автоматизированная система для круглогодичного содержания и наблюдения за жизнедеятельностью пчелиных семей

Формула изобретения

1. Автоматизированная система для круглогодичного содержания и наблюдения за жизнедеятельностью пчелиных семей, содержащая контроллер пасеки, включающий центральный блок питания и центральную ЭВМ, и контроллеры ульев, каждый из которых включает размещенные на ульевых рамках с вощинодержателями датчики температуры, выполненные в виде матриц, блок управления, коммутаторы ульевых рамок и датчиков температуры, блок питания и блок измерения, выход которого связан с первым информационным входом блока управления, первый адресный выход которого подключен к входу управления коммутатора датчиков температуры, при этом аналоговый вход последнего соединен с объединенными между собой первыми выходами датчиков температуры всех ульевых рамок данного улья, а выход центрального блока питания соединен с входами блоков питания всех контроллеров ульев, причем выход и вход центральной ЭВМ посредством первой и второй линий связи соединены соответственно с вторым информационным входом блока управления контроллера первого улья и информационным выходом контроллера N-улья, отличающаяся тем, что в контроллере каждого улья блок измерения выполнен в виде преобразователя температура частота, входы которого связаны с аналоговыми выходами коммутаторов ульевых рамок и датчиков температуры, при этом входы управления последних объединены между собой, а вторые выходы датчиков температуры каждой ульевой рамки данного улья соединены с общим проводом сетки вощинодержателя этой рамки и связаны с аналоговыми входами коммутатора ульевых рамок данного контроллера улья, причем информационный выход блока управления контроллера K-улья подключен к второму информационному входу блока управления контроллера К + 1 -улья, где К 1, 2, (N 1).

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер каждого улья снабжен микрофоном, усилителем, блоком фильтров, коммутатором фильтров и амплитудным дискриминатором, выход которого соединен с вторым информационным входом блока управления, при этом второй адресный выход последнего подключен к адресному входу коммутатора фильтров, выход которого связан с входом амплитудного дискриминатора, а информационный вход через последовательно соединенные блок фильтров и усилитель подключен к выходу микрофона.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер каждого улья снабжен блоком коммутации и блоком регулирования температуры, содержащим нагревательные элементы, изолированные от чувствительных элементов датчиком температуры и расположенные в узлах сеток вощинодержателей ульевых рамок данного улья, при этом первые выводы нагревательных элементов всех ульевых рамок этого улья заземлены, а вторые выводы соединены с первым выходом блока коммутации, силовой вход которого подключен к первому силовому выходу блока управления.

4. Система по пп. 1 3, отличающаяся тем, что контроллер каждого улья снабжен блоком подсадки пчелиной матки в улей, выполненным в виде клеточки для пчелиной матки, имеющей входную дверцу, вход управления электропривода которой соединен с вторым силовым выходом блока управления.

5. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что в контроллер каждого улья введен блок электростимулирующего воздействия на пчел, включающий усилитель мощности и расположенные в узлах сеток вощинодержателей ульевых рамок данного улья стимулирующие электроды, причем электроды четных и нечетных рамок объединены в две группы и связаны соответственно с вторым и третьим выходами блока коммутации, стимулирующий вход которого через усилитель мощности соединен с частотным выходом блока управления.

6. Система по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что контроллер каждого улья снабжен блоком отбора яда у пчел, подключенным к четвертому выходу блока коммутации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пчеловодству и найдет применение в содержании пчелиных семей, позволит дистанционно, без нарушения микроклимата пчелиного гнезда, следить за перемещением пчелиного клуба, размещением расплода на рамках в любое время года.

Известно устройство, обеспечивающее автоматизацию некоторых видов работ по уходу за пчелами. Это устройство автоматизирует отдельные работы, но имеет недостаток, связанный с невозможностью дистанционно в достаточной степени объективно наблюдать состояние жизнедеятельности пчелиных семей как в процессе их развития, так и зимовки путем анализа изменения звуковых и температурных параметров.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является автоматизированная система для круглогодичного наблюдения за жизнедеятельностью пчелиных семей, содержащая размещенные на ульевых рамках температурные датчики, выполненные в виде матриц, измерительный орган, блоки питания ульев, центральную ЭВМ, ЭВМ оператора и ульевые контроллеры, причем температурные датчики размещены в вощине каждой рамки улья, а ульевые контроллеры посредством линий связи соединены с соответствующими периферийными портами центральной ЭВМ, системный порт которой посредством линии связи соединен с ЭВМ оператора, ульевой контроллер снабжен блоком температурных датчиков, каждый из которых содержит матрицу температурных датчиков и аналоговый коммутатор, коммутатором рамок улья, блоком неуравновешенного моста с четырьмя коммутаторами режима работы, четырьмя резисторами и двумя диодами, блоком диапазона температур с восемью коммутаторами, восемью резисторами и четырьмя диодами, блоком измерения, буфером шины данных, ульевой микроЭВМ, приемо-передатчиком, блоком формирования калибровочных напряжений и блоком включения выключения электропитания, при этом первые выходы всех температурных датчиков соединены между собой и с выходом первого коммутатора режима работы, а вторые их выходы соединены с соответствующими входами соответствующих аналоговых коммутаторов, выходы которых связаны с одноименными входами коммутатора рамок ульев, выход коммутатора рамок ульев соединен с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого коммутаторов диапазона температур, вторые входы которых и вторые входы пятого, шестого, седьмого и восьмого коммутаторов совмещены с шиной управления коммутаторами диапазона температур ульевой микроЭВМ, причем выходы первого, второго, третьего и четвертого коммутаторов диапазона температур через резисторы соединены с первыми входами соответственно пятого, шестого, седьмого и восьмого коммутаторов диапазонов температур и через соответствующие резисторы с общим входом блока неуравновешенного моста, управляющие входы всех четырех коммутаторов режима работы которого связаны с шиной управления коммутаторами режима работы ульевой микроЭВМ, при этом вторые входы первого и второго коммутаторов режима работы соединены с выходом блока формирования калибровочных напряжений и через два включенных последовательно резистора с общим входом неуравновешенного моста, причем точка соединения резисторов подключена ко второму входу блока измерения, первый вход которого через встречно включенные диоды связан с выходом третьего и четвертого коммутаторов режима работы, второй вход третьего коммутатора режима работы совмещен посредством соответствующих резисторов с выходом второго коммутатора режима работы и с общим входом неуравновешенного моста, а второй вход четвертого коммутатора режима работы соединен через встречно включенные диоды с выходами пятого, шестого, седьмого и восьмого коммутаторов диапазона температур, при этом шина адреса рамки микроЭВМ соединена с соответствующими входами коммутатора рамок улья, с третьим входом блока измерения, соответствующими входами аналоговых коммутаторов, с буфером шины данных, блоком формирования калибровочных напряжений, блоком управления включением выключением электропитания, приемо-передатчиком и буфером шины данных, второй вход которого соединен с блоком измерения, а выход соединен с соответствующим входом микроЭВМ и вторым входом приемо-передатчика.

Недостатком устройства являются узкие функциональные возможности, сложность схемных соединений, громоздкость коммутационных соединений, повышенная трудоемкость установки системы при переездах.

На фиг. 1 представлена структурная схема автоматизированной системы для круглогодичного наблюдения и содержания пчелиных семей, содержащая: контроллер пасеки 1, в состав которого входит центральная ЭВМ 2 и центральный блок питания 3, контроллеры ульев 4, содержащие блок питания 5, блок подсадки матки 6, микрофон 7, усилитель 8, блок управления 9, амплитудный дискриминатор 10, коммутатор фильтров 11, блок фильтров 12 с фильтрами 13-18, блок измерения 19, коммутатор датчиков температуры 20, коммутатор ульевых рамок 21, усилитель мощности 22, блок коммутации 23, ульевые рамки с вощинодержателями (нагревательными элементами) и датчиками температур 24, блок отбора пчелиного яда 25, шину датчиков 26, шину рамок 27, выходные коммутационные шину 28, стимулирующий выход блока коммутации 29, шину силовых выходов блока управления 30, выходную шину усилителя мощности 31, первый адресный выход блока управления 32, частотный выход блока управления 33, первый вход блока измерения 34, второй вход блока измерения 35, выход блока измерения 36, второй адресный выход блока управления 37, выходную шину амплитудного дискриминатора 38, силовую шину управления блоком посадки матки 39, шину питания контроллера улья 40, выходную линию связи ЭВМ 41, входную линию связи ЭВМ 42, шину питания пасеки 43, 44.

На фиг. 2 и 3 приведена принципиальная электрическая схема блока управления 9, которая содержит конденсаторы 45-46, 59, кварцевый резонатор 47, однокристальную микро ЭВМ (микросхема КР 1816ВЕ31) 48, регистр (К 555ИР22) 49, параллельный периферийный интерфейс (ППИ) 50, набор силовых ключей 51, 52 (микросхемы К 1109КТ22), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 53, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 54, триггеры 55, 65; "кнопку сброса" 56; резисторы 57, 60-64, 66-73, 76, 77, 82, 83, 87, 88; диоды 58, 78, 80; дешифратор 74, элемент "И" 75, оптопару диодную 79, транзисторы приемо-передатчиков 81, 84-86.

На фиг. 4 приведена принципиальная электрическая схема блока коммутации 23, которая содержит тумблеры включения-выключения нагревательных элементов 89-91, тумблеры включения-выключения стимулирующих электродов электромагнитного воздействия 92, 93.

На фиг. 5-19 представлен алгоритм работы системы для круглогодичного содержания и наблюдения за жизнедеятель- ностью пчелиных семей.

Автоматизированная система для круглогодичного наблюдения и содержания пчелиных семей работает следующим образом. Центральная ЭВМ 2 и блоки питания 5 контроллеров ульев 4 запитываются от центрального блока питания 3 контроллера пасеки 1. В качестве центрального блока питания 3 служит аккумулятор с преобразователем напряжения (допускается так же подключение электросети с силовым блоком к преобразователю напряжения). Центральная ЭВМ 2 так же может запитываться от электросети. В центральную ЭВМ 2 вводится управляющая программа. Затем проводится начальная настройка автоматизированной системы и формирование на дисплее ЭВМ режимов работы (автоматический кольцевой или произвольный) с указанием с клавиатуры номера наблюдаемого улья. С помощью алгоритма на фиг. 5 (позиции 1-7) центральная ЭВМ 2 производит запись в буферную ОЗУ номера улья (позиция 8) и формирует сообщение в выходную линию связи "Установить связь", а затем анализирует прием сообщения из входной линии связи 42. Построение этой локальной сети (ЛС) приведено на фиг. 1. Локальная сеть центральной ЭВМ 2 имеет выходную 41 и входную линию связи 42, выполненную двумя витыми проводами. Контроллеры ульев 4 так же имеют входную и выходную линию связи. Первый контроллер улья принимает сообщение от центральной ЭВМ 2 и через выходную линию связи передает его во входную часть второго контроллера улья, второй контроллер улья передает сообщение N контроллеру улья, который затем передает его во входную линию связи центральной ЭВМ 2. При отсутствии сообщения "Установить связь" проводится трехкратная проверка замкнутости локальной сети с помощью команды проверки установления связи (КПУС), а затем формируются сообщения на экране дисплея центральной ЭВМ 2: "Обрыв в линии связи". "Отказ системы по ЛС" (алгоритм на фиг. 6, 8; позиции 8-18). Если сообщение "Установить связь" прошло, то контроллер улья 4, номер которого совпадает с выбранным пчеловодом, выдает на экран дисплея номер наблюдаемого улья (фиг. 6, позиция 13). Затем формируются сообщения: "Формат", "Рисунок улья", "Номер рамок", "Рисунки рамок", "Графики частотного спектра" (фиг. 7, 8, 9; позиции 9-37). Работа управляющей программы центральной ЭВМ 2 может быть организована по разным направлениям: сбор информации от датчиков температуры, звуковых датчиков; выдача команд контроллерам ульев. Поскольку контроллеры ульев 4 способны самостоятельно (без участия центральной ЭВМ 2) исполнять команды (проводить электромагнитную стимуляцию, подавлять роение, участвовать в отборе пчелиного яда, производить подсадку маток, осуществлять локально регулируемый подогрев), центральная ЭВМ 2 координирует работу каждого контроллера улья 4, хранит в своей "памяти" необходимые работы для конкретного улья: в одних ульях необходимо осуществлять подсадку маток, в других проводить электромагнитную стимуляцию подавление резания, в третьих подогрев в случае слабых семей, в четвертых отбор пчелиного яда и т.д. В этом случае центральная ЭВМ выдает управляющие команды контроллерам ульев 4 для выполнения конкретных для данного улья работ. При отборе пчелиного яда пчеловод может наблюдать на экране дисплея ЭВМ за изменениями технологических процессов в любой пчелиной семье, что позволяет ему оперативно произвести необходимую корректировку. При отборе пчелиного яда помимо использования известных ядоприемных устройств, которые помещаются внутри улья, для большей стимуляции отдачи пчелиного яда подается дополнительное электромагнитное поле на нагревательные элементы пчелиных рамок 24, которые являются электромагнитными электродами. Наличие информации на экране дисплея позволит более эффективно проводить отбор пчелиного яда в конкретной пчелиной семье без снижения медопродуктивности.

Работа контроллера улья (КУ) 4 заключается в следующем. При включении питания проводится начальная установка (НУ):

1. Загрузка управляющих слоев и байтов НУ в микроЭВМ 48, в параллельный периферийный интерфейс (ППИ) 50, а также чтение своего имени (фиг. 10, позиция 2);

2. Очистка внутреннего ОЗУ микроЭВМ и управляющих регистров (фиг. 10, позиция 3);

3. Очистка внешнего ОЗУ 54 наблюдений дня (фиг. 10, позиция 4);

4. Загрузка и запуск таймера дня (ТД) микроЭВМ для отсчета 24 ч (фиг. 10, позиция 5).

После выполнения этих действий КУ переходит в режим "Автомат" (фиг. 11-18, позиции 6 и 49). В случае прихода команды от центральной ЭВМ 2 по линии связки КУ переходит в режим "Прием" (фиг. 18, 19, позиции 50-70). В режиме "Автомат" КУ осуществляет три подрежима:

1. Измерение температуры каждого из 32 датчиков, размещенных на одной из 12 рамок, с записью результата во внешнее ОЗУ наблюдений дня (фиг. 11-14, позиции 6-22);

2. Включение нагревателя рамки, если соблюдается условие 34,5^оС T35,5^оС для любого датчика рамки, попавшего в этот диапазон, или невключение нагревателя рамки в противном случае (фиг. 14, позиции 23-26). Регистр калибровки (РК) является внутренним регистром микроЭВМ 48.

3. Анализ звукового спектра пчелиной семьи на частотах: f₁ 369 Гц, f₂ 343 Гц, f₃ 246 Гц, f₄ 296 Гц, f₅ 240 Гц. При зараженности варроатозом 2-8% низкочастотная часть пика интенсивности (по уровню 0,7) приходится на 2464 Гц, высокочастотная на 3433 Гц. У пчелосемей, зараженность которых составляет около 50% при прочих равных условиях пик интенсивности смещен в сторону высоких частот; его низкочастотная часть составляет 296 3 Гц, а высокочастотная 3693 Гц. На частотах f₁-f₄ проводится анализ степени зараженности пчел варроатозом, счетчик сильной зараженности варроатозом увеличивается на единицу. При частоте f₅ 240 Гц, полученной с амплитудного дискриминатора 10, включается частотный выход блока управления 9, генерирующий частоту подавления, равную 500 Гц, которая поступает на усилитель мощности 22, усиливается и поступает на блок коммутации 23. При проведенной пчеловодом коммутации на выходные шины коммутации 28 поступает напряжение с частотой 500 Гц, которое затем передается на электромагнитные электроды, роль которых выполняют нагревательные элементы (одновременно являются вощинодержателями рамок). Электромагнитные электроды соседних пчелиных рамок являются обкладками конденсатора и на них поступает разнополярное напряжение с частотой 500 Гц. Первые входы четных нагревательных элементов соединены между собой, и на них поступает напряжение одной полярности, на первые входы соединенных между собой нечетных нагревательных элементов поступает напряжение противоположной полярности. Электромагнитное поле, создающееся в межрамочном пространстве, подавляет возникшее роение. Уровень напряженности электромагнитного поля устанавливается регулятором мощности.

При отборе пчелиного яда с помощью регулятора мощности устанавливается уровень воздействующего напряжения, не наносящий ущерб жизни пчел. На частотном выходе блока управления генерируется воздействующее напряжение, изменяющееся как по частоте, так и по длительности; программа изменения частоты и длительности воздействующего напряжения зависит от программы в блоке управления (диапазон изменения находится в пределах звуковых частот). Усиленное напряжение, изменяемое по длительности и частоте, с выхода усилителя мощности 22 поступает в блок коммутации 23. В зависимости от режима коммутации пчеловод подключает стимулирующий выход 29 к блоку отбора пчелиного яда 25 или одновременно включаются тумблеры 92-93, включающие еще электромагнитное поле между рамок. В качестве блока отбора пчелиного яда может быть применен любой известный, помещаемый как в межрамочное пространство, так и над рамками. Ульевой контроллер 4 может быть использован как самостоятельное устройство по отбору пчелиного яда и позволяет подключить несколько ядоотборных устройств соседних ульев. При отборе пчелиного яда стимулирующие шины могут быть подключены только к блокам отбора пчелиного яда. Для повышения эффективности отбора пчелиного яда в блоке коммутации 23 одновременно коммутируются тумблерами 92, 93 стимулирующий выход и выходные шины коммутации 28, что позволяет одновременно воздействовать на пчел электромагнитным полем, а также подавать воздействующее напряжение в блок отбора пчелиного яда. Уровни напряжений, поступающие в межрамочное пространство пчелиных рамок 24, и в блок отбора пчелиного яда независимо регулируются в усилителе мощности 22. Оптимальность регулировок устанавливается пчеловодом по эффективной отдаче пчелиного яда. Пчелы приходят в повышенное возбужденное состояние, эффективность отбора пчелиного яда резко возрастает, так как пчелы, выталкиваемые воздействующим объемным электромагнитным полем, ищут источники их возмущения. Они находят ядоотборные устройства, которые раздражают их электрическим током. Программу воздействия на пчел меняет пчеловод путем смены ПЗУ 53.

Если частота звуковых сигналов на выходе амплитудного дискриминатора соответствует f₆ 184 Гц, то блок управления через силовую шину управления блоком посадки матки 39 подает сигнал "Открытие клетки" на электромагнитный привод блока подсадки матки 6 для подсадки матки в улей. Результаты измерений записываются во внешнее ОЗУ 54 наблюдений дня. По истечении дня (содержимое таймера дня равно нулю) производится активизация пчелосемьи включением частоты стимуляции f 500 Гц, которая с частотного выхода блока управления 33 через усилитель мощности 22 и блок коммутации 23 поступает на электромагнитные электроды. Содержимое ОЗУ наблюдений дня сохраняется до тех пор, пока не будет передан по ЛС в центральную ЭАМ 2 признак передачи сообщения ППС 1 (фиг. 18, позиция 53), но не более двух дней; содержимое счетчика дня ССД 2.

В первом подрежиме (измерение температуры) КУ осуществляет:

1. Запись в регистры "Указатель номера рамки (УНР)" и "Указатель номера датчика (УНД)" начальных значений (фиг. 11, позиции 6, 7);

2. Запись в ППИ байтов УНР, УНД (фиг. 11, позиция 8) для аналоговых коммутаторов выбора датчика и рамки 20 и 21;

3. Измерение трех текущих значений частоты сигнала, поступающего с блока измерения 19 на вход блока управления 9 (фиг. 11, позиции 9, 10), с соответствующим нормированием этого сигнала. Калибровка датчиков осуществляется следующим образом. Блок управления 9 выдаст управляющие сигналы по первому адресному выходу 32, по шине на коммутаторы датчиков. С выхода блока измерения 19 преобразованная в частоту температура поступает в блок управления. В ПЗУ 53 программируют таблицу калибровки каждого датчика. Калибровка датчиков для занесения значений в ПЗУ осуществляется перед заселением улья пчелами. При реальном измерении и при наличии в ПЗУ таблицы калибровки в регистры калибровки РК1, РК2, РК3 (фиг. 12, 13; позиции 11-21) вводятся три измеренных значения частоты от одного датчика.

Производится нормирование калибруемого датчика.

1. Выделяется целая часть (ЦЧ) и дробная часть (ДЧ) текущего значения частоты измеренного сигнала (фиг. 12, позиция 11);

2. В случае, если ЦЧ меньше допустимого значения, калибровку датчика производят записью в РК признака обрыва этого датчика (фиг. 12, позиции 12, 14). Когда ЦЧ находится в пределах допустимого значения, микроЭВМ производит по адресу ЦЧ чтение из ПЗУ верхнего и нижнего (ВЗ, НЗ) диапазона (фиг. 12, позиция 13);

3. Рассчитывается нормируемое значение частоты сигнала с записью в регистр калибровки РК:

РК НЗ + ( ДЧ); (фиг. 12, позиция 14);

4. Для трех измеренных значений определяется их среднее значение

Ркср , которое записывается в РК значений вычислений;

5. Во внешнее ОЗУ проводят запись наблюдений дня содержимого регистра РК по адресу: (фиг. 14, апозиция 22);

6. Если измерение и проверку прошли все 32 датчика на каждой из 12 рамок, КУ переходит в подрежим N 3; в противном случае осуществляется переход к пункту 2 с изменением УНД и УНР (фиг. 15, позиции 27-32).

В режиме "Прием" КУ осуществляет:

1. Чтение сообщения из ЛС до тех пор, пока не примет байт конца сообщения. После этого КУ анализирует поступившее сообщение (фиг. 18, позиции 48, 49);

2. Если принято сообщение: "Установить связь", то в линию связи КУ передается сообщение "Установить связь" и байт "Конец сообщения" (фиг. 18, позиции 55, 56). При поступлении другой команды признак ППС устанавливается в единицу. КУ передает в ДС следующее сообщение: байт номера контроллера, байт команды, байт начала информационного кадра (фиг. 18, позиция 57). В случае приема команды "Циклический просмотр" КУ выдает в ЛС все содержимое внешнего ОЗУ наблюдений дня (фиг. 19, позиции 59-63, 68, 69). Если КУ принимает команду "Просмотр по выбору", то в ЛС передается содержимое внешнего ОЗУ по адресу данных датчиков температуры рамки, указанной в поле команды (фиг. 19, позиции 64-67). Завершается передача сообщения выдачей контроллером улья следующих байтов: байта конца информационного кадра, байта контрольной суммы и байта конца сообщения (фиг. 19, позиция 70).

Таким образом, предлагаемая автоматизированная система для круглогодичного наблюдения и содержания пчелиных семей за счет применения двухпроводной связи между центральной ЭВМ 2 и контроллерами ульев упрощает коммутационные соединения. Это снижает трудоемкость в установке системы, повышает ее надежность, дает возможность использования ЭВМ для управления пасекой по линии связи с помощью двух проводов, а введение микрофона, микрофонного усилителя, блока фильтров, усилителя мощности, блока коммутации, блока отбора пчелиного яда расширяет функциональные возможности системы. Возможность воздействовать импульсным напряжением при отборе пчелиного яда позволяет организовать одновременно и наблюдение за жизнедеятельностью пчелиной семьи, выявлять зависимость ядопродуктов от силы пчелиной семьи, времени, погодных условий и частотных характеристик во время отбора пчелиного яда, что позволяет определить наиболее оптимальные условия проведения этого технологического процесса. Контроллер улья 4 является самостоятельным устройством при отборе пчелиного яда и может использоваться без контроллера пасеки 1. Контроллер улья 4 позволяет подключать несколько известных по конструкции ядоотборных устройств для отбора яда сразу из нескольких ульев. При использовании блока коммутации 23 пчеловод может повысить эффективность отбора пчелиного яда, скоммутировав тумблерами одновременную подачу переменного напряжения на электромагнитные электроды (они же нагревательные элементы) блоков отбора пчелиного яда, изготовленных по известным конструкциям, что позволяет резко повысить эффективность отбора пчелиного яда. С помощью блока коммутации 23 осуществляется изменение режима работы КУ для организации прогрева во время весеннего развития пчелиной семьи. Блок управления обеспечивает локальный адаптируемый прогрев места расположения пчел. При этом датчики температуры от нагревательных элементов теплоэлектрически изолированы. Техноло- гическое использование КУ определяет пчеловод в зависимости от времени и функции использования.