Главная / Наука о пчелах / Мониторинг пчелосемей

Информационно-измерительная система для мониторинга пчелосемей

Известно [1], что основными информационными характеристиками состояния пчелосемей являются акустический шум и температурное распределение внутри улья. Для исследования акустического шума используется следующее аппаратурно-программное обеспечение:

  • радиомикрофон KSM 808;
  • УКВ-тюнер (SOUND BLASTER Vibra 16 + FM Radio);
  • компьютер PENTIUM;
  • пакет программы временного анализа и служебные программы управления аппаратурой (переключение каналов, автоматический выбор канала, ввод информации и т.д.).

Радиомикрофоны настроены на различные частоты и устанавливаются в ульях, УКВ-тюнер программно настраивается на частоту нужного радиодатчика, акустический шум выбранной пчелосемьи анализируется в диапазоне частот 20 Гц - 3 кГц, спектральная плотность мощности оценивается по выборке длительностью около минуты для получения устойчивой огибающей спектра. Длительность окна анализа - 256 или 512 отчетов (при частоте квантования 6 кГц), что соответствует разрешающей способности 23,4 или 11,7 Гц.

Использование различных сглаживающих временных окон типа Хэмминга, Ханга, Блекмана, прямоугольного и других не позволило сделать однозначный выбор, поэтому в дальнейшем использовалось окно Хэмминга.

Исследования, проведенные на экспериментальной пасеке Удмуртского государственного НИИ сельского хозяйства РАСХН [2] подтверждают, что значения частот и уровней спектральных максимумов достаточно жестко характеризуют состояние пчелосемьи, особенно такие состояния, как предроевое и нормальной активности.

Для автоматического распознавания состояния пчелосемьи помимо спектральной плотности мощности можно использовать другие методы анализа, ориентированные на модели сигналов более узкого класса. Среди таких моделей в речевой технологии широко используются модели авторегрессии (линейного предсказания), скользящего среднего и смешанные модели.

Другой задачей является получение информации о распределении температуры внутри улья (клуба), особенно во время зимовки пчел. Для решения этой задачи необходима тепловая математическая модель клуба пчел внутри улья. Учитывая наиболее часто используемую конструкцию ульев и схожесть теплообмена в них, с тепловыми моделями в радиоэлектронике, можно использовать их математические зависимости.

Однако даже самая совершенная математическая модель должна опираться на реальные данные (узловые точки модели). В качестве таких узловых точек можно использовать регулярный набор термодатчиков внутри улья. Имеются две альтернативы при выборе термодатчиков - терморезисторы и р-n переходы. Достоинство терморезисторов - не требуется предварительная калибровка. Недостатки - сложность коммутации, особенно безконтактной, малые величины температурных коэффициентов, что требует высокой точности измерений, соизмеряемые величины R∂, Rk, Δ Rk и Δ R∂, где R∂ и Rk - сопротивления датчика и коммутатора, Δ Rk и Δ R∂ - их изменения в рабочем диапазоне температур (0° С ÷ +40° С); большие габариты и стоимость.

Достоинство р-n переходов - высокая термочувствительность, малые габариты и стоимость. Недостаток - необходимость индивидуальной калибровки каждого датчика. Однако практическое применение терморезисторов с бесконтактными твердотельными коммутационными устройствами при высокой точности измерения температуры также потребует индивидуальной калибровки, поэтому разработанная схема измерения температурного поля улья тпебует в качестве термодатчиков закрытые диоды. Как известно представить в виде

I0 (T) = I0(T0) * у αΔT, (1)

где αGe = 0,09 - 0,05 1/град (германий);
αSi = 0,13 - 0,07 1/рад (кремний).

Для приближенного расчета последнюю формулу можно переписать в виде:

формула


где Т*=ln 2/а - температура удвоения обратного тока, т.е. приращение температуры, при которой тепловой ток удваивается.

Анализируя современный рынок диодов (габариты, стоимость, материал, характеристики обратного тока), выбираем диоды типа ГД 107 Б с номинальным обратным током

I0 (t0 = 200 С) = 100 мкА,

корпус L=7,5 мм,

диаметр = 3 мм или ГД 113 A,

I0 (t0 = 200 С) = 250 мкА.

Выбор германиевых диодов с большими обратными токами (100-200 мкА) обусловлен необходимостью превышения их над токами утечки коммутаторов (порядка 20 нА) на 3- 4 порядка. С другой стороны, падением напряжения на открытом сопротивлении коммутатора

ΔU = I0 * ΔR = 10-4 * 200 = 2-10-2 В

можно пренебречь при полном размахе выходного напряжения около 10 В. Кроме того, индивидуальная калибровка позволяет учесть неидеальность коммутирующих устройств.

Схема измерения температурного поля состоит из 8 рамок, на каждой рамке 8 вертикальных рядов диодов, в каждом ряду 8 диодов, один вывод которых подключен к общему вертикальному проводу, другие выводы - к индивидуальному проводу. Горизонтальные ряды коммутируются половиной аналогового коммутатора 591 КН 2, вертикальные ряды - коммутаторами 590 КН 6 (8 штук), выводы коммутаторов 590 КН 6 коммутируются второй половиной 591 КН 2. Таким образом, каждая рамка содержит 64 датчика и трехступенчатый (избыточный для уменьшения токов утечек) коммутатор (8 штук 590 КН 2 и 1 штука 591 КН2), рамка имеет 12 проводов (питание, адреса, выходы, разрешение).

Улей комплектуется 8 рамками, и 8 диодов располагаются в угловых точках улья, к улью подводится 15 проводов (питание, адреса, выходы, разрешение). Для измерения используется компьютер PENTIUM, через параллельный порт выдаются адреса датчиков, через аналого-цифровой преобразователь выводится информация. Предварительный анализ показывает, что при аппроксимации обратного тока (2) для калибровки температурной шкалы индивидуально для каждого датчика с точностью ±0,2 0 С необходимы 3 точки калибровки. При этом предполагается, что разброс начальных обратных токов не превышает ±30% от номинала, например, 70÷ 130 мкА при номинальном обратном токе, равном 100 мкА.

Программное обеспечение содержит программы калибровки и создания калибровочных файлов для всех 520 датчиков (по 3 числа на датчик), программы измерения и визуализации температурного объемного поля на базе его математической модели.

Ф.М. Кисматов
Ижевский технический университет

Литература

  1. Еськов Е.К. Экология медоносной пчелы. Рязань: Русское слово, 1995. 392 с.
  2. Ломаев Г.В., Кузнецов П.Г., Кисматов Ф.М. Измерение спегара звуковых сигналов пчелиной семьи в различных ее состояниях.// Экология и охрана пчелиных Сб. научн. докл. III Ме- ждунар. конф.: 28 - 30.09.99. М. С.125-128.
  3. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М; Л.:Госэнергоиздат, 1963. 376 с.