Автоматизированная система для контроля жизнедеятельности пчелиных семей

 

Система предназначена для наблюдения за состоянием пчелиных семей на пасеке с использованием анализа частотного спектра звуковых сигналов, издаваемых пчелиными семьями. Система содержит контроллер пасеки, ЭВМ пчеловода, аналого-цифровой преобразователь, усилитель звука с автоматической регулировкой усиления, разделительный конденсатор, модулирующий ключ, ключ включения - выключения питания, блок питания пасеки, резистор, контроллер улья, блок выделения питания, приемопередатчик улья, усилитель звука, микрофон, блок имени, формирователь, детектор паузы, счетчик, запоминающее устройство, блок восстановления сбоев, дешифратор, блок кодировки имени, блок установки имени, блок начальной установки. В автоматизированной системе для контроля жизнедеятельности пчелиных семей для фиксирования звуковой информации от всех ульев пасеки применено всего два провода, по которым осуществляется также электропитание всех контроллеров ульев. Высокая оперативность и разрешающая способность системы обеспечивают высокую достоверность распознавания различных состояний пчелиных семей и эффективность данной системы на пасеке. 1 ил.

Изобретение относится к области пчеловодства и найдет применение при контроле жизнедеятельности пчелиных семей, позволит по анализу частотного спектра звуковых сигналов определять конкретное состояние жизнедеятельности пчелосемьи: напад, роевое состояние пчелиной семьи, степень зараженности варроатозом, слет, отсутствие и прием новой пчелиной матки, состояние во время зимовки и др., а также даст возможность запомнить различные варианты частотных спектров разных состояний пчелиной семьи и создать базы данных для выявления новых (неизвестных) состояний, провести анализ этих спектров и выдать рекомендации по содержанию пчелиных семей.

Известно устройство, которое анализирует частотный спектр звуковых сигналов пчелиной семьи [1] . Данное устройство имеет ряд недостатков, в частности в нем применен перестраиваемый узкополосный фильтр, полоса пропускания которого с повышением частоты анализа расширяется. Это затрудняет распознавание состояний пчелиной семьи, а последовательный анализ всего необходимого частотного диапазона требует больших затрат времени, причем интенсивность каждой спектральной составляющей считывается по показаниям стрелочного прибора, что требует последующего графического построения спектральной характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению. является автоматизированная система для наблюдения и содержания пчелиных семей, содержащая контроллеры ульев, каждый из которых включает размещенные на ульевых рамках с вощинодержателями датчики температуры, выполненные в виде матриц, коммутаторы рамок и датчиков температуры, блок питания и измерительный блок, выполненный в виде преобразователя "температура - частота", а также контроллер пасеки, включающий коммутатор ульев и дешифратор, адресные входы которых соединены с первой адресной шиной ЭВМ, а тактовый выход последней подключен к тактовым входам коммутаторов датчиков температуры ульев, причем первые выходы датчиков температуры рамок каждого улья объединены между собой, связаны с общим проводом сеток вощинодержателей этих рамок и подключены к первому аналоговому входу коммутатора рамок, а вторые выходы соединены с аналоговым входом коммутатора датчиков температуры, при этом выходы дешифратора связаны с входами включения блоков питания контроллеров ульев, а первый и второй входы преобразователя "температура - частота" подключены к аналоговым выходам коммутаторов, соответственно датчиков температуры и рамок, причем общие шины ЭВМ, дешифратора и коммутатора ульев объединены, а входы коммутатора ульев соединены с первыми выходами преобразователей "температура-частота" контроллеров ульев, контроллер пасеки снабжен аналоговым коммутатором "температура - звуковая частота", амплитудным дискриминатором, коммутатором фильтров, коммутатором звуковых сигналов и блоком фильтров, а каждый контроллер улья оснащен блоком начальной установки, резистором, микрофоном, усилителем, блоком подсадки матки и двумя группами электродов, равномерно распределенных по поверхности рамок и изолированных от чувствительных элементов датчиков температуры, при этом выход микрофона каждого контроллера улья через усилитель соединен с соответствующим аналоговым входом коммутатора звуковых сигналов, аналоговый выход которого связан с входом блока фильтров, а выход последнего подключен к входу коммутатора фильтров, выход которого соединен с входом амплитудного дискриминатора, при этом выход последнего связан с первым аналоговым входом аналогового коммутатора "температура -звуковая частота", второй аналоговый вход которого подключен к аналоговому выходу коммутатора ульев, а выход соединен с измерительным входом ЭВМ, первая адресная шина которой связана с адресным входом коммутатора звуковых сигналов, а вторая адресная шина соединена с адресными входами аналогового коммутатора "температура - звуковая частота" и коммутатора фильтров, причем второй выход преобразователя "температура - частота" подключен к первой группе электродов, установленных на четных рамках, а вторая группа электродов, размещенных на нечетных рамках, заземлена, при этом выход коммутатора датчиков температуры через резистор связан с дополнительным аналоговым входом коммутатора рамок, синхронизирующий выход которого соединен с входом выключения блока питания, а выход блока начальной установки подключен к установочным входам коммутаторов рамок и датчиков температуры, и счетчика рамок, причем синхронизирующий выход последнего соединен с тактирующим входом коммутатора рамок, а тактирующий выход ЭВМ связан с тактирующим входом счетчика рамок, при этом общие шины ЭВМ, аналогового коммутатора и преобразователя "температура -звуковая частота", коммутатора звуковых сигналов, амплитудного дискриминатора, коммутатора фильтров, блоков фильтров и питания объединены [2].

Недостатками системы являются наличие большого количества узкополосных фильтров, большое количество проводов на пасеке из-за необходимости подводить электропитание к контроллеру улья, а также низкая скорость получения и обработки результатов измерения при низкой разрешающей способности измерений спектральных составляющих акустического сигнала, что снижает удобство работы с системой и достоверность принятия решений.

С целью устранения указанных недостатков в автоматизированную систему для контроля жизнедеятельности пчелиных семей, содержащую контроллер пасеки, включающий ЭВМ пчеловода, контроллеры ульев, в состав каждого из которых входят микрофон, усилитель звука, блок начальной установки, при этом выход микрофона соединен с входом усилителя звука, в контроллер пасеки введены ключ модулирующий, ключ включения-выключения питания, усилитель с автоматической регулировкой усиления, резистор, конденсатор, блок питания пасеки, аналого-цифровой преобразователь, а в контроллер улья - приемопередатчик улья, блок выделения питания, блок имени, в состав которого входят формирователь, детектор паузы, счетчик, запоминающее устройство, блок восстановления сбоев, дешифратор, блок кодировки имени, блок установки имени, при этом первый информационный выход ЭВМ пчеловода соединен с управляющим входом модулирующего ключа, второй управляющий выход ЭВМ пчеловода соединен с управляющим входом ключа включения - выключения питания, информационный вход ЭВМ пчеловода соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом усилителя звука с автоматической регулировкой усиления, а его вход через разделительный конденсатор соединен с первым входом резистора, второй вход резистора соединен с первым выходом блока питания пасеки и заземлением, второй выход блока питания пасеки соединен с питающей шиной усилителя звука с автоматической регулировкой усиления и с входом ключа включения - выключения питания, выход которого соединен с входом модулирующего ключа, выход модулирующего ключа через первый провод линии связи соединен с первыми входами контроллеров ульев, а первый вход контроллера улья соединен: с первым входом блока выделения питания, с первым питающим входом усилителя звука и с первым входом приемопередатчика улья, второй питающий вход усилителя звука соединен с первым выходом приемопередатчика улья, первый вход резистора через второй провод линии связи соединен с первыми выходами контроллеров ульев, первые выходы которых соединены с вторым выходом приемопередатчика улья и с вторым входом блока выделения питания, выходы блока выделения питания соединены с общей шиной питания контроллера улья, второй вход приемопередатчика улья соединен с выходом усилителя звука, третий вход приемопередатчика соединен с выходом блока имени, а выход блока имени соединен с выходом блока установки имени, первый вход блока установки имени соединен с выходом блока кодировки имени, а его входы соединены с первыми выходами дешифратора, последний выход дешифратора соединен с вторым входом блока установки имени, вход дешифратора соединен с выходом блока восстановления сбоев, вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, выход детектора паузы соединен с первыми входами счетчика и запоминающего устройства, второй вход запоминающего устройства соединен с выходом счетчика, выход формирователя соединен с вторым входом счетчика и с входом детектора паузы, вход формирователя соединен с входом блока имени, а вход блока имени соединен с третьей выходной шиной имени приемопередатчика улья.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема автоматизированной системы для контроля жизнедеятельности пчелиных семей.

Автоматизированная система для контроля жизнедеятельности пчелиных семей содержит: контроллер пасеки 1, ЭВМ пчеловода 2, аналого-цифровой преобразователь 3, усилитель звука с автоматической регулировкой усиления 4, разделительный конденсатор 5, модулирующий ключ 6, ключ включения - выключения питания 7, блок питания пасеки 8, резистор 9, контроллер улья 10, блок выделения питания 11, приемопередатчик улья 12, усилитель звука 13, микрофон 14, блок имени 15, формирователь 16, детектор паузы 17, счетчик 18, запоминающее устройство 19, блок восстановления сбоев 20, дешифратор 21, блок кодировки имени 22, блок установки имени 23, блок начальной установки 24, шины питания улья 25, двухпроводную линию связи 26, первый информационный выход ЭВМ 27, второй управляющий выход ЭВМ 28, шину питания усилителя звука 29, информационный вход ЭВМ 30.

Автоматизированная система для контроля жизнедеятельности пчелиных семей работает следующим образом. В контроллере пасеки 1 запитывается блок питания пасеки 8. В зависимости от расположения пасеки ЭВМ пчеловода 2 запитывается от электросети или от блока питания пасеки 8. В ЭВМ пчеловода 2 вводится программное обеспечение для обработки звуковой информации. На втором управляющем выходе 28 ЭВМ пчеловода 2 выдает управляющий сигнал на ключ включения - выключения питания 7, который разрешает прохождение питания через модулирующий ключ 6, двухпроводную линию связи 26 на контроллеры ульев 10. Длительность выдачи электропитания задается с клавиатуры пчеловодом. Для отключения питания ЭВМ пчеловода 2 выдает управляющий сигнал на ключ включения - выключения питания 7. Длительность включения питания по каждому улью определяется программой. В контроллерах ульев 10 блоки выделения питания 11 выделяют питание для остальных блоков контроллеров ульев. Для передачи имени используется числоимпульсный код [3]. Блок имени 15 контроллера улья 10 построен по принципу дешифрирования команд. Обычно число выводов дешифратора ограничено 8 - 16, поэтому на двухпроводную линию связи можно подключить только 8 - 16 контроллеров ульев 10. Чтобы увеличить число имен, применяется принцип сочетаний на основе бинома Ньютона: После дешифратора 21 установлены блок кодировки имени 22 и блок установки имени 23, в состав которого входят элемент задержки и триггер. По двухпроводной линии связи 26 одновременно передаются электропитание и числоимпульсные сигналы имени. Количество числоимпульсных сигналов устанавливается в ходе отладки системы и зависит от количества ульев на пасеке. Число-импульсные сигналы с первого информационного выхода 27 ЭВМ пчеловода 2 поступают в модулирующий ключ 6, который осуществляет модуляцию электропитания. Блок выделения питания 11 отфильтровывает питание и через шины питания улья 25 запитывает приемопередатчик улья 12, блок имени 15. После включения питания блок начальной установки 24 вырабатывает сигнал начальной установки, который устанавливает в исходное начальное состояние блок кодировки имени 22 и блок установки имени 25: на их выходах устанавливаются низкие "нулевые" уровни. Приемопередатчик улья 12 включается в режим приема число-импульсных сигналов. В блоке кодировки имени 22 в зависимости от подключения выводов дешифратора 21 определяется код имени. Данное схемное решение универсально и не требует сложной настройки. Для изменения кодировки имени достаточно перекоммутировать выводы дешифратора (поменять комбинацию сочетания). Числоимпульсные сигналы в виде пачек импульсов поступают с приемопередатчика улья 12 в формирователь 16, который обладает свойствами интегрирующей цепочки. На его выходе импульсы имеют крутые фронты независимо от крутизны фронтов на входе. Кроме того, он подавляет импульсные помехи малой длительности [3].

С выхода формирователя 16 импульсы поступают на детектор паузы 17, который необходим для установки счетчика 18 перед каждой новой пачкой импульсов. Импульсы с выхода формирователя 16 поступают также на счетный вход счетчика 18, в результате чего после окончания пачки импульсов счетчик 18 устанавливается в состояние, соответствующее числу импульсов в пачке. Фронтом импульса с детектора паузы 17 происходит перезапись состояния счетчика 18 в запоминающее устройство 19. Для повышения надежности передачи числоимпульсных сигналов применяется блок восстановления сбоев 20. Дешифратор 21 дешифрирует числоимпульсные сигналы, при этом выводы его активизируются в зависимости от числа импульсов в пачке. Например, если дешифратор 21 имеет восемь выводов и при использовании трех выводов для кодировки имени используется сочетание C³₈, т.е. эти три первых вывода дешифратора 21 соединены с блоком кодировки имени 22, то при активизации этих трех выводов на выходе блока кодировки имени 22 установится высокий "единичный" уровень, который поступит на D-вход блока установки имени 23. Такое сочетание обеспечит подключение 50 ульев. После выдачи сигнала с последнего выхода дешифратора 21 на выходе блока установки имени 23 с некоторой задержкой, необходимой для переключения ЭВМ пчеловода 2 в режим приема, установится высокий "единичный" уровень, который установит приемопередатчик пасеки 12 в режим "Передача". Осуществится коммутация шины питания усилителя звука 29. Запитается усилитель звука 13, который усиливает звуковой сигнал пчел с микрофона 14. Этот сигнал через приемопередатчик улья 12 по двухпроводной линии связи поступает в контроллер пасеки 1 [6]. ЭВМ пчеловода 2 после выдачи числоимпульсных кодов имени через модулирующий клич 6 переходит в режим приема. Звуковая составляющая сигнала пчел после прохождения по двухпроводной линии связи 26 выделяется на резисторе 9 контроллера пасеки и через разделительный конденсатор 5 поступает в усилитель 4 с автоматической регулировкой усиления и полосой пропускания от 100 до 600 Гц, который необходим для приведения звуковых сигналов всех контроллеров ульев к одному уровню и выделению информативной части спектра звукового сигнала. Нормализованный звуковой сигнал с выхода усилителя звука с автоматической регулировкой усиления 4 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 3 и дискретизируется.

В частности, можно применять стандартную звуковую карту ПЭВМ с наименьшей частотой дискретизации 5,5 кГц. Поскольку и эта частота является избыточной, то для ускорения дальнейшей обработки производится выбор дискретных отсчетов через 1 или 2 отсчета (т.е. частота дискретизации сигнала выбирается 2,5 кГц и 1,8 кГц соответственно). Это уменьшает число дискретных значений сигнала, что снижает время последующей обработки информации примерно на два порядка. Отсчеты мгновенных значений сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя 3 через информационный вход ЭВМ 30 поступают в ЭВМ пчеловода 2. После накопления отсчетов работа аналого-цифрового преобразователя 3 прекращается и ЭВМ пчеловода 1 приступает к обработке полученной информации. Вычисляются дискретные значения автокорреляционной функции: где R_r - оценка истинного значения автокорреляционной функции при шаге r, соответствующем сдвигу rh (максимальное число шагов определяет эквивалентную разрешающую способность спектральной плотности в интервале частот (0 - 600) Гц для звукового сигнала пчелиной семьи); X_k - отсчет исходной реализации анализируемого сигнала x(t).

В соответствии с [4] принимается величина максимального шага m, равная 1/10 объема выборки n. Это позволяет избежать некоторой неустойчивости оценок автокорреляционной функции.

Затем по полученной автокорреляционной функции R_x(rh), представляющей собой последовательность полученных точек R_r, отстоящих друг от друга на интервал дискретизации t = l/f_o, с помощью известного алгоритма последовательного преобразования Фурье вычисляются дискретные значения функции спектральной плотности мощности сигнала, соответствующие частотам 100 - 600 Гц, и по вычисленным дискретным значениям строится график спектра. Первичная оценка определяется формулой (2), представляет собой приближенную оценку истинной плотности, т.е. изменчивость таких оценок не уменьшается с ростом длины реализации и размера выборки. Окончательную оценку можно провести дальнейшим сглаживанием спектральной плотности по частоте методом Ханна [5]. ЭВМ пчеловода по известным алгоритмам осуществляет распознавание характерных состояний пчелиной семьи с последующим отображением на экране дисплея в виде словесного текста.

Таким образом, автоматизированную систему для контроля жизнедеятельности пчелиных семей могут применить при работе с пчелами как практики-пчеловоды, так и биологи-исследователи. Система применима для круглогодичного контроля пчел по звуковому спектру и удобна тем, что для обеспечения съема звуковой информации со всех ульев пасеки нет необходимости нарушать микроклимат пчелиной семьи и при этом достаточно всего двух проводов, причем электропитание всех контроллеров ульев обеспечивается по этим же проводам. Высокая оперативность и разрешающая способность позволяют обеспечить высокую достоверность распознавания различных состояний пчелиных семей и эффективно применить систему на пасеке.

Источники информации 1. Еськов Е.К. Акустическая сигнализация общественных насекомых. - М.: Наука, 1979.

2. Патент N 2000051, A 01 K 57/00, A 01 K 47/00 (прототип).

3. Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП - интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1996, c. 166.

4. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер с англ. - М.: Мир, 1971.

5. Bleakman R. B. , Tykcy J.W. The Measurement of Pouer Spektra. Dover Publicat. N.Y., 1958. c. 14.

6. Андрианов B.И., Бородин B,А., Соколов A.B. "Шпионские штучки" и устройства для защиты объектов и информации. Справочное пособие. - С. - Пб.: Лань, 1996, с. 89.

Формула изобретения

\ \\1 Автоматизированная система для контроля жизнедеятельности пчелиных семей, содержащая контроллер пасеки, включающий ЭВМ пчеловода, и контроллеры ульев, в состав каждого из которых входит микрофон, усилитель звука, блок начальной установки, при этом выход микрофона соединен с входом усилителя звука, отличающаяся тем, что в контроллер пасеки введены модулирующий ключ, ключ включения -выключения питания, усилитель с автоматической регулировкой усиления, резистор, конденсатор, блок питания пасеки, аналого-цифровой преобразователь, а в контроллер улья -приемопередатчик улья, блок выделения питания, блок имени, в состав которого входят формирователь, детектор паузы, счетчик, запоминающее устройство, блок восстановления сбоев, дешифратор, блок кодировки имени, блок установки имени, при этом первый информационный выход ЭВМ пчеловода соединен с управляющим входом модулирующего ключа, второй управляющий выход ЭВМ пчеловода соединен с управляющим входом ключа включения - выключения питания, информационный вход ЭВМ пчеловода соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом усилителя звука с автоматической регулировкой усиления, а его вход через разделительный конденсатор соединен с первым входом резистора, второй вход резистора соединен с первым выходом блока питания пасеки и заземлением, второй выход блока питания пасеки соединен с питающей шиной усилителя звука с автоматической регулировкой усиления и с входом ключа включения-выключения питания, выход которого соединен с входом модулирующего ключа, выход модулирующего ключа через первый провод линии связи соединен с первыми входами контроллеров ульев, а первый вход контроллера улья соединен с первым входом блока выделения питания, с первым питающим входом усилителя звука и с первым выходом приемопередатчика улья, второй питающий вход усилителя звука соединен с первым выходом приемопередатчика улья, первый вход резистора через второй провод линии связи соединен с вторыми выходами контроллеров ульев, а второй выход контроллера улья соединен с вторым входом блока выделения питания, с вторым выходом приемопередатчика улья и через блок выделения питания - с общей шиной питания контроллера улья, второй вход приемопередатчика улья соединен с выходом усилителя звука, третий вход приемопередатчика улья соединен с выходом блока имени, а выход блока имени соединен с выходом блока установки имени, первый вход блока установки имени соединен с выходом блока кодировки имени, а его входы соединены с первыми выходами дешифратора, последний выход дешифратора соединен с вторым входом блока установки имени, вход дешифратора соединен с выходом блока восстановления сбоев, вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, выход детектора паузы соединен с первыми входами счетчика и запоминающего устройства, второй вход запоминающего устройства соединен с выходом счетчика, выход формирователя соединен с вторым входом счетчика и с входом детектора паузы, вход формирователя соединен с входом блока имени, а вход блока имени соединен с третьей выходной шиной имени приемопередатчика улья.

РИСУНКИ

Рисунок 1