互聯(lián)蜂箱的構(gòu)建項(xiàng)目

描述

介紹

傳統(tǒng)的養(yǎng)蜂人通常要經(jīng)常去蜂箱了解蜂群的狀況：

• 蜂王是否丟失，
• 是否有黃蜂襲擊，
• 蜂箱是否被盜，
• 蜂蜜的生產(chǎn)……

我們在索邦大學(xué)的教授 DOUZE 先生是一名業(yè)余養(yǎng)蜂人。由于蜂箱離家很遠(yuǎn)，他經(jīng)常往返于家和蜂箱之間。為了節(jié)省養(yǎng)蜂人的時(shí)間和精力，讓他們足不出戶就能獲得蜂箱和蜂群的信息和警報(bào)，我們創(chuàng)建了滿足以下需求的互聯(lián)蜂箱：

• 蜂箱內(nèi)溫度檢測（使用DS18B20和SHT20）
• 蜂箱內(nèi)濕度檢測（使用SHT20）
• 蜂箱內(nèi)的聲譜分析（使用麥克風(fēng)）
• 蜂箱外溫濕度檢測（使用DHT22）
• 重量傳感器
• 跌倒檢測（使用 Accéléromètre - MMA8452）
• 風(fēng)向風(fēng)速檢測（使用風(fēng)向標(biāo)LEXCA002）
• 100% 自主系統(tǒng)（使用鋰離子電池 3.7 V 1050 mAh 和 SOL3W 太陽能電池）
• 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸（使用Sigfox BRKWS01）
• 可視化數(shù)據(jù)顯示及預(yù)警系統(tǒng)（使用Ubidots）

面包板原型

執(zhí)行

傳感器位置

代碼

我們通過“mbed”實(shí)現(xiàn)所有傳感器。您可以在附件中查看完整代碼。

• 溫度和濕度 - SHT21

使用的圖書館：Graeme Coapes，2012 年 12 月

功能 :

getTemperatureINT_SHT() (readTemp())
getHumidityINT_SHT() (readHumidity())

• 溫度和濕度 - DHT22

使用的圖書館：Wimpie, juillet 2012, Belgique

功能 :

getTemperatureEXT() (ReadTemperature())
getHumidityEXT() (ReadHumidity())
readData()
Dht_err (détections d’erreurs)

• 溫度 - DS1820

使用的圖書館：Zoltan Hudak，2020 年 6 月，Slovaquie

功能 :

readtempDS()
startConversion()
read()

• Microphone

我們對麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而推斷出蜂群的活動(dòng)和健康狀況（下面會(huì)詳細(xì)介紹）

• 加速器 - MMA8452

使用的圖書館：Craig Evans，mars 2015，Royaume-Uni

功能 :

getAccel()

• 風(fēng)向標(biāo) - LEXCA003

我們設(shè)置了 8 個(gè)方向：0-N；1-東北; 2-E ; 3-東南; 4-S ; 5-二氧化硫；6-O ; 7- 沒有。

它還可以通過計(jì)算 1 秒內(nèi)的圈數(shù)來檢測風(fēng)速。

• 重量傳感器

我們在學(xué)校給蜂箱稱重，用重量傳感器得到的值減去它的重量，得到凈重。這個(gè)過程是在代碼中實(shí)現(xiàn)的。

• 電池 Accu 鋰離子電池

我們使用分壓器來校準(zhǔn)電池百分比。

數(shù)據(jù)分析

獲取蜂箱信息只是第一步。更重要的是根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)判斷蜂群的健康和活動(dòng)狀態(tài)，并在出現(xiàn)異常時(shí)通知養(yǎng)蜂人。為此，我們做了很多研究，以確保我們的智能蜂箱能夠根據(jù)傳感器獲得的數(shù)據(jù)做出正確的警告。當(dāng)然，有經(jīng)驗(yàn)的養(yǎng)蜂人也可以根據(jù)自己的需要設(shè)置報(bào)警的觸發(fā)條件。

• 聲音

聲音研究花費(fèi)的時(shí)間最長。我們閱讀了很多論文，試圖找到不同活動(dòng)與聲音頻率之間的關(guān)系，并產(chǎn)生了下表：

我們根據(jù)上表（下文提到）在 ubidots 中設(shè)置警報(bào)。由于這些是根據(jù)發(fā)表的論文總結(jié)的，我們會(huì)在實(shí)際使用中驗(yàn)證行為和聲音頻率是否對應(yīng)，后期對觸發(fā)條件進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化。

• 溫度

蜂箱溫度對于蜂蜜和蜜蜂的健康非常關(guān)鍵。蜂箱內(nèi)的溫度在 33 到 36° 之間，表明蜂群正常飼養(yǎng)幼蟲，如果幼蜂幼蜂溫度超過 36° 就會(huì)死亡。另外，由于20%～30%的蜂群無法越冬，我們還可以通過蜂箱內(nèi)的溫度來判斷蜂群是否存活。如果溫度太低，菌落就會(huì)死亡。

• 濕度

育巢的濕度對于蜜蜂群體的整體健康非常重要。大量研究表明，無論是高濕度還是低濕度都會(huì)直接影響幼蜂和成年蜜蜂的健康，例如，在低于 50% 相對濕度的情況下，育雛室中的卵不會(huì)孵化（Doull 1976），這尤其相關(guān)對于小核，或通過有利于病理學(xué)的發(fā)展而間接。

• 重量

養(yǎng)蜂人最關(guān)心的是蜂蜜的生產(chǎn)。通過重量，我們可以知道蜂群生產(chǎn)了多少蜂蜜，蜂群擴(kuò)大了多少。

• 風(fēng)向標(biāo)

風(fēng)速對蜜蜂有很大的影響。如果風(fēng)大，可能會(huì)導(dǎo)致蜜源植物的花枝碰撞，造成花朵受損，并破壞蜜源。此外，強(qiáng)風(fēng)會(huì)加速花蜜的干燥，使蜜蜂更難采集花蜜。蜜蜂缺少蜜源自然會(huì)影響產(chǎn)蜜，更何況大風(fēng)天氣本身也會(huì)影響蜜蜂的飛行。

• 加速度

加速度傳感器直接插在PCB板上，檢測蜂箱是否被人翻倒、移動(dòng)或盜竊。

連接性和接口

• 西格福克斯

為了在保證低功耗的情況下將連接蜂箱的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇蛻舳?，我們使用了sigfox。

Sigfox 是一家成立于 2010 年的法國全球網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，其構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)以連接電表和智能手表等需要持續(xù)開啟并發(fā)出少量數(shù)據(jù)的低功耗對象。Sigfox通信的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)最多支持 140 個(gè)每天上行鏈路消息，每個(gè)消息可以以高達(dá)每秒 100 位的數(shù)據(jù)速率承載 12 個(gè)八位字節(jié)的有效載荷。

我們使用 WISOL 的 BRKWS01 模塊，它允許通過 Sigfox 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息。由于LPWAN可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，而我們要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，所以我們根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性為他們選擇不同的精度。

我們優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸，9個(gè)數(shù)據(jù)只用6個(gè)字節(jié)傳輸，節(jié)省了帶寬，降低了功耗。連接的蜂箱每 15 分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

• 育碧點(diǎn)

我們通過 ubidots 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)用戶界面。

我們認(rèn)為養(yǎng)蜂人最關(guān)心蜂蜜生產(chǎn)，所以我們把權(quán)重放在中間。左邊是電池狀態(tài)，右邊是我們自己用 HTML / CSS / JavaScript 編寫的風(fēng)向和風(fēng)速小部件。

第三行是蜂巢內(nèi)的信息，第四行是蜂巢外的信息。溫度在這兩條線的左側(cè)，用黃線表示。右邊的濕度用藍(lán)線表示。

在事件接口中，我們根據(jù)上述數(shù)據(jù)條件（數(shù)據(jù)分析）設(shè)置告警。ubidots 中的提醒功能是可定制的，用戶也可以根據(jù)自己的需要隨意創(chuàng)建提醒。

創(chuàng)建警報(bào)的方法非常簡單高效。您所要做的就是定義一個(gè)觸發(fā)條件。例如本圖中，當(dāng)DS18B20測得的溫度低于22度時(shí)，就會(huì)發(fā)出警報(bào)。

您還可以選擇通過電子郵件或短信發(fā)送警報(bào)。

養(yǎng)蜂人登錄自己的ubidots賬號(hào)，可以實(shí)時(shí)查看蜂箱的所有信息。

消耗計(jì)算與優(yōu)化

測量

我們使用設(shè)備“Analog Discovery 2”和軟件“WaveForm”來可視化原型的功耗。

如上連接后，我們可以在“WaveForm”中看到如下波形，平均消耗為6mA/h。這意味著它可以在不給電池充電的情況下工作一周。

優(yōu)化

• 軟件

我們添加了深度睡眠模式。

• 硬件

我們拆掉了兩個(gè)電阻 R18 和 R19 以關(guān)閉 LED 燈，拆下了 Solder-Bridge SB9 和 SB14 以移除調(diào)試器。

優(yōu)化后平均消耗為 1mA/h。

由于我們使用的大部分元器件不在kicad庫中，所以我們自己創(chuàng)建了一個(gè)庫，命名為Stonks.lib，并完成了元器件的電氣圖（例如：Sigfox模塊，加速度傳感器MMA8452，Nucleo-L432KC，風(fēng)向標(biāo)等）。

同樣，在設(shè)計(jì)布局圖時(shí)，有些組件庫可以在網(wǎng)上找到，比如LM386和module Audio，但是有些組件需要自己創(chuàng)建，比如carte Nucleo。這是最終的布局：

打印出我們的 pcb 后，我們用我們的 PCB 板替換了面包板并進(jìn)行了測試。

現(xiàn)場測試

我們在位于巴黎西側(cè)的 Apiary School De Plaisir 進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

這是包含 PCB、天線和電池的盒子：

集成到蜂巢的設(shè)備概述：

在項(xiàng)目交付之日，我們與索邦大學(xué)的養(yǎng)蜂人進(jìn)行了深入交流。我們向他們介紹了我們的項(xiàng)目并教他們?nèi)绾问褂盟?/font>最后，我們向他們交付了我們的項(xiàng)目“Connected Beehives”。

?