Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи

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

Известно устройство US7549907, A 01 К 47/00/ Honey bee acoustic recording system for monitoring hive health / Jerry J. Bromenshenr, Colin B. Henderson, Robert А. Seccomb, Steven D. Rice, Robert T. Etter. Опубл. 27. 09. 2007, - Бюл. № 60/756,678 (Bromenshenk, 2009) США [1] которое проводит анализ акустического шума пчелиной семьи, имеет выносной микрофон microphone), аудиоплеер (audio Conditioning), блок быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform), блок статической дискриминации (Statistical Discrimination), блок статического анализа (Statistical Analysis), блок искусственных нейронных сетей (Artificial Neural Networks), устройство классификации воздействия (Classification By Exposure), кнопки управления, наушники, порт для подключения компьютера, внешний источник питания.

Выход микрофона соединён с входом аудиплеера, выход которого соединён с блока быстрого преобразования Фурье, выход которого соединён с первым входом блока статической дискриминации, выход блока статического анализа соединён со вторым входом блока статической дискриминации, выход блока искусственных нейронных сетей с третьим входом блока статистической дискриминации, выход которого соединён с входом блока классификации воздействия .

Недостаток устройства, сложная система анализа, сложность восприятия диагностической информации, рассчитано на подготовленных пчеловодов.

Известно устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи (Патент RU 2099942, опубл. 27.12.97 №36, Дрейзин В.Э., Рыбочкин А.Ф., Захаров И.С., Еськов Е.К., (прототип)) [2], содержащее микрофон, источник питания, предварительный низкочастотный усилитель, усилитель с автоматической регулировкой усиления, детектор средневыпрямленного значения, смеситель, активный фильтр нижних частот, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, матричный индикатор, устройство управления матричным индикатором, дискретно перестраиваемый гетеродин, центральное устройство управления, таймер, пульт управления, при этом выходы микрофона соединены с первым и вторым входами предварительного низкочастотного усилителя, выход которого соединён 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, выход усилителя с автоматической регулировкой усиления соединён с первым входом смесителя, второй вход которого соединён с выходом дискретно перестраиваемого гетеродина, выход смесителя соединён с входом активного фильтра нижних частот, выход которого соединён с входом детектора средневыпрямленного значения, а его выход соединён с входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединён с первым входом устройства управления матричным индикатором, второй вход которого соединён с первым выходом центрального устройства управления и с входом дискретно перестраиваемого гетеродина, выход устройства управления матричным индикатором соединён с входом матричного индикатора, третий вход устройства управления матричным индикатором соединён со вторым выходом центрального устройства управления, третий выход устройства управления соединён с входом таймера, первый выход которого соединён со вторым входом центрального устройства управления, второй выход таймера соединён со вторым входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, третий выход таймера соединён 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.

Недостатком устройства является сложность схемной реализации, недостаточная точность диагностирования, сложность этапов в последовательности диагностирования.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение схемного решения, уменьшения технологических этапов диагностирования, повышения точности диагностирования, достижение простоты работы с прибором неподготовленными пчеловодами.

Это достигается за счёт точности анализа спектра с использованием микропроцессора с аналого-цифровым преобразователем с устройством дискретного преобразования Фурье, а также с использованием устройства компаратора спектра с образцами в памяти.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи, содержащее внешний съёмный конденсаторный микрофон с электропитанием, источник питания, полосовой низкочастотный фильтр, усилитель с автоматической регулировкой усиления, при этом выход микрофона соединён с первым входом полосового низкочастотного фильтра, выход которого соединён с входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, выходы источника питания соединены с шинами питания внешнего съёмного микрофона с электропитанием, с шинами питания усилителя с полосовым фильтром 200-400 Гц, выход которого соединён с входом системы автоматической регулировкой усиления (САРУ), причём введены микропроцессор с встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), устройство дискретного преобразования Фурье, компаратор спектра с образцами в памяти, светодиодный индикатор, выход САРУ соединён с входом микропроцессора и с входом встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), первый выход микропроцессора соединён со вторым входом САРУ, второй выход микропроцессора соединён с входом устройства дискретного преобразования Фурье, выход устройства дискретного преобразования Фурье соединён с входом компаратора спектра с образцами памяти, выход которого соединён с входом светодиодной индикации, выходы источника питания соединены с шинами питания микропроцессора, шинами питания устройства дискретного преобразования Фурье, с шинами питания устройства компаратора спектра с образцами памяти, с шинами питания светодиодного индикатора.

Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи фиг. 1 содержит: 1- внешний съёмный конденсаторный микрофон с электропитанием, 2 - усилитель с полосовым фильтром 200-400 Гц, 3 – система автоматической регулировки усиления (САРУ), 4 – микропроцессор, 5 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 6 - устройство для дискретного преобразования Фурье, 7- устройство компаратор спектра с образцами в памяти, 8 - светодиодный индикатор, 9 – источник питания, 10 – клеммы питания.

Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи фиг. 2 содержит гнездо микрофона 3,5 мм для подключения внешнего съёмного конденсаторного микрофона с электропитанием, цепи питания микрофона 3 В, с потреблением тока в1 мА., усилитель с полосовым фильтром 200-400 Гц., систему АРУ с диапазоном регулирования 42 дБ., Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) -5 встроенный в микропроцессор 4, устройство цифрового дискретного преобразования Фурье - 6, устройство компаратор спектра с образцами в памяти - 7, светодиодный индикатор - 8, источник питания - 9.

Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи приведено в виде практической реализации на фиг. 3. При использовании сменного внешнего микрофона, разъем которого совпадает с разъемом гарнитуры мобильных телефонов. Предусматривается возможность стационарной установки микрофонов в ульях, проводить анализ акустического спектра улья, применяется простая светодиодная индикация Да/Нет, осуществляется контроль элементов источника питания. При включении электропитания, обеспечивается возможность задания режима работы устройства. Имеется возможность повторного перепрограммирования микропроцессора 4, устройства дискретного преобразования Фурье -5, устройства компаратора спектра с образцами в памяти -6.

Преимущество перед аналогичными приборами (например, выполненных с применением разработанных программ для смартфонов (http://www/apivox auditor/ com.)) - минимальная стоимость.

Технические данные: микрофон электретный, 3.5 мм, можно применить микрофон электродинамический, чувствительность микрофона 603 дБ В/Па, максимальный уровень звукового сигнала 85 дБ SPL, частотный диапазон 200-400 Гц, неравномерность АЧХ в частотном диапазоне 1 дБ, диапазон регулировки АРУ 42 дБ, анализатор спектра –цифровое дискретное преобразование Фурье, число режимов измерения – 5, время измерения – 4,5 минуты, индикация режимов и результатов работы – светодиодная, напряжение питания 3,0 В, средний ток потребления 10 мА, максимальный ток потребления 50мА, рабочая температура от +5 до +45°C, габаритные размеры электронного устройства 100 х 60 х 25 мм , габаритные размеры кабельного микрофона 500 х 10 х 3.5 мм, вес электронного устройства не более 100 г (с 2-мя батареями АА), вес в упаковке, не более 150 г.

Когда устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи обесточено, светодиодный индикатор не светится, микросхемы: усилитель с полосовым фильтром 200-400 Гц, система автоматической регулировки усиления (САРУ), микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), устройство для дискретного преобразования Фурье, устройство компаратор спектра с образцами в памяти обесточены, электропитание на микрофон не поступает.

Работает устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи следующим образом [3]: сигнал с микрофона -1 поступает на усилитель с полосовым фильтром (200-400 Гц -2, усиливается до необходимого уровня, далее усиленный сигнал поступает в систему автоматической регулировки усиления (САРУ) -3, которая удерживает акустический сигнал на одном уровне в пределах изменения входного сигнала 42 дБ. Управление САРУ осуществляется микропроцессором – 4. Акустический сигнал с САРУ поступает на вход микропроцессора - 4, в который встроен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который оцифровывает акустический сигнал пчелиной семьи, микропроцессор 4, на основе данных полученных с АЦП, выдаёт управляющие коды на САРУ. С выхода АЦП -5 оцифрованный сигнал поступает на обработку кодов микропроцессором - 4, с выхода микропроцессора – 4 кодовые сигналы поступают на вход устройства дискретного преобразования Фурье -6, который вычисляется спектр акустического сигнала, в течение 4.5 минут, спектр затем усредняется. Полученный усредненный спектр сравнивается с образцами спектров, хранящихся в памяти устройства компаратора спектра с образцами в памяти -7, после чего для выбранного режима измерений делается вывод "Да" или "Нет" с определением вероятности.

После включения электропитания (тумблер внизу, фиг.3), устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи работает следующим образом. Запитывается источник питания 9 и через шины источника питания 10 питающее напряжение поступает на все блоки устройства. Воспринимаемый микрофоном 1 акустический сигнал, издаваемый пчёлами, преобразуется в электрический и поступает на вход усилителя с полосовым фильтром 200-400 Гц. В частотном диапазоне 200-400 Гц [1,2] находится наиболее информативная часть спектра генерируемого пчелиной семьёй 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. 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 диапазонов на 6-10 дБ [1]. Полученный сигнал с ограниченным спектром с выхода усилителя с полосовым фильтром 200-400 Гц - 2 поступает на вход САРУ -3, где акустический сигнал нормируется и нормированный сигнал поступает на вход процессора 4 в АЦП 5. Устройство дискретного преобразования Фурье осуществляет вычисление усреднённого спектра акустического сигнала в диапазоне частот 200-400 Гц. Полученный спектр сравнивается с образцами спектров на выделенных частотах 225, 265, 290, 300, 325, и 365 Гц. В случае совпадения спектра с образцом для выбранного режима работы загорается индикатор «Нет» с определением вероятности.

Светодиодный индикатор позволяет определить вероятность ответа «Да» или «Нет», а также уровень входного сигнала микрофона. Если горит только один из индикаторов «Да» или «Нет», это означает, что вероятность ответа определяется как 100%. Если горят оба индикатора, то показания неопределенные и нельзя сделать однозначное заключение.

Чтобы численно зафиксировать показания для последующих наблюдений, надо подсчитать число «миганий»(уменьшения яркости) индикаторов «Да» и/или «Нет». Если мигают оба индикатора одновременно, то число первых миганий n1 соответствует уровню входного сигнала.

Электронное устройство «Помощник пчеловода» предназначено для исследования и предсказания поведения медоносных пчёл методом акустической диагностики внутри улья. Акустический метод позволяет контролировать поведение пчёл, не нарушая естественного хода биологических процессов, протекающих в улье. Среди известных методов контроля за изменениями физиологического состояния пчелиной семьи акустический отличается наибольшей точностью и надёжностью.

Пчелиная семья не всегда принимает новых маток. С помощью специальных, порой довольно трудоёмких приёмов, применяемых при замене маток, процент их гибели можно сократить. Однако известные приёмы заметок маток не настолько совершенны, чтобы гарантировать полный успех этой операции. Разработка же новых способов, которые бы при относительно небольших затратах труда гарантировали успешную замену маток, в значительной мере осложняется тем, что об отрицательном отношении пчёл к новой матке пчеловод узнаёт практически лишь после её гибели, при осмотре семьи. Важно отметить, что осмотры семей в период замены маток крайне нежелательны, так как это ухудшает отношение пчёл к новым маткам.

Акустический контроль за отношением пчёл безматочных семей к подсаженным в ульи маткам необходим как в исследовательской, так и в практической работе с пчёлами. По звукам, издаваемым безматочной семьёй после введения в улей новой матки, можно сразу же определить отношение к ней пчёл. Матку для полной безопасности заключают в клетку. В случае положительного отношения к матке пчёлы издают звуки с интенсивными составляющими в диапазоне 165-200 Гц; при отрицательном – максимум спектральной энергии находится в области 330-440 Гц.

Реакция пчёл на изменение микроклимата отражаются прежде всего на интенсивности спектральных составляющих в диапазоне 70-180 Гц. Наибольшей интенсивности этот диапазон достигает (бывает равной или на 3-5 дБ превосходит составляющие в диапазоне 200-400 Гц) в летний период при высокой внешней температуре, когда в улей вносится большое количество нектара, и при перегреве гнезда. При этом усилению интенсивности звуков, генерируемых пчёлами-вентилировщицами, сопуствует рост их частоты [1,2]. Подобные изменения происходят при высокой концентрации в улье углекислого газа. Например, на повышение его концентрации за пределами гнезда зимующих пчёл с 2-х до 5-7% интенсивность звуков пчёл вентилировщиц возрастает на 8-14 дБ. Частота издаваемых ими звуков повышается в среднем на 50 Гц. Вместе с тем происходит смещение пика интенсивности в диапазоне 200-400 Гц и на его высокочастотную область – с 250-275 Гц на 275-300 Гц, что свидетельствует о возбуждении семьи. Когда же концентрация углекислоты достигнет 9-10%, интенсивность составляющих частотой 120-190 Гц, возрастает на 19-27 дБ. Максимум спектральной энергии второго диапазона интенсивных составляющих смещается в этом случае на область 300-325 Гц.

Выявление семей, заражённых варроатозом. Спектр звука пчелиной семьи в период зимовки зависит от уровня поражённости варроатозом (инвазионное заболевание пчёл). Оказывается, чем сильнее поражена семья, тем интенсивнее высокочастотные составляющие в диапазоне 200-400 Гц. В частности, по данным 376 спектров звуков пчелиных семей, заражённость которых составила 2-8%, низкочастотная часть пика интенсивности (по уровню 0,7) приходилась на 2644 Гц (Cu-13%), высокочастотная – на 3433Гц. У семей, заражённых в среднем на 50% при прочих равных условиях, пик интенсивности был смещён в сторону высоких частот примерно на 50 Гц: его низкочастотная область ограничивалась 2963 Гц (Cu-10%), высокочастотная - 3693 Гц (Cu-7%). Важно отметить, что уровень интенсивности звуков не имеет явно выраженной связи с экстенсивностью инвазии. Следовательно, по интенсивности звуков, издаваемых пчелиными семьями, нельзя оценить степень их заражённости варроатозом.

Для выявления пчелиных семей, заражённых варроатозом, и определения экстенсивности этой инвазии достаточно определить частотное положение пика интенсивности в диапазоне 200-400 Гц. Акустический метод диагностики позволяет перед выставкой пчёл из зимовника провести дифференцировку семей в зависимости от степени зараженности варроатозом и своевременно (до облёта пчёл) принять необходимые санитарные меры.

Устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи предназначено для исследования и предсказания поведения медоносных пчел методом диагностики их состояний по издаваемому ими внутри улья акустическому шуму, которое позволяет контролировать поведение пчел, не нарушая естественного хода биологических процессов, протекающих в улье. Среди известных методов контроля за изменениями физиологического состояния пчелиной семьи акустический отличается наибольшей точностью и надежностью.

Таким образом, устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи можно применять при работе с пчёлами, как для биологических исследований спектральных характеристик звукового сигнала пчелиных семей, так при практическом пчеловождении. Оно может быть использовано для распознавания характерных состояний пчелиной семьи, таких как предроевое состояние, потеря матки, принятие или неприятие новой матки. Устройство портативно, может найти постоянное применение у пчеловода практика, что позволяет контролировать необходимые пчеловодам на практике пчеловождения состояния пчелиных семей пчеловодами разной квалификации.