蜂巢恒温调控机理检测装置的研究

付月生，潘炜，余林生，汪天澍

（1.安徽农业大学信息与计算机学院，安徽合肥230036；2.安徽农业大学蜂业研究所，安徽合肥2300362.）

蜂巢恒温调控机理检测装置的研究

付月生1，潘炜1，余林生2，汪天澍2

（1.安徽农业大学信息与计算机学院，安徽合肥230036；2.安徽农业大学蜂业研究所，安徽合肥2300362.）

为了研究蜂巢恒温调控机理，设计了一种能够在蜂群处于原生态环境下进行温湿度测量的装置。该系统根据巢脾摆放特点，按蜂巢空间对称原则放置温湿度传感器。上位计算机控制下位单片机何时采集，单片机采集温湿度传感器信号经处理后输出并通过无线发送模块发送数据，无线接收模块接收数据并传送给计算机，计算机实时显示温湿度和相应时间并保存。实际应用表明：系统使用方便，数据传输可靠，所测数据符合蜜蜂生物学特点，为后续进一步研究蜂巢恒温调控机理提供数据支持。

蜂巢恒温调控机理；原生态环境；传感器阵列；无线传输

温度是气候因素中对蜜蜂生命活动影响最大的因素［1］，而蜜蜂对蜂巢内温度具有调节能力，在寒冷季节,蜜蜂紧缩总体呈椭球状分布,在温暖季节,蜜蜂散开在各张巢脾上呈近乎均匀分布。尤其在其繁殖后代的时候，蜂巢内基本维持在最适宜蜂卵孵化的温度。湿度对蜜蜂胚胎期、配后期发育以及对蜂巢内的温度皆有一定的影响，［2］进而全面、准确、有效地采集蜂箱内部温湿度数据对于研究蜂巢的恒温调控机理具有重要意义。

对于蜂巢内部温湿度检测方法，国内有检测蜂巢内的温湿度技术，存在如下缺陷：1）探头体积过大，不利于安装；2）一个点或几个点不能代表蜂巢内部温湿度空间变化；3）太大的体积改变了蜂巢原生态环境，测得结果不能正确反映实际蜂群生态情况。本系统主要用于研究蜂巢恒温机制实验，设计确保了蜜蜂生长处于原生态环境，实现了能同时检测记录蜂巢内30个所需监测点以及1个外部监测点的温湿度信息及相应时间。

1 系统总体结构

系统总体结构如图1所示。每个温湿度传感器阵列由10个高精度微型温湿度传感器SHT21组成，采集的温湿度信号经SHT21转换成为脉冲信号，直接送入STC12C5A60S2单片机中，单片机作为下位机的控制核心，接收上位机发来的命令信号，控制传感器阵列及外部传感器采集蜂箱内外温湿度数据，采集的结果经数据传送模块以无线通信方式或有线通信方式传送至计算机。计算机对采集的数据进行处理，实时的显示在相应的窗口，并可将测量结果与测量时间一起保存在计算机中。

图1 系统总体结构图

2 温湿度采集系统设计

2.1 温湿度传感器

系统设计对蜂箱内30个监测点进行温湿度信息采集，由于蜂箱内部空间有限且基本维持在一个恒定温度，就需要选择一款微型、高精度温湿度传感器，本系统选取尺寸超小的数字温度和湿度传感器SHT21作为测量温湿度部件。

SHT21是Sensirion公司推出的一款尺寸超小的数字湿度和温度传感器，［3］尺寸只有3×3 mm，高度为1.1mm，采用DFN3-0封装方式，经过完全标定，提供I2C数字接口，数字通信可大大降低功耗，正常工作状态，功耗可在3 μW以内，传感器典型相对湿度精度±2%（20%～80%），温度精度±0.3℃（25～42℃）。传感器引脚包括供电电压VDD、地线VSS、串行数据SDA、串行时钟SCL 4个引脚，使用时需将VDD与VSS之间接一个去耦电容，控制器与SDA、SCL之间接上拉电阻，以保证控制器驱动SDA和SCL在低电平。传感器内部设置的分辨率为相对湿度12位，温度14位，SDA输出数据被转换成2个字节的数据包，输出相对湿度信号SRH和温度信号ST。由SRH、ST即可通过式（1）～（2）计算出相对湿度RH（%）和温度T（℃）。

2.2 温湿度传感器阵列

为研究蜂巢恒温调控机制，要求在蜂群原生态环境下检测蜂箱内所需监测点的温湿度信息。结合蜂箱结构特点，利用空间及平面对称设计将传感器悬吊于蜂箱内巢脾与巢脾的间隙中，2个缝隙中的10个高精度微型温湿度传感器SHT21组成一个温湿度传感器阵列，由STC12C5A60S2单片机控制。

传感器典型电路如图2所示。设计将传感器悬吊于蜂箱脾与脾之间的缝隙中，所以本系统设计用传感器的典型电路引出VDD，SDA，VSS，SCL这4根线连接至主控制器。为方便电路设计，分别用标号1，2，3，4对应VDD，SDA，VSS，SCL。

图2 传感器典型电路

由于STC12C5A60S2单片机不具备串行12C总线接口，故使用通用I/O口线来虚拟串行12C总线，但单片机各引脚之间存在微小的干扰，经反复实验测得P0.0与P0.1、P0.2与P0.3、P0.4与P0.5、P0.6与P0.7、P1.2与P1.3、P1.4与P1.5、P1.6与P1.7、P2.0与P2.1、P3.4与P3.5、P3,6与P3.7之间互不干扰，一组传感器阵列与单片机的硬件电路如图3所示。

图3 一组传感器阵列与单片机接口连接电路

2.3 通信接口

本采集系统实现了有线通信方式和无线通信方式传送下位机采集的温湿度数据。有线通信方式使用标准RS-232接口，该接口是单片机与PC机进行通信最常用的一种接口，但串口不能直接与单片机相连，需要选用MAX232芯片进行电平转换，其线路连接简单，传输电缆最长约为15m［4］。无线通信方式选择DTK2617A—Zigbee无线模块，需将波特率、模块节点类型进行设置，本系统设置1个Coordination类型和3个Router类型，Coordination与PC机相连，Router与单片机相连。其接口电路与有线通信方式相同，采用三线制法，即接收数据引脚RXD与发送数据引脚TXD相连，彼此交叉，形成交叉线，接口电路如图4所示。

图4 接口电路

3 软件设计

3.1 下位机软件编程

下位机由STC12C5A60S2单片机作为主控制器，主程序中主要包括读取温度子程序、读取湿度子程序、串口发送与接收子程序。整体程序流程图如图5所示，读取温度子程序、读取湿度子程序分别用来读取SHT21采集的蜂箱温湿度，串口发送与接收子程序用来接收上位机的命令信号，如接收到命令，则单片机控制传感器采集温湿度并将采集到的温湿度信息传送至上位机处理显示，若没接收到上位机的命令信号则继续等待上位机命令。3个单片机的程序流程相同，区别在于向计算机传送采集数据的时间不同，利用软件延时，顺序传输。

图5 下位机程序流程图

3.2 上位机软件编程

上位机采用Visual C++编写程序，实现PC机与多单片机之间的串行通信。［5］通过选择不同采集方式获取蜂箱内部和外部温湿度数据，根据通信方式设置波特率，有线通信方式为9600 b·s-1，无线通信方式为38400 b·s-1，串口号根据实际使用的串口设定。在软件界面上可以选择定时采集温湿度数据以及即时采集温湿度数据2种方式，不同时间采集的温湿度数据显示在对应的窗口上，便于比较同一监测点在不同时间的差异，也可比较同一时间不同监测点的温湿度大小。30个内部监测点以及1个外部监测点的温湿度数据全部可以实时显示并与采集时间存储在计算机中，方便对蜂巢恒温调控机制的研究。

4 实际应用

将蜂巢温湿度检测装置放入实验蜂箱中进行实际操作，蜂箱内放置9片巢脾，结果如表1所示，测试地点为安徽农业大学生物科技楼地下室冷冻库，测试时间为2014-09-14T17∶09。

通过测试所得数据，可以直观的看出蜂箱内部温度明显高于外部温度。蜂箱内部温度变化趋势满足以下规律：1）在巢框平面上，温度由巢框中心向左右两边逐渐递减，例如温度从表中第3（C）点分别向第1（A）点、第5（E）点递减；2）在蜂箱空间结构上，蜂箱内部中间间隙的监测点温度高于同一位置处于边缘间隙的监测点温度，例如表中第18（C）点温度高于第3（C）点、第28（C）点温度。以上结论符合蜜蜂在寒冷季节呈椭球形分布状况。

表1 实际采集温湿度数据

5 结束语

蜂巢恒温调控机制不仅是蜂学研究的热点问题，而且对人类认知、环境改造具有重要的借鉴价值。本采集系统准确、有效、全面地采集了蜂箱内温湿度数据，将蜂箱内的温湿度与蜂箱外的温湿度进行对比，直观地显示蜂巢的恒温现象。本系统对采集的温湿度数据进行处理和保存，为后续研究蜂巢恒温调控机制提供了有力的理论依据，具有重要的意义。

［1］曹义锋，余林生，毕守东，丁建.温度对蜜蜂影响的研究进展［J］.蜜蜂杂志，2007（4）：13-15.

［2］杨令中.外界因素对蜜蜂发育的影响［J］.中国养蜂，1980（1）：20-21.

［3］SHT21数字湿度和温度传感器［J］.传感器世界，2010（5）：46.

［4］冯宾.基于单片机的蜂巢温湿度采集系统［J］.机械工程与自动化，2009（5）：139-141.

［5］陆建华.PC机与多单片机的串行通信［J］.中国现代教育装备，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，硕士生，主要从事计算机控制与应用研究。E-mail：812198079@qq.com

潘炜（1959-），女，副教授，硕士生导师，主要从事电子线路设计、自动检测系统设计、计算机控制与应用研究。E-mail：panwei@ahau.edu.cn