Автоматизированная система мониторинга и анализа состояния ульев на пасеке
В статье рассматривается разработка многоканального цифрового регистрационного комплекса для мониторинга состояния пчелосемей, который облегчит и систематизирует работы, производимые пчеловодом на пасеке. Разработанный регистрационный комплекс состоит из таких элементов, как wi-fi модуль ESP 8266, который осуществляет сбор информации с датчиков веса, влажности и температуры и передачу на микрокомпьютер пасеки, в качестве которого выступает микрокомпьютер Raspberry Pi. Передача данных осуществляется методом Get запросов к серверу, установленному на микрокомпьютере, где данные обрабатываются и записываются в базу данных sqlite3. Данный многоканальный комплекс кроме пчеловодства может быть использован для удаленного предоставления производственной информации по запросу пользователя, в волоконно-оптических системах учета, мониторинга и прогнозирования работы высоковольтного оборудования, для управления и автоматизации и в диагностике других производственных процессов.
Процесс пчеловодства на сегодняшний день мало автоматизирован, по-прежнему надо наблюдать за каждым ульем вручную, чтобы предупредить ослабление семьи, роение и прочее.
Диагностика состояния ульев производится на основе достаточно разнородной информации: температура, уровень шума, влажность, вес и т.д. Оценка описанных параметров на сегодняшний день производится непосредственно самим пчеловодом. Причем такой подход имеет ряд недостатков: сложность контроля пасеки; сложность сбора статистики и предоставление результатов в удобном для анализа виде, например в виде графика с возможностью делать срезы по различным параметрам; значительные затраты времени на сбор этой статистики. Автоматизация данных процессов позволит пчеловоду проводить более эффективное управление пасекой.
Многоканальный цифровой регистрационный комплекс относится к системам сбора, обработки и передачи информации и может быть использован в пчеловодстве на индивидуальных и коллективных пасеках. Устройство для контроля состояния пчелиных семей и процесса сбора меда в улье содержит размещенные в улье датчики температуры, уровня влажности и акустического шума, тензодатчики для контроля веса улья, подключенные к wi-fi модулю с микроконтроллером.
Данный многоканальный комплекс кроме пчеловодства может быть использован для удаленного предоставления производственной информации по запросу пользователя [1], в волоконно-оптических системах учета, мониторинга и прогнозирования работы высоковольтного оборудования [2], для управления и автоматизации [3, 4] и в диагностике других производственных процессов.
На рисунке 1 приведена блок-схема предлагаемого многоканального цифрового регистрационного комплекса «Устройство для контроля состояния пчелиных семей и процесса сбора меда», который содержит раз-
Рисунок 1. Регистрационный комплекс мониторинга, сохранения и аналитико-статистической обработки данных о состоянии пчелосемей и процессе медосбора
мещенные в улье 1 датчики: температуры 2, веса улья 8, влажности 6, акустических сигналов 7, подключенные к входу wi-fi модуля 3, данные с которого могут быть переданы непосредственно на мобильный телефон пасечника, на котором установлено программное обеспечение, или на микрокомпьютер пасеки 4 для сбора и дальнейшей передачи в единую базу данных 5.
Регистрационный комплекс мониторинга, сохранения и аналитико-статистической обработки данных о состоянии пчелосемей и процессе медосбора работает следующим образом.
— Производится контроль через определенные промежутки времени следующих параметров:
1. датчик температуры 2 измеряет температуру воздуха в районе рамок улья;
2. датчик веса улья 8 измеряет вес улья в процессах развития пчелосемьи и сбора меда;
3. датчик акустических сигналов 7 фиксирует уровень акустического шума в улье;
4. датчик влажности 6 фиксирует уровень влажности в улье.
— Данные о температуре воздуха в районе рамок улья, весе улья и уровне акустического шума и влажности в улье передаются через wi-fi модуль 3, смартфон пчеловода на базе android или на микрокомпьютер пасеки, где накапливаются и обрабатываются для дальнейшей передачи в единую базу данных. Аналогично фиксируется температура наружного воздуха, измеряемая датчиком температуры наружного воздуха.
Регистрационный комплекс позволяет следить за жизнедеятельностью пчелиной семьи, а также анализировать влияние погодных условий на процесс сбора меда.
В экстренной ситуации, например, при скачкообразном уменьшении веса улья или резком возрастании акустического шума, что может свидетельствовать о попытке хищения меда, через wi-fi модуль 3 передается информация о вскрытии улья.
Контроль состояния пчелиных семей и процесса сбора меда осуществляется на каждом улье пасеки.
Многоканальный регистрационный комплекс обеспечивает дистанционный контроль состояния пчелиной семьи и процесса сбора меда.
В качестве wi-fi модуля был выбран микроконтроллер ESP8266, разработанный компанией Espressif Systems.
Анализ разных способов программирования ESP8266 с учетом возможности расширения и создания собственных алгоритмов работы [5] показал, что оптимальной средой программирования ESP8266 в данном случае является Arduino IDE.
Для организации работы многоканального цифрового регистрационного комплекса к ESP-модулю подключены датчики температуры, веса, влажности и акустических сигналов.
Рассмотрим подробнее эти датчики и схемы их подключения к ESP-модулю.
В качестве датчика температуры используется датчик DS18B20 — это цифровой измеритель температуры. DS18B20 обменивается данными с микроконтроллером по однопроводной линии связи, используя протокол интерфейса 1-Wire. Диапазон измерения температуры составляет от минус 55 °C до 125 °C. Для диапазона от минус 10 °C до 85 °C погрешность не превышает 0,5 °C.
У каждой микросхемы DS18B20 есть уникальный серийный код длиной 64 разряда, который позволяет нескольким датчикам подключаться к одной общей линии связи, т.е. через один порт микроконтроллера можно обмениваться данными с несколькими датчиками, распределенными на значительном расстоянии. Режим позволяет подключать несколько датчиков и крайне удобен для мониторинга температуры в нескольких зонах улья.
Датчик имеет следующие выводы: GND — общий провод или по-другому земля подключается к пину ESP-модуля с таким же названием, DQ — с этого вывода считыва-ются данные, он может быть подключен к одному из пинов GPIO ESP-модуля, информация с которого в дальнейшем будет считы-ваться программой, VDD - питание. Питание может быть использовано внешнее, но в нашем случае питание берется из вывода 3^ ESP-модуля.
Для измерения веса использовались тен-зодатчики давления, которые помогают преобразовать уровень деформации в электрические сигналы. В нашем случае использовались четыре тензодатчика, соединенные мостовой схемой. Тензодатчики, соединенные мостовой схемой, работают следующим образом: на выводы Е- и Е+ подается напряжение, показания о весе получаются из анализа напряжения на выводах S- и S+, которое меняется в зависимости от давления, оказываемого на датчики.
При подключении тензодатчиков к Е$Р-модулю используется НХ711 модуль, 24-битный АЦП с усилителем.
АЦП НХ711 имеет два разъема: для подключения к тензодатчикам и для подключения к контроллеру с подачей питания:
— разъем, обозначенный на плате Л, используется для подключения тензодатчиков. Обозначение контактов: Е+, Е- (питание тензодатчиков); А-, А+ (канал А); В-, В+ (канал В);
— разъем, обозначенный на плате !Р2, используется для подключения к контроллеру и для подачи питания. Обозначение контактов: VCC (напряжение питания), GND (общий контакт), DT (данные), БСК (частота) — интерфейс ПС (12С).
АЦП НХ711 может питаться как от контроллера, так и от внешнего источника питания. Напряжение питания 2,6-5,5 вольт постоянного тока.
Показания влажности определяются датчиком БНТ22.
Датчик DHT11 и его собратья DHT21, DHT22, АМ2301, АМ2302 измеряют относительную влажность воздуха и температуру.
Датчики достаточно точные и дешевые, имеют цифровой выход.
Для регистрации уровня шума использован модуль микрофона AVR PIC KY-037 высокой чувствительности
В качестве центрального микрокомпьютера был выбран Raspberry Pi 3 B — одноплатный компьютер размером с банковскую карту [6].
Программный комплекс для центрального микрокомпьютера включает в себя сервер lighttpd с PHP5, необходимый для работы с базой данных на sqlite3. Программный комплекс «Пасечный учет» представляет собой базу данных SQLite с программной оболочкой на PHP [7] для редактирования и внесения изменений.
Регистрация данных с датчиков осуществляется следующим образом: ESP-модуль три раза в день принимает данные с датчиков и отправляет их по беспроводной линии связи на микрокомпьютер, на микрокомпьютере php-скрипт обрабатывает эти данные и заносит в базу данных в таблицу параметры улья. Другие данные в таблицы заносятся непосредственно пчеловодом через web-интерфейс.
Вывод
Многоканальный цифровой регистрационный комплекс позволяет в полной мере получать информацию о состоянии пчелосемей на пасеке, что намного облегчает работу пчеловода на пасеке. Модуль ESP 8266, перепрошиваемый с использованием среды разработки Arduino IDE [8], обеспечивает сбор информации с датчиков и ее отправку по линиям беспроводной связи на микрокомпьютер.
Родионов А. С. Rodionov А. S.
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Общенаучные дисциплины», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», филиал в г. Салават, г. Салават, Российская Федерация
Смотрите также
Система мониторинга пчелосемьи
