楊選將 李華龍 李淼 胡澤林 廖建軍 劉先旺 郭盼盼 岳旭東

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(wú)線通信等技術(shù)構(gòu)建一種蜂箱蜂群實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是減少因開(kāi)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(duì)蜂箱封閉環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難的現(xiàn)狀，利用STM32F103VBT6 32位微控制器，同時(shí)融合了溫濕度傳感器、微麥克風(fēng)以及激光對(duì)射傳感器，開(kāi)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(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)蜂生產(chǎn)過(guò)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。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(kù)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(jìn)出巢數(shù)量計(jì)數(shù)單元等，通過(guò)接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)部署性能測(cè)試結(jié)果表明，研制的系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)蜂箱內(nèi)溫濕度，有效區(qū)別進(jìn)出蜂箱的蜜蜂并記錄進(jìn)出巢門的蜜蜂數(shù)量，且自動(dòng)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(jì)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。

關(guān)鍵詞： 蜂群箱體;STM32單片機(jī);在線監(jiān)測(cè);傳感器;農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 202004-SA001

引文格式：楊選將， 李華龍， 李淼， 胡澤林， 廖建軍， 劉先旺， 郭盼盼， 岳旭東. 蜂群箱體關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與性能測(cè)試[J]. 智慧農(nóng)業(yè)（中英文）， 2020， 2 （2）： 115-125.

Citation：YANG XuanJiang， LI Hualong， LI Miao， HU Zelin， LIAO Jianjun， LIU Xianwang， GUO Panpan， YUE Xudong. Beehive key parameters online monitoring system and performance test[J]. Smart Agriculture， 2020， 2 （2）： 115-125.

1 引 ?言

中國(guó)從20世紀(jì)30年代開(kāi)始現(xiàn)代化人工養(yǎng)殖蜜蜂，并不斷引入國(guó)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(guó)，2017年蜂群數(shù)量達(dá)920萬(wàn)群[1]。蜜蜂是社會(huì)性群體昆蟲，它們通常共同生活在高度復(fù)雜的社會(huì)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?；顒?dòng)的場(chǎng)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(guò)了解內(nèi)部信息，監(jiān)測(cè)蜂箱內(nèi)蜜蜂生活環(huán)境，可以掌握蜜蜂生產(chǎn)的動(dòng)向，及時(shí)向蜂農(nóng)傳遞蜂群信息并進(jìn)行相關(guān)處理，有效地管理蜂群，以保障蜜蜂的正常生長(zhǎng)和生產(chǎn)[4]。

經(jīng)常性地人工開(kāi)箱檢查蜂箱，會(huì)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(wú)線通信等技術(shù)構(gòu)建一種蜂箱蜂群在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)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(kāi)始，國(guó)外借助聽(tīng)測(cè)儀，即蜂群聲音分析儀來(lái)監(jiān)控分蜂。Cejrowski等[6]利用支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）算法和C分類法監(jiān)測(cè)了分蜂前21天、前8天和前1天時(shí)蜂群所發(fā)出不同的聲音強(qiáng)度分別在240、270和300 Hz的變化，以便養(yǎng)蜂者及時(shí)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(shí)碧奧特公司開(kāi)發(fā)的Api SCAN-Plus型蜜蜂計(jì)數(shù)器，可跟蹤2個(gè)分別帶有獨(dú)立檢測(cè)模塊蜂箱的蜜蜂活動(dòng)規(guī)律，但該系統(tǒng)不是實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。Murphy等[7，8]提出使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）收集蜂群的活動(dòng)和環(huán)境關(guān)鍵信息，并評(píng)估蜂群健康狀況，通過(guò)分析采樣數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)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(kāi)發(fā)出裝有傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)蜂箱內(nèi)聲音、振動(dòng)、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(guò)利用溫濕度探頭，結(jié)合PTR8000+無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊完成蜂箱多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，開(kāi)展了多個(gè)養(yǎng)蜂箱內(nèi)的溫度和濕度相關(guān)信息的實(shí)時(shí)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(jì)了溫度采集和圖像處理功能模塊以及各種接口，可做到無(wú)人值守式監(jiān)測(cè)蜂箱內(nèi)環(huán)境情況。黃洪云[12]發(fā)明并公開(kāi)了一種基于自動(dòng)溫控系統(tǒng)的智能太陽(yáng)能養(yǎng)蜂箱，蜂箱包括溫度控制器、箱體和太陽(yáng)能電池板等，可使用太陽(yáng)能發(fā)電，智能控制溫度，有效地維護(hù)蜜蜂生存環(huán)境，給蜂農(nóng)帶來(lái)方便和效益。柴秋子等[13]基于MSP430超低功耗單片機(jī)研究了設(shè)施草莓環(huán)境的蜜蜂蜂群計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用紅外光電傳感器單獨(dú)感應(yīng)蜜蜂進(jìn)出巢的方向，可在線統(tǒng)計(jì)蜜蜂進(jìn)巢和出巢的頻率，進(jìn)而研究蜜蜂活動(dòng)規(guī)律。張江毅等[14]通過(guò)采集蜂群在蜂巢中的圖像信息，識(shí)別蜂群的行為和生存狀態(tài)，并結(jié)合光電傳感器識(shí)別蜂群進(jìn)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(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蜂箱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)采集蜂箱溫濕度和蜂蜜的重量，該系統(tǒng)也能定時(shí)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(shí)發(fā)出防盜報(bào)警，解決了養(yǎng)蜂戶工作效率低、養(yǎng)蜂規(guī)模擴(kuò)大難的問(wèn)題。

蜂箱與蜂群的信息自動(dòng)采集與分析，是近30年來(lái)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(duì)蜂箱內(nèi)溫度、濕度、蜂群的量采集與檢測(cè)方面，而對(duì)于蜂群而言，聲音、進(jìn)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(cè)手段越來(lái)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(cè)系統(tǒng)，同時(shí)融合了溫濕度傳感器、微麥克風(fēng)以及激光對(duì)射傳感器等，利用多感知源數(shù)據(jù)融合分析方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)蜂群活動(dòng)。其中，聲音數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)后與溫濕度數(shù)據(jù)和蜜蜂進(jìn)出巢數(shù)目等數(shù)據(jù)融合，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，避免了對(duì)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(jìn)行，以便蜂農(nóng)實(shí)時(shí)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(jì)

蜂群箱體關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)，通常將傳感器放置在蜂箱內(nèi)特定位置，不需要人工打開(kāi)蜂箱查驗(yàn)而監(jiān)測(cè)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(diǎn)主要包括：①不干擾蜂群正常生理活動(dòng);②功耗小，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng);③可靠性高，體積小，易于操作;④成本低。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本研究采用模塊化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方式，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、模塊之間干擾更小、系統(tǒng)功耗更低，有利于整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)。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(kù)服務(wù)器等。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用STM32F103VBT6單片機(jī)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(guò)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊上傳溫濕度數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)，音頻數(shù)據(jù)可以保存在本地SD存儲(chǔ)卡（Secure Digital Memory Card）中，以便后續(xù)進(jìn)一步分析蜂群狀態(tài)。為了能夠?qū)崟r(shí)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(chǎng)能一目了然地掌握蜂群的真實(shí)環(huán)境。本設(shè)計(jì)參考了廖建軍等[17]基于WSN的蜂群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制與性能測(cè)試功能，利用WSN技術(shù)在不干擾蜂群狀態(tài)的前提下進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。利用本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的高效管理。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)基于SQL Server開(kāi)發(fā)，采用戴爾（DELL）塔式服務(wù)器電腦主機(jī)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(chǔ)外，其他參數(shù)數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)端。這些數(shù)據(jù)都匯總到DTU（Data Transfer unit）節(jié)點(diǎn)，通過(guò)DTU無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)，利用移動(dòng)通信信號(hào)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)。網(wǎng)頁(yè)端從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端實(shí)時(shí)可視化采集的蜂群數(shù)據(jù)，并實(shí)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(shí)時(shí)掌握蜂箱中蜂群的各種參數(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)部分內(nèi)容如圖2所示。

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(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過(guò)多源傳感器以及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)蜂箱內(nèi)環(huán)境與蜂群活動(dòng)智能監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)蜂場(chǎng)的各蜂箱環(huán)境溫濕度和蜂群聲音強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)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(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)。這些芯片在功耗、速度、內(nèi)存上參差不齊，各有所長(zhǎng)。針對(duì)蜂群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jī)相比，STM32系列主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

①先進(jìn)的內(nèi)核架構(gòu)。STM32系列采用ARM（Advanced RISC Machines）最新的、最先進(jìn)機(jī)構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)，通過(guò)ICode，DCode，System總線與外設(shè)進(jìn)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(shí)鐘樹(shù)，實(shí)時(shí)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(kù)，可加速開(kāi)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(chǔ)器為128 kB，RAM（Random Access Memory）數(shù)據(jù)大小為20 kB，最大時(shí)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(shí)又設(shè)計(jì)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。

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(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)），高速嵌入式存儲(chǔ)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(shí)時(shí)時(shí)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(gè)I/O口和3個(gè)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(chǔ)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(cè)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(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝數(shù)據(jù)到電可擦編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM時(shí)，必須給單總線一個(gè)強(qiáng)上拉，否則由寄生電源供電時(shí)溫濕度轉(zhuǎn)換會(huì)丟失返回值。所以使用漏極開(kāi)路把I/O直接拉到電源上來(lái)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(wú)正負(fù)方向，正負(fù)極連接均工作正常）。溫度測(cè)量范圍為-40～120℃，溫度誤差為±0.1℃;濕度測(cè)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(hào)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(shí)對(duì)單總線提供強(qiáng)上拉。

為能實(shí)時(shí)在線監(jiān)控蜂箱內(nèi)溫濕度，更好地管理蜂群，采用LabVIEW來(lái)編寫監(jiān)測(cè)蜂箱內(nèi)溫濕度的上位機(jī)采集程序。蜂箱溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示。圖中總線控制器發(fā)出一個(gè)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(shí)序，寄生電源會(huì)將總線拉低，而外部電源會(huì)將總線保持為高位。如果總線被拉低，總線控制器就會(huì)知道需要在溫度轉(zhuǎn)換期間對(duì)單總線提供強(qiáng)上拉。

SHT20溫濕度傳感器模塊的通訊接口電路如圖5所示。

3.2.2 進(jìn)出巢蜜蜂數(shù)量計(jì)數(shù)單元

進(jìn)出巢蜜蜂數(shù)量計(jì)數(shù)單元采用兩對(duì)E3F-20C1/20L激光對(duì)射傳感器，檢測(cè)距離為（20±5） m，響應(yīng)時(shí)間為2.5 ms，工作頻率為50～60 Hz，監(jiān)測(cè)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(kāi)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(duì)射傳感器在接收端采用三線，在發(fā)射端采用兩線，NPN常開(kāi)，工作電壓為6～36 V，接線圖如圖6所示。

激光對(duì)射有如下特性：當(dāng)處于正常狀態(tài)時(shí)，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(shí)，接收端就會(huì)觸發(fā)一個(gè)信號(hào)，從而接收端口捕捉到這個(gè)觸發(fā)信號(hào)。如圖7所示。

蜜蜂進(jìn)出巢計(jì)數(shù)任務(wù)利用兩對(duì)激光傳感器融合作用的原理實(shí)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(jìn)出口出，蜂箱設(shè)有一個(gè)蜜蜂通道，靠觸發(fā)傳感器的先后次序來(lái)判斷蜜蜂爬行的方向。當(dāng)蜜蜂從OUT向IN運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先觸發(fā)對(duì)射1中斷，再觸發(fā)對(duì)射2中斷，此時(shí)變量NumberIn加1（見(jiàn)圖8（a））。同理，當(dāng)蜜蜂從IN往向OUT運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先觸發(fā)對(duì)射2中斷，再觸發(fā)對(duì)射1中斷，此時(shí)變量NumberOut加1（見(jiàn)圖8（b））。由此完成蜜蜂進(jìn)出巢的計(jì)數(shù)功能，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給RS232串口。

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(gè)WAVE文件是由RIFF WAVE Chunk、Format Chunk、Fact Chunk（可選）和Data Chunk等若干個(gè)Chunk組成的。通過(guò)配置*.wav文件頭格式來(lái)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(jìn)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(gè)音頻文件的采集時(shí)間為42 s（100頁(yè)，其中頁(yè)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(chǔ)卡后進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。

3.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸單元

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)并達(dá)到無(wú)人值守的目的，需要將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給蜂農(nóng)，以便實(shí)時(shí)了解蜂群狀態(tài)。數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸有多種方式，包括ZigBee、藍(lán)牙、移動(dòng)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(diǎn)[18]。其中移動(dòng)通信具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可對(duì)設(shè)備進(jìn)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(kuò)展性、系統(tǒng)的傳輸容量大、數(shù)據(jù)傳送速率高和通信費(fèi)用低等特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。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(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)和RS232串口，工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸，完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸和實(shí)時(shí)傳送。

通過(guò)ZigBee模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)蜂箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的近距離傳輸與匯聚，無(wú)線收發(fā)模塊將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)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(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送，采用微控制器控制采集節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)子系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)采用人機(jī)交互模塊實(shí)時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息和設(shè)置工作參數(shù)，通過(guò)LCD顯示模塊實(shí)時(shí)顯示來(lái)自所有子節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)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(jìn)行音頻數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)音頻數(shù)據(jù)傳輸基于實(shí)時(shí)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?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。蜂箱內(nèi)采用戴爾 OptiPlex 7060微型工控機(jī)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(jī)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(chǔ)在本地SD存儲(chǔ)卡中進(jìn)行實(shí)時(shí)緩存，而后通過(guò)Python進(jìn)行WebSocket網(wǎng)絡(luò)編程，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器間的全雙工通訊，進(jìn)而通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)與服務(wù)器上位機(jī)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)保持連接，并將生成的存儲(chǔ)SD卡中的wav音頻文件通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)蜂箱內(nèi)蜜蜂聲音文件的遠(yuǎn)程傳輸與存儲(chǔ)。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試

為研制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能和性能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)部署方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(jìn)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(jìn)行。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)部署功能測(cè)試

為開(kāi)展試驗(yàn)，課題組飼養(yǎng)了3箱蜜蜂。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為合肥科學(xué)島西郊（117.17°E，31.91°N），測(cè)試時(shí)間為2019年11月—2020年6月，此期間外界氣溫較低，便于監(jiān)測(cè)蜂箱內(nèi)蜂群的溫濕度狀態(tài)。此外，這個(gè)階段只有少數(shù)作物開(kāi)花，蜂群采粉活動(dòng)減少，蜜蜂出入蜂巢數(shù)量少，便于監(jiān)測(cè)和采集進(jìn)出蜜蜂，適合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。蜂箱及系統(tǒng)部署如圖9所示。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署之后，開(kāi)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(kù)，音頻文件保存在SD存儲(chǔ)卡后進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)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(jì)功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)分析采集數(shù)據(jù)的合理性來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)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(xiàn)。

4.2 基于溫濕度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性分析

為了測(cè)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(diǎn)連接裝在蜜蜂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)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(dòng)進(jìn)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(cè)一個(gè)月（2020年5月20日—6月20日）。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)顯示接收到的數(shù)據(jù)信息并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳到工控主機(jī)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)在連續(xù)監(jiān)測(cè)的1個(gè)月內(nèi)，終端節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)，蜂群中的蜜蜂通過(guò)煽動(dòng)翅膀給周圍環(huán)境降溫;而當(dāng)溫度較低時(shí)，蜜蜂則通過(guò)抱團(tuán)的形式產(chǎn)熱，以確保蜂箱內(nèi)溫濕度相對(duì)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(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估（如圖11所示）。具體評(píng)估方法和評(píng)估結(jié)果如下。

a）波動(dòng)極差：蜂群內(nèi)溫度波動(dòng)幅度（max-min極差）為3.8℃，濕度波動(dòng)幅度為16.9%RH，因此僅僅利用極差來(lái)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(dòng)應(yīng)是蜂群本身活動(dòng)造成的[19]。

5 結(jié) ?論

本研究設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用了溫濕度傳感器、微麥克風(fēng)以及激光對(duì)射傳感器，實(shí)現(xiàn)了蜂箱內(nèi)溫濕度、進(jìn)出巢數(shù)量、聲音等參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)蜂群音頻數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)，蜂箱的溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。性能測(cè)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(jìn)出巢數(shù)目等信息。系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)采集到的音頻數(shù)據(jù)中包含白噪聲，這些噪聲對(duì)后期的數(shù)據(jù)處理有干擾，可能還會(huì)影響識(shí)別的精度。后續(xù)將深入研究音頻信號(hào)中包含的噪聲成分，并選用合適的濾波方法進(jìn)行去噪。

參考文獻(xiàn)：

[1] 2018年中國(guó)蜜蜂養(yǎng)殖現(xiàn)狀分析[EB/OL]. [2020-07-01]. http：//www.hbtyxh.com/kunchongyangzhi/shichangfenxi/2019-10-11/15646.html.

[2] 何旭江， 曾志將. 蜜蜂生物學(xué)與飼養(yǎng)管理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 蜜蜂雜志， 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] 楊少婷， 周冰峰. 談蜜蜂飼養(yǎng)管理技術(shù)的發(fā)展[J]. 中國(guó)養(yǎng)蜂， 2000（3）： 15.

YANG S， ZHOU B. On the development of bee feeding and management technology[J]. Apiculture of China， 2000（3）： 15.

[4] 唐明雙. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)綜述[J]. 科技資訊， 2018， 16（36）： 42-43.

TANG M. Summary of wireless sensor network application technology[J]. Science & Technology Information， 2018， 16（36）： 42-43.

[5] MEIKLE W G， HOLST N. Application of continuous monitoring of honeybee colonies[J]. Apidologie， 2015， 46（1）： 10-22.

[6] CEJROWSKI T， SZYMANSKI J， MORA H， et al. Detection of the bee queen presence using sound analysis[C]// Asian Conference on Intelligent Information and Database Systems. Berlin， German： Springer， 2018： 297-306.

[7] MURPHY F E， MAGNO M， WHELAN P， et al. B+ WSN： Smart beehive for agriculture， environmental， and honey bee health monitoring—Preliminary results and analysis[C]// Piscataway， New York， USA： IEEE， 2015： 1-6.

[8] MURPHY F E， MAGNO M， OLEARY L， et al. Big brother for bees （3B）—Energy neutral platform for remote monitoring of beehive imagery and sound[C]// Piscataway， New York， USA： IEEE， 2015： 106-111.

[9] ?Simon Fraser University. "Technology tracks 'bee talk' to help improve honey bee health."[N/OL]. ScienceDaily. [2020-07-02]. http：//www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170805142358.htm.

[10] 馬德貴， 王飛， 王碩， 等. 養(yǎng)蜂箱內(nèi)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2008， 36（36）： 16236-16237， 16260.

MA D， WANG F， WANG S， et al. Study on the remote monitoring system of temperature and humidity in beehives[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences， 2008， 36（36）： 16236-16237， 16260.

[11] ?譚慶忠. 蜜蜂蜂箱專用數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué)， 2012.

TAN Q. Design and implementation of digital monitoring system special for beehive[D]. Changsha： Hunan University， 2012.

[12] ?黃洪云. 一種基于自動(dòng)溫控系統(tǒng)的智能太陽(yáng)能養(yǎng)蜂箱： CN106550906A[P]. 2017-04-05.

HUANG H. Intelligent solar beekeeping box based on automatic temperature control system： CN106550906A[P]. 2017-04-05.

[13] ?柴秋子， 陳東曉， 余紅， 等. 基于超低功耗單片機(jī)和光電傳感器的蜜蜂計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2017， 33（13）： 193-198.

CHAI Q， CHEN D， YU H， et al. Design of monitoring and counting system for bee colony based on ?ultralow-power consumption MCU and photoelectric sensor[J]. Transactions of the CSAE， 2017， 33（13）： 193-198.

[14] ?張江毅， 陳丹紅， 衣天宇. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能蜂箱與智能蜂場(chǎng)的研究與開(kāi)發(fā)[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2019， 3： 102-103.

ZHANG J， CHEN D， YI T， et al. Research and development of intelligent beehive based on Internet of Things technology[J]. Scientific and Technological Innovation， 2019， 3： 102-103.

[15] ?張曉青， 馮奇杰. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蜂箱管理系統(tǒng)[J]. 通訊世界， 2019， 26（12）： 28-30.

ZHANG X， FENG Q. Beehive management system based on Internet of Things technology[J]. Telecom World， 2019， 26（12）： 28-30.

[16] ?ALGHAMDI A S H， GRAY A. Multivariate statistics for analysis of honey bee propolis[C]// Royal Statistical Society Conference 2017. Hoboken， New Jersey： John Wiley & Sons， Inc.， 2017.

[17] ?廖建軍， 李淼， 李華龍， 等. 基于WSN的蜂群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制與性能測(cè)試[J]. 儀表技術(shù)， 2018（9）： 1-5， 50.

LIAO J， LI M， LI H， et al. A WSN-based honeybee colony monitoring system and its performance[J]. Instrumentation Technology， 2018（9）： 1-5， 50.

[18] STABENTHEINER A， PRESSL H， PAPST T. Endothermic heatproductionin honeybee winter clusters[J]. Journal of Experimental Biology， 2003， 206（2）： 353-358.

[19] JIANG J A， WANG C H， CHEN C H， et al. A WSN-based automatic monitoring system for the foraging behavior of honey bees and environmental factors of beehives[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2016， 123： 304-318.

[20] KVIESIS A， ZACEPINS A， RIDERS G. Honey bee colony monitoring with implemented decision support system[C]// 14th International Scientific Conference Engineering for Rural Development. Jelgava， Latvia： Latvia University of Agriculture， 2015： 20-22.

[21] ?范春輝. 物聯(lián)網(wǎng)短距離無(wú)線傳輸技術(shù)研究[J]. 無(wú)線互聯(lián)科技， 2017， 10（19）： 23-24.

FAN C. Study on short-range wireless transmission technology in Internet of Things[J]. Wireless Internet Technology， 2017， 10（19）： 23-24.

Abstract： With the development of information technology， using big data analysis， monitoring of Internet of Things， sensor perception， wireless communication and other technologies to build a real-time online monitoring system for beehive is a feasible solution for reducing the stress response of bee colony caused by check the beehive artificially. Focusing on situation that real-time monitoring in the closed environment of the beehive is difficult， the STM32F103VBT6 32-bit microcontroller， integrated with the temperature and humidity sensor， microphone， and laser beam sensor were used in this study to develop a low-power， continuous working online monitoring system for the multi-parameter information acquisition and monitoring of beehive key parameters. The system mainly includes core processing module， data acquisition module， data sending module and database server. The data collection module includes a temperature and humidity collection unit inside the beehive， a bee colony sound collection unit， a bee in and out nest number counting unit， etc.， and transfers data by accessing the mobile communication network. The performance test results of system on-site deployment showed that the developed system could monitor the temperature and humidity in the beehive in real time， effectively distinguish the bees of entering and leaving the beehive， record the numbers of bees of entering and leaving the nest door， and the bee colony sounds that the automatically obtained were consistent with the standard sound distribution of bee colony. The results indicate that this system meets the design requirements， can accurately and reliably collect the beehive parameters data， and can be used as a data collection method for related research of bee colony.

Key words： bee colony; STM32; online monitoring; sensor; agricultural Internet of Things