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

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

Для приближенного расчета последнюю формулу можно переписать в виде:

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

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.

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.