蜂巢恒溫調控機理檢測裝置的研究

付月生，潘煒，余林生，汪天澍

（1.安徽農業大學信息與計算機學院，安徽合肥230036；2.安徽農業大學蜂業研究所，安徽合肥2300362.）

蜂巢恒溫調控機理檢測裝置的研究

付月生1，潘煒1，余林生2，汪天澍2

（1.安徽農業大學信息與計算機學院，安徽合肥230036；2.安徽農業大學蜂業研究所，安徽合肥2300362.）

為了研究蜂巢恒溫調控機理，設計了一種能夠在蜂群處于原生態環境下進行溫濕度測量的裝置。該系統根據巢脾擺放特點，按蜂巢空間對稱原則放置溫濕度傳感器。上位計算機控制下位單片機何時采集，單片機采集溫濕度傳感器信號經處理后輸出并通過無線發送模塊發送數據，無線接收模塊接收數據并傳送給計算機，計算機實時顯示溫濕度和相應時間并保存。實際應用表明：系統使用方便，數據傳輸可靠，所測數據符合蜜蜂生物學特點，為后續進一步研究蜂巢恒溫調控機理提供數據支持。

蜂巢恒溫調控機理；原生態環境；傳感器陣列；無線傳輸

溫度是氣候因素中對蜜蜂生命活動影響最大的因素［1］，而蜜蜂對蜂巢內溫度具有調節能力，在寒冷季節,蜜蜂緊縮總體呈橢球狀分布,在溫暖季節,蜜蜂散開在各張巢脾上呈近乎均勻分布。尤其在其繁殖后代的時候，蜂巢內基本維持在最適宜蜂卵孵化的溫度。濕度對蜜蜂胚胎期、配后期發育以及對蜂巢內的溫度皆有一定的影響，［2］進而全面、準確、有效地采集蜂箱內部溫濕度數據對于研究蜂巢的恒溫調控機理具有重要意義。

對于蜂巢內部溫濕度檢測方法，國內有檢測蜂巢內的溫濕度技術，存在如下缺陷：1）探頭體積過大，不利于安裝；2）一個點或幾個點不能代表蜂巢內部溫濕度空間變化；3）太大的體積改變了蜂巢原生態環境，測得結果不能正確反映實際蜂群生態情況。本系統主要用于研究蜂巢恒溫機制實驗，設計確保了蜜蜂生長處于原生態環境，實現了能同時檢測記錄蜂巢內30個所需監測點以及1個外部監測點的溫濕度信息及相應時間。

1 系統總體結構

系統總體結構如圖1所示。每個溫濕度傳感器陣列由10個高精度微型溫濕度傳感器SHT21組成，采集的溫濕度信號經SHT21轉換成為脈沖信號，直接送入STC12C5A60S2單片機中，單片機作為下位機的控制核心，接收上位機發來的命令信號，控制傳感器陣列及外部傳感器采集蜂箱內外溫濕度數據，采集的結果經數據傳送模塊以無線通信方式或有線通信方式傳送至計算機。計算機對采集的數據進行處理，實時的顯示在相應的窗口，并可將測量結果與測量時間一起保存在計算機中。

圖1 系統總體結構圖

2 溫濕度采集系統設計

2.1 溫濕度傳感器

系統設計對蜂箱內30個監測點進行溫濕度信息采集，由于蜂箱內部空間有限且基本維持在一個恒定溫度，就需要選擇一款微型、高精度溫濕度傳感器，本系統選取尺寸超小的數字溫度和濕度傳感器SHT21作為測量溫濕度部件。

SHT21是Sensirion公司推出的一款尺寸超小的數字濕度和溫度傳感器，［3］尺寸只有3×3 mm，高度為1.1mm，采用DFN3-0封裝方式，經過完全標定，提供I2C數字接口，數字通信可大大降低功耗，正常工作狀態，功耗可在3 μW以內，傳感器典型相對濕度精度±2%（20%～80%），溫度精度±0.3℃（25～42℃）。傳感器引腳包括供電電壓VDD、地線VSS、串行數據SDA、串行時鐘SCL 4個引腳，使用時需將VDD與VSS之間接一個去耦電容，控制器與SDA、SCL之間接上拉電阻，以保證控制器驅動SDA和SCL在低電平。傳感器內部設置的分辨率為相對濕度12位，溫度14位，SDA輸出數據被轉換成2個字節的數據包，輸出相對濕度信號SRH和溫度信號ST。由SRH、ST即可通過式（1）～（2）計算出相對濕度RH（%）和溫度T（℃）。

2.2 溫濕度傳感器陣列

為研究蜂巢恒溫調控機制，要求在蜂群原生態環境下檢測蜂箱內所需監測點的溫濕度信息。結合蜂箱結構特點，利用空間及平面對稱設計將傳感器懸吊于蜂箱內巢脾與巢脾的間隙中，2個縫隙中的10個高精度微型溫濕度傳感器SHT21組成一個溫濕度傳感器陣列，由STC12C5A60S2單片機控制。

傳感器典型電路如圖2所示。設計將傳感器懸吊于蜂箱脾與脾之間的縫隙中，所以本系統設計用傳感器的典型電路引出VDD，SDA，VSS，SCL這4根線連接至主控制器。為方便電路設計，分別用標號1，2，3，4對應VDD，SDA，VSS，SCL。

圖2 傳感器典型電路

由于STC12C5A60S2單片機不具備串行12C總線接口，故使用通用I/O口線來虛擬串行12C總線，但單片機各引腳之間存在微小的干擾，經反復實驗測得P0.0與P0.1、P0.2與P0.3、P0.4與P0.5、P0.6與P0.7、P1.2與P1.3、P1.4與P1.5、P1.6與P1.7、P2.0與P2.1、P3.4與P3.5、P3,6與P3.7之間互不干擾，一組傳感器陣列與單片機的硬件電路如圖3所示。

圖3 一組傳感器陣列與單片機接口連接電路

2.3 通信接口

本采集系統實現了有線通信方式和無線通信方式傳送下位機采集的溫濕度數據。有線通信方式使用標準RS-232接口，該接口是單片機與PC機進行通信最常用的一種接口，但串口不能直接與單片機相連，需要選用MAX232芯片進行電平轉換，其線路連接簡單，傳輸電纜最長約為15m［4］。無線通信方式選擇DTK2617A—Zigbee無線模塊，需將波特率、模塊節點類型進行設置，本系統設置1個Coordination類型和3個Router類型，Coordination與PC機相連，Router與單片機相連。其接口電路與有線通信方式相同，采用三線制法，即接收數據引腳RXD與發送數據引腳TXD相連，彼此交叉，形成交叉線，接口電路如圖4所示。

圖4 接口電路

3 軟件設計

3.1 下位機軟件編程

下位機由STC12C5A60S2單片機作為主控制器，主程序中主要包括讀取溫度子程序、讀取濕度子程序、串口發送與接收子程序。整體程序流程圖如圖5所示，讀取溫度子程序、讀取濕度子程序分別用來讀取SHT21采集的蜂箱溫濕度，串口發送與接收子程序用來接收上位機的命令信號，如接收到命令，則單片機控制傳感器采集溫濕度并將采集到的溫濕度信息傳送至上位機處理顯示，若沒接收到上位機的命令信號則繼續等待上位機命令。3個單片機的程序流程相同，區別在于向計算機傳送采集數據的時間不同，利用軟件延時，順序傳輸。

圖5 下位機程序流程圖

3.2 上位機軟件編程

上位機采用Visual C++編寫程序，實現PC機與多單片機之間的串行通信。［5］通過選擇不同采集方式獲取蜂箱內部和外部溫濕度數據，根據通信方式設置波特率，有線通信方式為9600 b·s-1，無線通信方式為38400 b·s-1，串口號根據實際使用的串口設定。在軟件界面上可以選擇定時采集溫濕度數據以及即時采集溫濕度數據2種方式，不同時間采集的溫濕度數據顯示在對應的窗口上，便于比較同一監測點在不同時間的差異，也可比較同一時間不同監測點的溫濕度大小。30個內部監測點以及1個外部監測點的溫濕度數據全部可以實時顯示并與采集時間存儲在計算機中，方便對蜂巢恒溫調控機制的研究。

4 實際應用

將蜂巢溫濕度檢測裝置放入實驗蜂箱中進行實際操作，蜂箱內放置9片巢脾，結果如表1所示，測試地點為安徽農業大學生物科技樓地下室冷凍庫，測試時間為2014-09-14T17∶09。

通過測試所得數據，可以直觀的看出蜂箱內部溫度明顯高于外部溫度。蜂箱內部溫度變化趨勢滿足以下規律：1）在巢框平面上，溫度由巢框中心向左右兩邊逐漸遞減，例如溫度從表中第3（C）點分別向第1（A）點、第5（E）點遞減；2）在蜂箱空間結構上，蜂箱內部中間間隙的監測點溫度高于同一位置處于邊緣間隙的監測點溫度，例如表中第18（C）點溫度高于第3（C）點、第28（C）點溫度。以上結論符合蜜蜂在寒冷季節呈橢球形分布狀況。

表1 實際采集溫濕度數據

5 結束語

蜂巢恒溫調控機制不僅是蜂學研究的熱點問題，而且對人類認知、環境改造具有重要的借鑒價值。本采集系統準確、有效、全面地采集了蜂箱內溫濕度數據，將蜂箱內的溫濕度與蜂箱外的溫濕度進行對比，直觀地顯示蜂巢的恒溫現象。本系統對采集的溫濕度數據進行處理和保存，為后續研究蜂巢恒溫調控機制提供了有力的理論依據，具有重要的意義。

［1］曹義鋒，余林生，畢守東，丁建.溫度對蜜蜂影響的研究進展［J］.蜜蜂雜志，2007（4）：13-15.

［2］楊令中.外界因素對蜜蜂發育的影響［J］.中國養蜂，1980（1）：20-21.

［3］SHT21數字濕度和溫度傳感器［J］.傳感器世界，2010（5）：46.

［4］馮賓.基于單片機的蜂巢溫濕度采集系統［J］.機械工程與自動化，2009（5）：139-141.

［5］陸建華.PC機與多單片機的串行通信［J］.中國現代教育裝備，2010（1）：35-38.

Research on Detection Device of Hive Thermostatic Regulatory Mechanism

Fu Yuesheng1,Pan Wei1,Yu Linsheng2,Wang Tianshu2
（1.School of Information and Computer，Anhui Agriculture University，Hefei 230036，China；2.Institute of Bee Research，Anhui Agriculture University，Hefei 230036，China）

In order to study the hive constant temperature regulatory mechanism,a measuring temperature and humidity device was designed in a way to be in the colony under the original ecological environment.Based on the characteristics of the honeycomb position,the temperature and humidity sensors were placed by the hive space symmetry principle.The microcontroller was controlled by the host computer to collect the temperature and humidity sensor signals,and the processed data were transmitted through wireless module and received via wireless transmission module,and then transmitted to the computer.The real-time data of temperature and humidity and the corresponding time were displayed by the computer and saved.The practical application shows that the system is easy to use,reliable to transmit data.The measured data are consistent with the biological characteristics of bees.It provides data for supporting subsequent studies of hives thermostat regulatory mechanism.

hive thermostatic regulatory mechanisms；environment of original ecological；sensor array; wireless transmission

TP272

B

1008-5483（2015）01-0060-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2015.01.013

2014-10-16

付月生（1989-），男，碩士生，主要從事計算機控制與應用研究。E-mail：812198079@qq.com

潘煒（1959-），女，副教授，碩士生導師，主要從事電子線路設計、自動檢測系統設計、計算機控制與應用研究。E-mail：panwei@ahau.edu.cn