基于FRID的蜂箱狀態數據監測裝置設計與開發*

胡 林，魏海波，蔡朝陽，王 強，陳 攀，楊子毅

（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北十堰 442002）

0 引言

蜂場由為數眾多的蜂箱構成，蜂箱內的溫度、濕度環境是關系著蜜蜂生存、生活與產蜜等多個因素的重要參數。舒適的蜂箱環境能夠為蜜蜂提供較好的生存環境，使得蜂群能夠得到較好的產出；而不良的蜂箱環境會制約蜂群的產出、甚至會導致蜂群的縮減。獲取蜂箱內部狀態參數，及時為蜂箱環境的相關操作提供實時的參考依據，為蜂群理想的生活條件帶來便利，從而獲取較高的產出價值。傳統的僅依賴養殖人對蜂場做整體的主觀判斷方法，雖然有一定的效果，但是依舊存在較為明顯的短板，不能做到針對每個蜂箱的正確評估，容易導致部分蜂箱運行狀態不佳從而出現產出降低、蜂群縮減等問題。

隨著技術的不斷發展，運用現代科技解決單個蜂箱內部狀態的檢測成為可能，能夠解決前述的相關問題[1]。借助溫濕度傳感器監測技術以及無線通信技術[2]，能夠在一定的距離下對蜂箱狀態數據進行實時監測，從而有效降低潛在的人身風險。在監測裝置的主動式查詢后，將數據采集裝置的狀態數據通過無線方式傳輸給顯示裝置并顯示，在直觀數據的配合下及時對蜂箱進行通風、保溫、散熱等調整，從而實現預期的蜂箱舒適度效果。

1 系統方案設計

蜂箱是養蜂過程中供蜜蜂繁衍生息的處所，是最基本的養蜂工具。蜂箱一般是由長、寬、高分別為420 mm、370 mm、270 mm的實木板材制作，結構小巧緊湊。內部可以存放10 個、12 個或者16 個（加長版）的巢框（蜜蜂作息與產蜜場所）。蜂箱前后箱壁內側承框槽60～100 mm 處，裝設巢脾快速固定器；兩側壁下部的箱板，向前伸出箱前壁55 mm，高10 mm 的一段，既可安裝巢門翻板，其上釘上蓋板，關上巢門；翻板時，又可作為蜜蜂的棲息走廊；箱底距前緣120～220 mm 處開一底氣窗，有滑板，可開閉[3]。養殖人可以通過以上結構對蜂箱的內部狀態進行適度調整。

通過對蜂箱的狀態需求分析，結合蜂箱的自身特殊性，必須采用隔離方案實現數據采集系統以及顯示系統的分離式設計，遠距離獲取蜂箱內部狀態數據以保證觀測人員的基本人身安全。為此，設計了隔離型的整體系統方案，如圖1所示。

圖1 數據采集系統整體方案

整套蜂箱狀態數據采集系統由一個中央控制及顯示單元外帶N個蜂箱數據采集單元共同構成，采用主從架構實現數據的問詢[4]。中央控制單元設置好待查詢的蜂箱號后啟動查詢，在廣播的形式下將查詢命令在一定空間地域中廣播傳輸，該區域內所有蜂箱均能讀取到中央控制單元下發的查詢幀信息，只有對應的蜂箱反饋對應信息至中央控制單元，中央控制單元對數據進行處理后在液晶顯示屏上顯示出來。該方案下，只需一個中央控制單元就能實現對某個蜂場內的所有單個蜂箱進行點對點查詢，性價比高。

2 系統硬件設計

在電路設計過程中，考慮到蜂場的季節、環境等因素帶來的蜂箱移動的周期性特性，傳統的市電供應難以克服移動性的問題，即便加裝發電機組，也需要考慮實際的電源布線難題。因此在考慮設備電源供應時，必須采用便攜式電源方案實施。便攜式裝置通常采用鋰電池供電，電池的續航能力尤為重要。在這一點上，除了選用高品質高容量的鋰電池單元以外，還需要設計合理的低功耗電路來降低整體功耗，因此在各單元模塊定型時優先選用低功耗模塊。

2.1 功能模塊選型

2.1.1 無線傳輸模塊選型

無線傳輸模塊的選擇上，市面上有多種無線通訊模塊可供選擇。考慮到本設計中必須采用低功耗設計，因此選用單片低功耗低成本能耗RF 收發芯片CC1101 模塊完成。該模塊體積小，通信速率快，功耗低，非常適用于消費電子、工業以及醫學等無線通訊領域[5-8]。同時該模塊采用SPI 總線進行數據通訊，一次能夠實現最大64個字節數據的收發雙向同步傳輸，進一步提高數據吞吐量[9-11]。CC1101模塊的實物圖及接口定義如圖2所示。

圖2 CC1101模塊外觀及接口定義

2.1.2 傳感器模塊選型

傳感器的選擇上，由于需要采集蜂箱內部的溫度以及濕度數據，相對于采用獨立傳感器搭配其他元器件搭建傳感器采集電路而言，集成式溫濕度采樣單元實現起來相對比較容易。DHT11 數字溫濕度傳感器模塊是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[12]。該模塊采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，能夠確保產品具有極高的可靠性與穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能8 位單片機相連接，因此該模塊具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點[13-15]。DTH11 模塊的實物圖及接口定義如圖3所示。

圖3 DTH11模塊外觀及接口定義

2.1.3 控制器芯片選型

微處理器作為設計中的中央處理單元，不僅承載著數字量數據的讀取功能，還需要通過無線傳輸模塊進行數據的收發功能。同時，考慮到采用的是鋰電池供電，需要對電池的電量進行監控。結合對以上功能的分析，微處理器應該具備SPI 總線接口、模數轉換等功能，并且要考慮器件自身功耗，選用核心電壓為低電壓的器件能夠有效降耗。綜上所述，選用國產宏晶公司推出的功能功耗較為均衡的STC15系列中的STC15W408AS芯片作為主控芯片。該芯片具有DIP、SKDIP、SOP、QFN 等多種封裝形式，在管腳上具有16∕20∕28 等3 種類型，能夠滿足本設計中的管腳數量需求以及其他要求。通過對本設計過程中的IO需求分析，選用了16個管腳SOP封裝的控制芯片。其實物如圖4所示。

圖4 STC15W408AS外觀

2.2 硬件電路設計

通過對無線傳輸模塊、傳感器模塊、主控芯片的選型，基本上確定了硬件電路框架。電路除了以上單元模塊之外，還設計了顯示單元模塊以及按鍵電路，用于中央控制及顯示單元裝置。在一般的數據采集側，主要包含主控單元、傳感器數據采集單元和無線傳輸單元；在控制顯示側，則包含主控單元、按鍵查詢電路、無線傳輸單元和顯示單元。通過在顯示模塊中通過選定待查詢的蜂箱地址，確認后便可以通過無線傳輸單元獲取傳感器采集數據并顯示在顯示屏中。完整的硬件電路設計如圖5所示。

圖5 硬件電路原理

在電源的設計過程中，考慮到所有模塊均采用3.3 V電源供電，而單體鋰電池的電壓范圍在3.0～4.2 V 之間，不能滿足所設計電路的電源要求，需要添加電源轉換電路保證穩定的3.3 V 電源供應。這里采用BCT2057-3.3 V電源轉換芯片，該芯片能夠在輸入電壓范圍為1.6～5.5 V的電源輸入中實現穩定的3.3 V輸出，且輸出電流最大可以達到1 A，較好地滿足了電源需求。

3 系統軟件設計

根據系統框架設計所述，數據采集裝置與顯示裝置分屬于下位機裝置與上位機裝置，控制器對其進行分別控制，獨立的完成數據采集以及顯示，其中數據通信部分采用無線傳輸方式。兩個裝置的軟件流程如圖6所示。

圖6 蜂箱狀態參數監測軟件流程

從流程圖中可以看出，數據采集裝置完成實時的數據采集任務，通過接收來自顯示裝置的廣播式無線數據，收到后與自身的地址號對比。如果是查詢自身狀態數據時便將準備好的數據通過無線返回給顯示裝置；如果不是查詢自身數據，則不理會該報文。顯示裝置則是先設置好查詢的蜂箱號（最大可以查詢到255 號蜂箱），啟動查詢功能后以廣播的方式通過無線發送至每一個蜂箱，只有匹配的蜂箱反饋狀態數據，經過處理后顯示在液晶屏幕上，獲取對應查詢蜂箱的狀態參數，為后續的調整提供參考依據。

4 結果分析

在原理圖的基礎上開展了實物樣品的制作，由于裝置主要采用模塊堆積的方式實現，因此樣機制作過程相對簡單。在實驗室條件下對樣機進行了測試，其測試結果如圖7所示。

圖7 樣機實物測試

從顯示裝置顯示的結果看，上位機已完成對1 號蜂場5 號蜂箱的無線通信（由于未配備按鍵模塊，直接在單片機中指定了查詢蜂箱的從機為05號蜂箱），查詢5號蜂箱內部的溫濕度數據。結果顯示：當前5 號裝置的實時溫度為19 ℃，濕度為74%。上位機亦可以開放環境參數，以供測試人員參考。本次測試未開放該功能，環境數據狀態為NULL（空）。

5 結束語

蜂蜜作為蜜蜂辛勤勞作的產物，具有較高的營養價值。而高質量的蜂蜜產出離不開蜂箱所提供的舒適良好的作息環境。結合蜂箱數據監測的特殊性，本文給出了基于無線通信下的蜂箱數據采集與顯示的設計與樣品開發全過程。通過分析需求與外部環境后，對主控芯片、無線通訊模塊、數據采集模塊進行了選型分析，結合便攜式裝置在體積、功耗等方面的設計規則，設計了適應于低功耗的硬件電路設計與軟件程序設計，開發出了滿足蜂箱監測的較長續航下的溫濕度數據采集裝置。通過獲取精確的狀態數據，為蜂箱內蜂群的環境舒適度創造了前提條件。