Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи

 

Использование: сельское хозяйство в области пчеловодства и может найти применение при практической работе на индивидуальных и коллективных пасеках. Сущность изобретения: устройство содержит источник питания 14, микрофон 1, предварительный низкочастотный усилитель 2 с полосой пропускания 100-600 Гц, усилитель с автоматической регулировкой усиления 3, детектор средневыпрямленного значения 6, смеситель 4, активный фильтр нижних частот 5, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 7, устройство управления матричным индикатором 8, матричный индикатор 9, дискретно перестраиваемый гетеродин 10, центральное устройство управления 11, таймер 12 и пульт управления 13. Устройство портативно и может найти постоянное применение как для биологических исследований спектральных характеристик звуковых сигналов пчелиных семей, так и у пчеловодов-практиков при отсутствии у них высокой квалификации, позволяя им контролировать возникновение критических состояний пчелиных семей, таких как предроевое состояние, потеря матки, принятие новой матки, отвержение новой матки, перегрев улья и другие. Применение устройства дает возможность резко снизить трудозатраты при работе с пчелами и не требует наличие у пчеловода высоких профессиональных навыков. 1 ил.

Изобретение относится к области пчеловодства и может найти применение при практической работе на индивидуальных и коллективных пасеках.

Известно устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи [1, 2] содержащее источник питания, микрофон, предварительный усилитель, усилитель с АРУ, узкополосный перестраиваемый усилитель, детектор, интегратор, стрелочный микроамперметр, электронный ключ, аналоговое реле времени, пульт управления, выходы микрофона соединены с первым и вторым входом предварительного усилителя, выход которого соединен с входом усилителя с АРУ, выход усилителя с АРУ соединен с входом узкополосного перестраиваемого усилителя, выход которого соединен с входом детектора, а выход детектора соединен с входом интегратора и с выходом электронного ключа, первый вход которого заземлен, а второй вход соединен с выходом аналогового реле времени, вход аналогового реле времени соединен с выходом пульта управления, два выхода интегратора соединены с входами стрелочного микроамперметра, выходы источника питания соединены с шинами питания предварительного усилителя, усилителя с АРУ, узкополосного перестраиваемого усилителя, детектора, интегратора, электронного ключа, аналогового реле времени, пульта управления.

Это устройство имеет недостатки, которые затрудняют его широкое использование в практике: сложность интерпретации результатов цикла измерений и субъективность принятия решения о состоянии пчелиной семьи; длительность и трудоемкость цикла измерений, плохая воспроизводимость результатов измерений из-за низкой точности ручной настройки полосы пропускания селективного усилителя и недостаточной точности аналогового реле времени и интегратора, выполненного в виде интегрирующей цепочки, разность абсолютных значений ширины полосы пропускания селективного усилителя при настройке его на разные частоты (чем выше частота настройки, тем шире полоса пропускания), что снижает разрешающую способность спектрального анализа.

Основными техническими задачами, на решение которых направлено предполагаемое изобретение являются: 1. Автоматизация всего цикла измерений с получением результатов в виде наглядной картины спектрального разложения акустического сигнала, что облегчает и сокращает процесс измерений, устраняет субъективные погрешности и создает предпосылки для принятия объективного и адекватного решения о состоянии пчелиной семьи.

2. Повышение точности и разрешающей способности измерений спектральных составляющих акустического сигнала, что также способствует достоверности и правильности принятия решения. Решение указанных задач достигается тем, что в предлагаемом устройстве исключены операции ручной настройки, все измерительные операции автоматизированы, причем изменен принцип выделения из общего сигнала узкополосных спектральных составляющих (вместо перестраиваемого по частоте селективного усилителя использован принцип гетеродинирования сигнала), а в качестве индикатора вместо стрелочного микроамперметра использован матричный индикатор, позволяющий получать наглядную картину спектра, а также использовать накладываемые на его экран трафареты для распознавания состояний пчелиной семьи. Кроме того, в целях повышения точности измерений спектральных составляющих сигнала вместо интегрирующей цепочки использован интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, а время интегрирования задается цифровым таймером.

Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства являются: использование смесителя, на один вход которого подается сигнал с выхода усилителя с АРУ, а на второй гармонический сигнал определенной частоты с автоматически перестраиваемого гетеродина, а выход смесителя соединен с фильтром нижних частот; использование последовательно соединенных интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, устройства управления матричным индикатором и самого матричного индикатора, причем вход интегрирующего АЦП соединен с детектором выделяемого узкополосного сигнала, а его выход с первым информационным входом устройства управления матричным индикатором, использование цифрового таймера; дополнительно введение центрального устройства управления, вырабатывающего управляющие сигналы для перестройки частоты гетеродина, для управления АЦП и устройством управления матричным индикатором, причем управляющий код настройки частоты гетеродина поступает параллельно на управляющий вход гетеродина и на второй информационный вход устройства управления матричным индикатором. Выход гетеродина соединен со вторым входом смесителя, а на его управляющий вход подается кодовый сигнал управления частотой гетеродина, вырабатываемый центральным устройством управления, и этот же сигнал поступает на второй информационный вход устройства управления матричным индикатором, а с выходов таймера снимаются два сигнала счетные импульсы и сигнал, определяющий время интегрирования, которые поступают на соответствующие входы АЦП по командам, вырабатываемым центральным устройством управления, которое соединено с пультом управления, имеющим тумблер включения, кнопки начала цикла измерений и сброса показаний и переключатель режимов работы.

Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи содержит микрофон, источник питания, предварительный низкочастотный усилитель, усилитель с автоматической регулировкой усиления, детектор средневыпрямленного значения, при этом выходы микрофона соединены с первым и вторым входами предварительного низкочастотного усилителя, выход которого соединен с входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, выходы источника питания соединены с шинами питания предварительного низкочастотного усилителя, усилителя с автоматической регулировкой усиления, детектора средневыпрямленного значения, введены смеситель, активный фильтр нижних частот, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, матричный индикатор, устройство управления матричным индикатором, дискретно перестраиваемый гетеродин, центральное устройство управления, таймер, пульт управления, выход усилителя с автоматической регулировкой усиления соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом дискретно перестраиваемого гетеродина, выход смесителя соединен с входом активного фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом детектора средневыпрямленного значения, а его выход соединен с входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом устройства управления матричным индикатором, второй вход которого соединен с первым выходом центрального устройства управления и с входом дискретно перестраиваемого гетеродина, выход устройства управления матричным индикатором соединен с входом матричного индикатора, третий вход устройства управления матричным индикатором соединен со вторым выходом центрального устройства управления, третий выход которого соединен с входом таймера, первый выход которого соединен со вторым входом центрального устройства управления, второй выход таймера соединен со вторым входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, третий выход таймера соединен с третьим входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, шины источника питания соединены с шинами питания смесителя, активного фильтра нижних частот, детектора средневыпрямленного значения, интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, устройства управления матричным индикатором, дискретно перестраиваемого гетеродина, центрального устройства управления, таймера, пульта управления.

Авторы, проанализировав известные технические решения по источникам научно-технической и патентной литературы, не обнаружили решения, обладающего заявляемой совокупностью отличительных признаков позволяющих достичь положительный эффект, что позволило им сделать вывод, что приведенные выше отличительные признаки являются новыми поскольку отсутствуют у прототипа, и существенными, поскольку позволяют решить указанные выше технические задачи.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема устройства для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи.

Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи содержит микрофон 1, предварительный низкочастотный усилитель 2, усилитель с автоматической регулировкой усиления (усилитель с АРУ) 3, смеситель 4, активный фильтр нижних частот 5, детектор средневыпрямленного значения 6, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (интегрирующий АЦП) 7, устройство управления матричным индикатором 8, матричный индикатор 9, перестраиваемый гетеродин 10, центральное устройство управления 11, таймер 12, пульт управления 13, источник питания 14, шины источника питания 15, входная шина усилителя 16, первая входная шина смесителя 17, вторая входная шина смесителя 18, входная шина фильтра 19, входная шина детектора 20, входная шина АЦП 21, первая входная шина устройства управления матричным индикатором 22, шина управления частотой гетеродина и столбцами матричного индикатора 23, вход матричного индикатора 24, шина счетных импульсов 25, шина длительности 26, шина тактовых импульсов 27, шина запуска таймера 28, шина сброса 29, шина управления 30.

Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи работает следующим образом. Запитывается источник питания 14 и через шины источника питания 15 питающее напряжение поступает на все блоки устройства. Воспринимаемый микрофоном 1 акустический сигнал, издаваемый пчелами, преобразуется в электрический и поступает на вход предварительного низкочастотного усилителя 2 с полосой пропускания 100-600 Гц, в которой находится наиболее информативная часть спектра, генерируемого пчелиной семьей акустического сигнала. К таким сигналам относятся следующие спектральные составляющие. Новая матка принимается в улье высокие интенсивные составляющие в диапазоне частот 165-200 Гц, матка не принимается высокие интенсивные составляющие в диапазоне частот 330-440 Гц, предроевое (роевое) состояние высокие интенсивные составляющие на частотах 210-240 Гц. Если амплитуда интенсивных составляющих на частотах 90-180 Гц превышает амплитуду на частотах 200-400 Гц, то в пчелосемье перегрев. Когда пчелиная семья потеряла матку, требуется определить интенсивность спектральных составляющих звукового фона улья в двух диапазонах: 210-330 и 330-390 Гц. Свидетельством того, что семья потеряла матку, служит уменьшение по отношению к исходному уровню, различие интенсивностей этих диапазонов на 6-10 дБ [1] Полученный сигнал с ограниченным спектром с выхода предварительного низкочастотного усилителя 2 через входную шину усилителя 16 поступает на усилитель с АРУ 3, где нормализуется по амплитуде. Нормализованный по амплитуде сигнал через первую входную шину смесителя 17 поступает в смеситель 4, через вторую входную шину смесителя 18 подается гармонический сигнал определенной частоты с перестраиваемого дискретно гетеродина 10. На выходе смесителя 4 образуется сложный сигнал, содержащий комбинационные частоты двух входных сигналов, который затем через входную шину фильтра 19 поступает в фильтр нижних частот 5 и с помощью которого выделяется сигнал разностной частоты . Следовательно из всего спектра сигнала будет выделяться полоса частот шириной (f_г±f_ср.ф.), где f_ср.ф. частота среза фильтра нижних частот. Последовательно перестраивая частоту гетеродина, мы смещаем выделяемую из сигнала полосу частот по оси частот, получая тем самым спектральное разложение исходного сигнала. При этом ширина выделяемой полосы частот всегда остается постоянной и равной 2f_ср.ф.. Выделенный узкополосный сигнал через входную шину детектора 20 поступает в детектор средневыпрямленного значения 6, где детектируется и через входную шину АЦП 21 поступает на вход интегрирующего АЦП 7. Полученный на выходе интегрирующего АЦП 7 двоичный код, пропорциональный накопленному значению данной спектральной составляющей за время интегрирования через первую входную шину устройства управления матричным индикатором 22 поступает в устройство управления матричным индикатором 8 и далее через вход матричного индикатора 24 поступает в матричный индикатор 9, где отображается в виде столбца пропорциональной высоты. Каждой дискретной частоте гетеродина соответствует свой столбец матричного индикатора. Центральное устройство управления 11 последовательно вырабатывает двоичные коды, которые через шину управления частотой гетеродина и столбцами матричного индикатора 23 управляют частотой перестраиваемого гетеродина 10 и через устройство управления матричным индикатором 8 определяют номер столбца в матричном индикаторе 9. Кроме того, таймер 12 вырабатывает счетные импульсы, которые через шину счетных импульсов 25 поступают на вход интегрирующего АЦП 7, а через шину длительности 26 определяется его время интегрирования и тактовые импульсы, поступающие через шину тактовых импульсов 27 в центральное устройство управления 11, производят его синхронизацию. Центральное устройство управления 11 выдает команду запуска через шину запуска таймера 28, а через шину сброса 29 осуществляет сброс матричного индикатора. Пульт управления 13 через шину управления 30 выдает управляющие команды в центральное устройство управления 11, содержит тумблер и индикатор включения питания, кнопку начала цикла измерений, кнопку сброса и переключатель режима работы, позволяющий осуществлять измерение полного спектра сигнала (число измеряемых спектральных составляющих сигнала определяется числом дискретных частот гетеродина и соответствует числу столбцов используемого матричного индикатора) проводить сокращенный цикл измерений (измеряются лишь самые информативные спектральные составляющие, по которым производится распознавание характерных состояний пчелиной семьи с помощью прилагаемых к прибору трафаретов) и, наконец, осуществлять измерение одиночной спектральной составляющей (по выбору пчеловода, оператора).

Распознавание характерных состояний пчелиной семьи по построенному на матричном индикаторе отражению спектра сигнала осуществляется путем наложения на экран индикатора трафаретов, каждый из которых соответствует определенному состоянию пчелиной семьи. Если уровень сигнала по каждой спектральной полосе соответствует окнам одного из трафаретов, то именно это состояние и имеет место.

Таким образом, устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи можно применять при работе с пчелами как для биологических исследований спектральных характеристик звукового сигнала пчелиных семей, так и при практическом пчеловождении. Оно может быть использовано для распознавания характерных состояний пчелиной семьи, таких как предроевое состояние, потеря матки, принятие или непринятие новой матки, перегрев улья и других. Устройство портативно, может найти постоянное применение у пчеловода-практика, что позволяет контролировать практические состояния пчелиных семей пчеловодами разной квалификации.

Формула изобретения

Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи, содержащее микрофон, источник питания, предварительный низкочастотный усилитель, усилитель с автоматической регулировкой усиления, детектор средневыпрямленного значения, при этом выходы микрофона соединены с первым и вторым входами предварительного низкочастотного усилителя, выход которого соединен с входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, выходы источника питания соединены с шинами питания предварительного низкочастотного усилителя, усилителя с автоматической регулировкой усиления, детектора средневыпрямленного значения, отличающееся тем, что введены смеситель, активный фильтр нижних частот, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, матричный индикатор, устройство управления матричным индикатором, дискретно перестраиваемый гетеродин, центральное устройство управления, таймер, пульт управления, выход усилителя с автоматической регулировкой усиления соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом дискретно перестраиваемого гетеродина, выход смесителя соединен с входом активного фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом детектора средневыпрямленного значения, а его выход соединен с входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом устройства управления матричным индикатором, второй вход которого соединен с первым выходом центрального устройства управления и с входом дискретно перестраиваемого гетеродина, выход устройства управления матричным индикатором соединен с входом матричного индикатора, третий вход устройства управления матричным индикатором соединен с вторым выходом центрального устройства управления, третий выход устройства управления соединен с входом таймера, первый выход которого соединен с вторым входом центрального устройства управления, второй выход таймера соединен с вторым входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, третий выход таймера соединен с третьим входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, шины источника питания соединены с шинами питания смесителя, активного фильтра нижних частот, интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, матричного индикатора, устройства управления матричным индикатором, дискретно перестраиваемого гетеродина, центрального устройства управления, таймера, пульта управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1