实际温度值误差小于0.5 ℃。

蜂巢；蜂房；温度采集系统

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中国饲养的蜜蜂蜂种以意大利蜜蜂（意蜂）和中华蜜蜂（中蜂）为主，意蜂饲养占主导位置［1］。温度是影响蜜蜂发育的最重要生态因子之一，与蜜蜂的生长发育、行为活动、生理代谢、蜜蜂群势增长密切相关［2-5］。掌握蜂群温度变化规律对研究蜜蜂种群动态，群体多样性，蜜蜂发育与生殖行为，丰富昆虫发育生物学和蜜蜂生态学具有重要意义，对科学养蜂、提高蜂产品产量和质量具有指导作用。

方文富等［6］将19支精密温度计安装于打孔改装的副盖上，测量蜂群内脾间蜂路中心和箱内空处温度值；Becher等［7］利用NTC传感器，通过传感器技术与电子技术设计巢温测量装置，采用16×16传感器电路获取256点温度，3个子块电路共获取巢脾中心768点温度数据；谭庆忠［8］提出蜂箱专用数字化监测系统，采用热敏电阻和图像传感器获取蜂箱内箱壁处温度数据及图像信息；郭东生等［9］、杨冠煌等［10］采用电子测试仪和多路温度测试仪固定于子脾区、无子脾区和隔板外进行温度测量研究；付月生等［11］用SHT21温湿度传感器按照蜂巢空间对称原则安放30个传感器探头，获取整箱30点温湿度数据。以上蜂巢测温系统主要采用温度计、电子测试仪以及传感器技术测量方法，存在几点不足：一是采样获取蜂箱内巢温数据受采样点、采样位置的影响较大，测量区域有限；二是仪器探头需占据一定空间，会影响蜜蜂活动空间，蜜蜂会聚集探头处形成蜂团，试图将温度探头清理出箱外，从而导致所测温度偏高，测量不准［8］；三是蜜蜂产卵、发育、生长、封盖子等温度数据受蜜蜂生长发育特殊环境影响，数据难以获取。

笔者在文献［7］和前期研究成果［12-13］基础上，设计了一套蜂巢温度采集系统。系统以意蜂巢础为研究对象（意蜂与中蜂巢础大小存在差异），采用NTC热敏电阻传感器作为测温装置，以嵌入式微处理器STM32为核心，设计了阵列式结构温度采集电路、微处理器控制电路及监测终端软件。系统在自然环境下进行了测试，现将结果报道如下。

图1　蜂巢巢温采集系统的结构Fig. 1 Temperature acquisition system for the hive

1　系统结构

蜜蜂巢温采集系统由4个部分组成：温度采集电路、微处理器系统、无线通信传输以及上位机监测终端，如图1所示。PC机运行监测终端软件，设置采集方式、采集时间后，监测终端通过与PC机相连的Zigbee（主机）模块间断定时发出采集指令。试验场蜂箱外采集控制盒中的微处理器通过Zigbee（从机）接收到采集指令后，控制试验巢础框中电路进行温度采集、AD转换，获得数据经微处理器处理后由Zigbee无线网络发送给上位机监测终端，监测终端对接收数据附加时间信息后以txt文档形式存储在电脑中。系统采用电缆连接，室内市电电缆加装漏电保护开关后连接至箱外控制盒，经电源适配器转换，为整个系统供电。

试验巢础框是将制作的与巢础大小相同的试验电路板夹在2巢础之间，电路板一面布有NTC传感器与巢房一一对应，另一面布二极管、AD芯片、多路选择器等器件。PCB板丝印层六边形与巢础六边形吻合，NTC探头弯曲放置使其紧贴巢础，以此测量蜂房温度。

2　系统关键部件的设计

2.1控制电路

巢温采集系统控制电路安装于蜂箱外控制盒中 ， 其 中 包 括 STMicroelectronics公 司 的STM32F103ZET6微处理器最小系统、电平转换Max3232电路、继电器控制电路、参考温度采集DS18B20电路、直流电源适配器等。芯片STM32F103ZET6是一款32位ARM Cortex-M3内核的高性能、低功耗、低成本微处理器，工作频率为72 MHz，具有多路GPIO接口，符合系统设计中对IO口的需求。采用电平转换Max3232电路连接DTK Electronics公司的RS232转Zigbee无线模块［11，14］（可视、开阔传输距离1 600 m），实现5～25 m数据传输需要。系统供电采用直流电源适配器，将AC220V转换为DC9V，为采集电路板供电，Zigbee模块、微处理器系统使用电压转换芯片为其供电。

2.2温度采集电路

为获取蜂巢全覆盖温度数据，设计了阵列式温度采集电路，即采用少量集成电路，制作长42 cm、宽21 cm、厚2 mm的温度采集电路板。电路板安放于2巢础之间，因而对蜜蜂脾间活动、生存空间无影响。

温度采集传感器采用日本芝浦NTC热敏电阻PX3-42H-1%，40行72列传感器构成2 880个温度采样点，布于PCB双面板的一面与巢房对应；另一面放置2 880个二极管1N4448，4片AD芯片TLC2543，18片模拟复用多路器芯片Max4617以及9 V转5 V低压线性稳压器芯片LM1117-5.0等。试验巢础框采集板电路通过端子排I/O接口与微处理器I/O接口相连，采集电路运用点阵原理［15］，设计如图2所示试验巢础框电路。

采集电路原理：NTC与二极管1N4448串联，一路导通时，将4.7 kΩ电阻对应通路压降作为ADC输入量，其他线路由于二极管正向导通反向截止作用而互不影响。采集时，控制盒中继电器动作，采集板中9 V电源接通并转换为5 V供电，八选一芯片U0～U17依次使能工作，同时单个器件八路通道X0～X7依次导通，从而使ADC芯片采集转换温度数据。例如：U0使能，U0的X1路导通，芯片ADC0 与ADC1获取第0列0～19行数据；U0的X2路导通芯片ADC2与ADC3获取第0列20～39行数据，采用相同办法依次获取其他列数据。

图2　NTC传感器阵列电路Fig.2 The circuit of NTC sensors in an array

3　系统软件的设计

系统的软件设计主要包含下位机程序软件的设计和上位机监测终端软件的设计。

3.1下位机程序

下位机程序设计即微处理器运行程序设计。系统通电以后，微处理器对时钟、GPIO口、串口进行初始化，当微处理器通过从机Zigbee接收到上位机监测终端发来的采集指令后，控制采集板供电继电器闭合，调用NTC阵列AD采集程序采集温度数据，采集完成，控制继电器断开，调用DS18B20外界温度采集程序，采集结束，等待下一个采集指令。

3.2上位机监测终端

上位机监测终端软件在Visual Studio 2012软件平台上开发，采用C#语言编写。实现功能包括串口号、波特率、发送/接收方式、采集指令发送时间间隔选择以及接收、存储数据。软件界面如图3所示。

图3　上位机程序界面Fig. 3 Program interface of supervision computer

4　系统运行与结果

4.1试验测试

2015年8月4日至11月2日，在安徽农业大学蜂业研究所试验场进行2次试验测试。试验之前采用精密温度计（0～50 ℃，精度0.1 ）℃对温度采集电路板在15～40 ℃进行校准，使温度采集传感器测量温度与实际温度误差小于0.5 ℃。经测试，采集传感器紧贴巢础背面菱形位置，蜂巢内脾间蜂路、巢脾间隙湿度变化对测温传感器影响较小。

意蜂巢础单张有效测试点约为3 200点，试验测量2 880点，测量范围涵盖巢础90%以上区域。第1次，蜂箱内放置9张巢框，试验巢框放于中间位置；第2次，将红外摄像头安装于箱内一侧，箱内放置4张巢框，试验巢框位于最外层且与摄像头约4张巢框距离，以确保8个摄像头完整获取试验框蜜蜂图像。系统实物与现场测试效果如图4所示。10月23 日15：00采集系统的部分数据列于表1。

图4　采集系统及现场测试结果Fig. 4 The physical map of the acquisition system field test experiment diagram

表1　意蜂中心区域采集的温度Table 1 Temperature in the central area of Apis mellifera ligustica

4.2数据处理及分析

以10月23日03：00、09：00、15：00、21：00的温度数据为例，将获取txt文档数据在Microsoft office Excel 2007中进行统计，利用软件Matlab 2010b对统计数据进行处理，得到各时刻温度最大值、最小值和外界参考温度，统计数据处理得到温度平面图，如图5所示。

图5　10月23日的测量数据的Matlab处理结果Fig. 5 Data processing by Matlab obtained on October 23

获取数据和数据处理结果表明：所测巢脾巢温分布从中央到周围依次降低，降低的幅度与子区（是否有蜂子）的分布有关；蜂巢中心区域温度相对稳定，外界气温的变化对边缘区域有较大影响，蜂巢中心区域温度变化受外界气温影响较小。

温度采集系统在2次连续21 d测试期间，运行稳定，未出现采集电路板故障、数据传输及获取失败现象。

［1］ 陈玛琳，赵芝俊，席桂萍．中国蜂产业发展现状及前景分析［J］．浙江农业学报，2014，26（3）：825-829．

［2］ 余林生，邹运鼎，曹义锋，等．意大利蜜蜂 （Apis mellifera ligustica） 与中华蜜蜂 （Apis cerana ceraca）的生态位比较［J］．生态学报，2008，28（9）：4575-4581．

［3］ 余林生．皖南中华蜜蜂种群数量动态及群体多样性研究［D］．合肥：安徽农业大学，2007．

［4］ 江天宝．温度对蜜蜂卵发育影响的研究［D］．福州：福建农林大学，2004．

［5］ 汪天澍，刘芳，余林生，等．蜜蜂蜂群温湿度调节研究进展［J］．生态学报，2015，35（10）：3172-3179．

［6］ 方文富，褚亮军，何丽琼，等．蜜蜂群势对蜂巢温度的影响［C］//中国养蜂学会蜜蜂饲养管理专业委员会第十二次学术研讨会论文集，2006：88-92．

［7］ Becher M A，Moritz R F A．A new device for continuous temperature measurement in brood cells of honeybees （Apis mellifera）［J］．Apidologie，2009，40（5）：577-584．

［8］ 谭庆忠．蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现［D］．长沙：湖南大学，2012．

［9］ 郭冬生，李琳，李洪群，等．蜂群内温度的变化及调节研究［J］．江西农业大学学报，2006，27（6）：902-904．

［10］ 杨冠煌，孙东江，肖京城，等．中华蜜蜂群体内温度、湿度及 CO2浓度的变化及调节研究［J］．中国农业科学，1999，32（3）：96-101．

［11］ 付月生，潘炜，余林生，等．蜂巢恒温调控机理检测装置的研究［J］．湖北汽车工业学院学报，2015，29（1）：60-63．

［12］ 潘炜，付月生，邢金鹏，等．一种用于研究蜂巢全蜂房温度调控机制的蜂箱：2015202667096［P］．2015-08-12．

［13］ 李想，江朝晖，陆元洲，等．基于微传感器阵列的蜂巢温度监测与分析系统［J］．传感器与微系统，2015，34（11）：63-65．

［14］ 张晓华，张史芳，石如冬．基于 ZigBee 的油井远程监控系统设计与实现 ［J］．控制工程，2013，20（5）：1-4．

［15］ 刘守义．单片机应用技术［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2002：199-202．

责任编辑：罗慧敏

英文编辑：吴志立

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

闫宇（1988—），男，陕西洋县人，硕士研究生，主要从事计算机控制及应用研究，yy_yanyu@126.com；*通信作者，潘炜，副教授，主要从事自动检测系统、计算机控制与应用研究，panwei@ahau.edu.cn

TP274+.2

A

1007-1032（2016）04-0460-05

2016-01-27 修回日期：2016-03-23

国家自然科学基金项目（31272511）