CC BY
1040
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 638.142.8
Трошков А. М., Богданова С. В., Ермакова А. Н.
Troshkov A. M., Bogdanova S. V., Ermakova A. N.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В УПРАВЛЕНИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОРГАНИЗМА -ПЧЕЛИНАЯ СЕМЬЯ
INFORMATION TECHNOLOGY IN MANAGEMENT OF THE BIOLOGICAL FUNCTIONING OF THE BODY - BEE COLONY
Для функционирования пчелосемьи необходима комплексность выполнения операций каждым членом биологического организма, поддержание требуемого количественного баланса семьи.
Поскольку на пасеке пчелосемей достаточно большое количество, то пчеловод не имеет возможности их качественного мониторинга. Отсюда предлагается автоматизировать процессы контроля функционирования.
Целью сохранения меда и продуктов пчелосемьи, необходим баланс трутней и пчел в улье. Если количество трутней после видеомониторинга больше нормы, то они подлежат уничтожению с помощью устройства, основанного на пьезоэлектрическом эффекте, который применим в условиях ограничения электроэнергии для нейтрализации трутней, которое прикрепляется к видеокамере, с помощью которой происходит сканирование и обработка образов трутня, пчелы, матки. При обнаружении трутня, информация об его образе обрабатывается устройством распознавания и передается в устройство принятия решения, которое выдает импульсный сигнал на исполнительное реле, а то в свою очередь включает переключатель и на исполнительном устройстве происходит разряд в виде искры точечного направленного действия. В результате этого трутень погибает, а информация поступает в ОЗУ, где фиксируется. Поскольку с АРМ пчеловода через ОЗУ можно задать число нейтрализаций, то таким образом поддерживается точный баланс соотношения трутней и рабочих пчел.
Следовательно, применение информационных технологий позволят поддерживать нормальный баланс особей и как следствие сохранить определенное количество меда, которое будет способствовать увеличению продуктивности улья.
Ключевые слова: биометрические технологии, аутентификация, пчелосемья, пьезоэлектрический эффект, баланс особей, микропроцессорная техника, видеовизуализация.
For the functioning of bee necessary complexity of operations by every member of a biological organism, maintain the required quantitative balance family. Since the apiary bee colonies quite a large number, the beekeeper no possibility of their qualitative monitoring. Hence it is proposed to automate control processes of functioning.
The purpose of preservation of honey and bee products, the necessary balance drones and bees in the hive. If the number of drones after the monitoring is more, they shall be destroyed with the help of the device is based on piezoelectric effect, applicable in the conditions of limited power to neutralize drones, which is attached to the camcorder, which is scanning and processing of images of grub, bees, the uterus. When you see the grub, information about the image is processed by a recognition device and transmitted to the decision that provides a pulse signal on the output relay, and that in turn enables the switch and on the Executive unit is the discharge in the form of sparks scatter directed action. As a result, the drone killed, and the information comes in RAM, where it is fixed. Because workstation beekeeper through the RAM, you can set the number of neutralization, therefore supported the exact balance ratio drones and bees.
Consequently, the use of information technologies will allow to maintain normal balance individuals and as a consequence to save a certain amount of honey, which will increase the productivity of the hive.
Key words: biometrics, authentication, the colony, piezoelectric effect, the balance of individuals, microprocessor engineering, videobeasality.
Трошков Александр Михайлович -
кандидат технических наук, доцент
кафедры прикладной информатики
Ставропольский государственный аграрный университет,
г. Ставрополь
Тел.: 8-918-750-42-74
E-mail: a-troshkov@mail.ru
Богданова Светлана Викторовна -
кандидат педагогических наук, старший преподаватель
кафедры прикладной информатики
Ставропольский государственный аграрный университет,
г. Ставрополь
Тел.: 8-962-443-37-41
E-mail: svetvika@mail.ru
Ермакова Анна Николаевна -
кандидат экономических наук, доцент
кафедры прикладной информатики
Ставропольский государственный аграрный университет,
г. Ставрополь
Тел.: 8-903-418-36-27
E-mail: dannar@list.ru
Troshkov Alexander Mikhailovich -
Ph. D. in Technical Sciences,
Docent of Department of Applied Informatics
Stavropol State Agrarian University,
Stavropol
Tel.: 8-918-750-42-74 E-mail: a-troshkov@mail.ru
Bogdanova Svetlana Victorovna -
Ph. D. in Pedagogy Sciences,
Senior Lecture of Department of Applied Informatics
Stavropol State Agrarian University,
Stavropol
Tel.: 8-962-443-37-41 E-mail: svetvika@mail.ru
Ermakova Anna Nikolaevna -
Ph. D. in Economics Sciences,
Docent of Department of Applied Informatics
Stavropol State Agrarian University,
Stavropol
Tel.: 8-903-418-36-27 E-mail: dannar@list.ru
в
сети и к АПК
Ставрополья
№ 3(15), 2014
Агроинженерия
41
Пчелиная семья, как сложнейший биологический социум (организм), состоит из большинства рабочих пчел, меньшинства трутней и матки. Они связаны в одно целое обменом веществ. Единство биологического пчелиного социума поддерживается комплексными связями между всеми членами пчелиной семьи, причем нормальное функционирование пчелосемьи достигается в полном составе. Все это позволяет нормально функционировать пчелосемье и выполнять обязанности по продлению жизни (рисунок 1).
Рисунок 1 - Нормальное функционирование улья
Для функционирования пчелосемьи необходима комплексность выполнения операций каждым членом биологического организма, поддержание требуемого количественного баланса семьи.
Пчелиная матка имеет функции продолжения рода, ее форма имеет следующие параметры: длина 20-25 мм, масса тела 180-250 мг, хоботок несколько короче, чем у рабочих пчел, развиты крылья, ножки, жалоносный аппарат [1].
Рабочие пчелы - основные члены пчелиной семьи (80-100 тысяч) и производители основной продукции пчеловодства: меда, воска, пыльцы, прополиса, молочка, пчелиного яда. Тело меньше, чем у матки и трутня, и составляет 12-14 мм, масса 100 мг, брюшко выдается за кончики крыльев. Хоботок у рабочих пчел длиннее, чем у матки и трутней, и достигает 7,25 мм. На задних ножках имеются корзиночки [1].
Трутни выполняют только одну функцию - осеменение пчелиных маток для воспроизводства потомства. Тело трутня широкое, неуклюжее, толстое брюшко, голова крупная, длина 15-17 мм, масса 200 мг, недоразвит хоботок. Для оплодотворения матки необходимо 9-10 трутней, но в семье их бывает от нескольких сотен до нескольких тысяч. На воспитание трутней тратится в 3 раза
больше корма (1 тысяча трутней расходует 1 кг меда) [1, 2] .
Исходя из анализа функционирования пчелиного социума - биологического организма, необходим постоянный мониторинг состояния пчелосемьи в улье. Таким образом, пчеловод постоянно следит за членами пчелосемьи, представленными на рисунке 2.
Матка Трутень Рабочая пчела
Рисунок 2 - Члены пчелосемьи
Поскольку на пасеке пчелосемей достаточно большое количество, то пчеловод не имеет возможности их качественного мониторинга. Отсюда предлагается автоматизировать процессы контроля функционирования. С этой целью предлагается разработать биометрические характеристики членов пчелосемьи, представленных в таблице 1.
Таблица 1 - Биометрические характеристики
№ Члены пчелосемьи Длина, Цмм) Масса тела, т(мг) Хоботок, 1 (мм) Голова, Q Крылья, к
1 Матка 20-25 180-250 6,5 Крупная С, З
2 Рабочая пчела 12-14 100 7,25 Средняя С, З
3 Трутень 15-17 200 3,5 Крупная Б
Из таблицы 1 видны отличительные визуа-лизационные биометрические характеристики L, т, I, Q, к, которые предлагается принять, как за отличительные. Выявление и расчет количества особей предлагается производить с помощью визуального контроля плоской видеокамерой, которая укреплена на рамке и двигается с помощью микродвигателей в матричном (строки, столбцы) порядке, к ней подключено ОЗУ или ЫБВ для АРМ пчеловода [4, 5] (рисунок 3).
Анализ задач распознавания биологических образов позволил выделить следующие типы задач распознавания.
1. Задача распознавания - отнесение предъявленного объекта по его описанию к одному из заданных особей пчелосемьи.
2. Задача автоматической классификации - разбиение множества объектов
42
Ежеквартальный научно-практический журнал ^^^^^^^
В
естник ЛПК
Ставрополья
(ситуаций) по их описаниям на систему непересекающихся классов ( кластерный анализ).
3. Задача выбора информативного набора пчелиных признаков при распознавании.
4. Задача приведения исходных данных к виду, удобному для распознавания.
5. Динамическое распознавание и динамическая классификация - задачи 1 и 2 для динамических объектов. Задача прогнозирования - это задачи 5, в которых решение должно относиться к некоторому моменту в будущем.
6.
Рисунок 3 - Визуальный мониторинг функционирования биологического социума пчел:
МКД (Г) - микродвигатель горизонтального движения.
МКД (В) - микродвигатель вертикального движения.
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.
Исходя из задач, предлагается алгоритм распознавания трехмерных биологических особей пчел. Основа алгоритма состоит в окон-туривания проекций пчелы их частей на изобразительную плоскость по части контура пчелиной особи в случаях простого и сложного фона. В ряде технических приложений весьма актуальной является задача распознавания техногенных трехмерных объектов, находящихся под разными ракурсами относительно устройства распознавания, исходя из информации, поставляемой системой технического зрения в реальном времени. Необходимо оперативно определять движение объектов и расстояния до них, распознавать объекты, информация о которых имеется в базе данных ОЗУ АРМ - пчеловода, определять их положение в пространстве относительно систем координат улья. В основу решения поставленной задачи был выбран метод анализа геометрических характеристик контурных линий пчел, трутней и матки, окаймляющих распознаваемый предмет на изобразительной плоскости, на которую они проецируются.
Предлагается использовать разработанной на основе этого методы известных вычислительных программ [3], где осуществляется
сравнение предъявляемого к распознаванию контура с эталонными контурами заранее заданных в разных ракурсах контуров пчелы, трутня и матки, сжатая информация о которых размещена в базе данных. При применении в системах технического зрения этот метод кроме определения геометрического положения, распознанного предмета в пространстве, позволяет определять также и расстояние до него. В основу метода положено простое представление контура в виде набора некоторого небольшого количества цифр, инвариантного относительно трансляций, ротации и изменения масштаба. На первом этапе производится выбор характерных точек контура.
Первой характерной точкой, является наиболее удаленная точка от центра контура - конец брюшка пчелиной особи.
Второй характерной точкой является точка контура, наиболее далеко отстоящая от первой - голова пчелиной особи.
Третья точка и последующие определяются как наиболее удаленные от двух точек, между которыми они находятся.
Процесс нахождения характерных точек продолжается до тех пор, пока отношение расстояния от искомой точки до прямой, соединяющей эти две точки, к длине отрезка между ними не станет меньше некоторой, заранее заданной величины EPS. Эта величина является одним из немногих настроечных параметров программы, она подбирается экспериментально. Результат нахождения характерных точек для некоторого частного примера трехмерной проекции пчелиной особи на плоскость представлен на рисунке 4, а результат распознавания объекта на рисунке 5.
Рисунок 4 - Нахождение характерных точек пчелиной особи
в
естник АПК
Ставрополья
: № 3(15), 2014
Агроинженерия
43
тельных ионов имеется электрический момент. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, изменяется электрический момент кристалла. Это изменение и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте, которое представлено в виде:
и = йб/б
(1)
пла-
Рисунок 5 - Результат распознавания объекта по части контура
Работа визуального мониторинга происходит пошагово, сканированием сверху вниз с размером кадра Б х Л (см2).
Информация передается на устройство распознавания, которое идентифицирует по биометрическим характеристикам членов семьи улья (рисунок 2). В ОЗУ концентрируется информация, представленная в таблице 2.
Таблица 2 - Параметрическая биометрическая информация
где б - толщина стинки; йб- ее изменение при деформации.
Пьезоэлектрический эффект возникает не только при деформации растяжения, но и при деформации сдвига. Для основы устройства нейтрализации трутней предлагается использование кристаллов кварца или сег-нетовой соли, а также кристаллы соединений ОЬЭ, 7пЭ. Полученное от пьезоэлектрического эффекта напряжение направляется на исполнительный элемент устройства, с которого получается разряд в виде искры точечного направленного действия (рисунок 6).
№ Члены семьи Кол-во Все насекомые Ошибки распознавания Место нахождения матки Кол-во сот трутней
1 Матка М (шт) % =
2 Рабочая пчела П (шт) N % Улочка =
3 Трутень Т (шт) % j
По результатам таблицы с АРМ пчеловода можно провести анализ баланса пчелосемьи, и даже определить количество трутневых сот, которые толще пчелиных на 5 мм.
Так, с целью сохранения меда и продуктов пчелосемьи, необходим баланс трутней и пчел в улье. Если количество трутней после видеомониторинга больше нормы (> Ы), то они подлежат уничтожению с помощью устройства, основанного на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрица-
Кристалл
Рисунок 6 - Пьезоэлектрическое устройство (ПЭУ)
Таким образом, пьезоэлектрический эффект применим в условиях ограничения электроэнергии для нейтрализации трутней. Пьезоэлектрическое устройство (ПЭУ) работает следующим образом. При проведении операции нейтрализации трутней ПЭУ прикрепляется к видеокамере, с помощью которой происходит сканирование и обработка образов трутня, пчелы, матки. При обнаружении трутня, информация об его образе обрабатывается устройством распознавания (рисунок 3) и передается в устройство принятия решения (УПР), пред-
44
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
ставленное на рисунке 3, которое выдает импульсный сигнал на исполнительное реле (ИР), а то в свою очередь включает переключатель и на исполнительном устройстве (ИЭ) происходит разряд в виде искры точечного направленного действия. В результате этого трутень погибает, а информация поступает в ОЗУ, где фиксируется. Поскольку с АРМ пчеловода через ОЗУ
Литература
1. Батлер К. Д. Мир медоносной пчелы. М., 1980.
2. Буренин Н. Л., Котова Г Н. Справочник по пчеловодству. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Агропромиздат, 1985. 286 с.
3. Зенченко С. В., Пономаренко Г Н., Шуваев А. В. Финансовые аспекты регулирования территориального развития // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. 2011. № 5. С. 160.
4. Трошков А. М., Богданова С. В. Повышение эффективности работы пчел регуляцией микроклимата улья // Научная жизнь. 2012. № 4. С. 6-10.
5. Трошков А. М., Богданова С. В., Герасимов В. П. Регуляция оптимального функционирования улья и сопряжение с АРМ-пчеловода с целью повышения урожайности плодовых культур // Вестник АПК Ставрополья. 2012. № 4 (8). С. 42-45.
можно задать число нейтрализаций, то таким образом поддерживается точный баланс соотношения трутней и рабочих пчел. Таким образом применение информационных технологий позволят поддерживать нормальный баланс особей и как следствие сохранить определенное количество меда, которое будет способствовать увеличению продуктивности улья.
References
1. Butler К. D. World of the honeybee. M., 1980.
2. Burenin D., Kotova G. N. Handbook on beekeeping. 2-e Izd. Rev. and supplementary). М. : Agropromizdat, 1985. 286 p.
3. Zenchenko S. V., Ponomarenko G. N., Shu-vaev A. V. Financial aspects of regulation of territorial development // Bulletin of the North Caucasian state technical University. 2011. № 5. P. 160.
4. Troshkov A. M., Bogdanova S. V. The efficiency of bees regulation of microclimate hive / Scientific life. 2012. № 4. P. 6-10.
5. Troshkov A. M., Bogdanova S. V., Gerasi-mov V. P. Regulation of hive optimum performance and connection with beekeeper workstation for increase in productivity of horticulture crops // Agrarian Bulletin of Stavropol region. 2012. № 4 (8). P. 42-45.
