胡 林，魏海波，蔡朝阳，王 强，陈 攀，杨子毅

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北十堰 442002）

0 引言

蜂场由为数众多的蜂箱构成，蜂箱内的温度、湿度环境是关系着蜜蜂生存、生活与产蜜等多个因素的重要参数。舒适的蜂箱环境能够为蜜蜂提供较好的生存环境，使得蜂群能够得到较好的产出；而不良的蜂箱环境会制约蜂群的产出、甚至会导致蜂群的缩减。获取蜂箱内部状态参数，及时为蜂箱环境的相关操作提供实时的参考依据，为蜂群理想的生活条件带来便利，从而获取较高的产出价值。传统的仅依赖养殖人对蜂场做整体的主观判断方法，虽然有一定的效果，但是依旧存在较为明显的短板，不能做到针对每个蜂箱的正确评估，容易导致部分蜂箱运行状态不佳从而出现产出降低、蜂群缩减等问题。

随着技术的不断发展，运用现代科技解决单个蜂箱内部状态的检测成为可能，能够解决前述的相关问题[1]。借助温湿度传感器监测技术以及无线通信技术[2]，能够在一定的距离下对蜂箱状态数据进行实时监测，从而有效降低潜在的人身风险。在监测装置的主动式查询后，将数据采集装置的状态数据通过无线方式传输给显示装置并显示，在直观数据的配合下及时对蜂箱进行通风、保温、散热等调整，从而实现预期的蜂箱舒适度效果。

1 系统方案设计

蜂箱是养蜂过程中供蜜蜂繁衍生息的处所，是最基本的养蜂工具。蜂箱一般是由长、宽、高分别为420 mm、370 mm、270 mm的实木板材制作，结构小巧紧凑。内部可以存放10 个、12 个或者16 个（加长版）的巢框（蜜蜂作息与产蜜场所）。蜂箱前后箱壁内侧承框槽60～100 mm 处，装设巢脾快速固定器；两侧壁下部的箱板，向前伸出箱前壁55 mm，高10 mm 的一段，既可安装巢门翻板，其上钉上盖板，关上巢门；翻板时，又可作为蜜蜂的栖息走廊；箱底距前缘120～220 mm 处开一底气窗，有滑板，可开闭[3]。养殖人可以通过以上结构对蜂箱的内部状态进行适度调整。

通过对蜂箱的状态需求分析，结合蜂箱的自身特殊性，必须采用隔离方案实现数据采集系统以及显示系统的分离式设计，远距离获取蜂箱内部状态数据以保证观测人员的基本人身安全。为此，设计了隔离型的整体系统方案，如图1所示。

图1 数据采集系统整体方案

整套蜂箱状态数据采集系统由一个中央控制及显示单元外带N个蜂箱数据采集单元共同构成，采用主从架构实现数据的问询[4]。中央控制单元设置好待查询的蜂箱号后启动查询，在广播的形式下将查询命令在一定空间地域中广播传输，该区域内所有蜂箱均能读取到中央控制单元下发的查询帧信息，只有对应的蜂箱反馈对应信息至中央控制单元，中央控制单元对数据进行处理后在液晶显示屏上显示出来。该方案下，只需一个中央控制单元就能实现对某个蜂场内的所有单个蜂箱进行点对点查询，性价比高。

2 系统硬件设计

在电路设计过程中，考虑到蜂场的季节、环境等因素带来的蜂箱移动的周期性特性，传统的市电供应难以克服移动性的问题，即便加装发电机组，也需要考虑实际的电源布线难题。因此在考虑设备电源供应时，必须采用便携式电源方案实施。便携式装置通常采用锂电池供电，电池的续航能力尤为重要。在这一点上，除了选用高品质高容量的锂电池单元以外，还需要设计合理的低功耗电路来降低整体功耗，因此在各单元模块定型时优先选用低功耗模块。

2.1 功能模块选型

2.1.1 无线传输模块选型

无线传输模块的选择上，市面上有多种无线通讯模块可供选择。考虑到本设计中必须采用低功耗设计，因此选用单片低功耗低成本能耗RF 收发芯片CC1101 模块完成。该模块体积小，通信速率快，功耗低，非常适用于消费电子、工业以及医学等无线通讯领域[5-8]。同时该模块采用SPI 总线进行数据通讯，一次能够实现最大64个字节数据的收发双向同步传输，进一步提高数据吞吐量[9-11]。CC1101模块的实物图及接口定义如图2所示。

图2 CC1101模块外观及接口定义

2.1.2 传感器模块选型

传感器的选择上，由于需要采集蜂箱内部的温度以及湿度数据，相对于采用独立传感器搭配其他元器件搭建传感器采集电路而言，集成式温湿度采样单元实现起来相对比较容易。DHT11 数字温湿度传感器模块是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[12]。该模块采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，能够确保产品具有极高的可靠性与稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，并与一个高性能8 位单片机相连接，因此该模块具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点[13-15]。DTH11 模块的实物图及接口定义如图3所示。

图3 DTH11模块外观及接口定义

2.1.3 控制器芯片选型

微处理器作为设计中的中央处理单元，不仅承载着数字量数据的读取功能，还需要通过无线传输模块进行数据的收发功能。同时，考虑到采用的是锂电池供电，需要对电池的电量进行监控。结合对以上功能的分析，微处理器应该具备SPI 总线接口、模数转换等功能，并且要考虑器件自身功耗，选用核心电压为低电压的器件能够有效降耗。综上所述，选用国产宏晶公司推出的功能功耗较为均衡的STC15系列中的STC15W408AS芯片作为主控芯片。该芯片具有DIP、SKDIP、SOP、QFN 等多种封装形式，在管脚上具有16∕20∕28 等3 种类型，能够满足本设计中的管脚数量需求以及其他要求。通过对本设计过程中的IO需求分析，选用了16个管脚SOP封装的控制芯片。其实物如图4所示。

图4 STC15W408AS外观

2.2 硬件电路设计

通过对无线传输模块、传感器模块、主控芯片的选型，基本上确定了硬件电路框架。电路除了以上单元模块之外，还设计了显示单元模块以及按键电路，用于中央控制及显示单元装置。在一般的数据采集侧，主要包含主控单元、传感器数据采集单元和无线传输单元；在控制显示侧，则包含主控单元、按键查询电路、无线传输单元和显示单元。通过在显示模块中通过选定待查询的蜂箱地址，确认后便可以通过无线传输单元获取传感器采集数据并显示在显示屏中。完整的硬件电路设计如图5所示。

图5 硬件电路原理

在电源的设计过程中，考虑到所有模块均采用3.3 V电源供电，而单体锂电池的电压范围在3.0～4.2 V 之间，不能满足所设计电路的电源要求，需要添加电源转换电路保证稳定的3.3 V 电源供应。这里采用BCT2057-3.3 V电源转换芯片，该芯片能够在输入电压范围为1.6～5.5 V的电源输入中实现稳定的3.3 V输出，且输出电流最大可以达到1 A，较好地满足了电源需求。

3 系统软件设计

根据系统框架设计所述，数据采集装置与显示装置分属于下位机装置与上位机装置，控制器对其进行分别控制，独立的完成数据采集以及显示，其中数据通信部分采用无线传输方式。两个装置的软件流程如图6所示。

图6 蜂箱状态参数监测软件流程

从流程图中可以看出，数据采集装置完成实时的数据采集任务，通过接收来自显示装置的广播式无线数据，收到后与自身的地址号对比。如果是查询自身状态数据时便将准备好的数据通过无线返回给显示装置；如果不是查询自身数据，则不理会该报文。显示装置则是先设置好查询的蜂箱号（最大可以查询到255 号蜂箱），启动查询功能后以广播的方式通过无线发送至每一个蜂箱，只有匹配的蜂箱反馈状态数据，经过处理后显示在液晶屏幕上，获取对应查询蜂箱的状态参数，为后续的调整提供参考依据。

4 结果分析

在原理图的基础上开展了实物样品的制作，由于装置主要采用模块堆积的方式实现，因此样机制作过程相对简单。在实验室条件下对样机进行了测试，其测试结果如图7所示。

图7 样机实物测试

从显示装置显示的结果看，上位机已完成对1 号蜂场5 号蜂箱的无线通信（由于未配备按键模块，直接在单片机中指定了查询蜂箱的从机为05号蜂箱），查询5号蜂箱内部的温湿度数据。结果显示：当前5 号装置的实时温度为19 ℃，湿度为74%。上位机亦可以开放环境参数，以供测试人员参考。本次测试未开放该功能，环境数据状态为NULL（空）。

5 结束语

蜂蜜作为蜜蜂辛勤劳作的产物，具有较高的营养价值。而高质量的蜂蜜产出离不开蜂箱所提供的舒适良好的作息环境。结合蜂箱数据监测的特殊性，本文给出了基于无线通信下的蜂箱数据采集与显示的设计与样品开发全过程。通过分析需求与外部环境后，对主控芯片、无线通讯模块、数据采集模块进行了选型分析，结合便携式装置在体积、功耗等方面的设计规则，设计了适应于低功耗的硬件电路设计与软件程序设计，开发出了满足蜂箱监测的较长续航下的温湿度数据采集装置。通过获取精确的状态数据，为蜂箱内蜂群的环境舒适度创造了前提条件。