互联蜂箱的构建项目

描述

介绍

传统的养蜂人通常要经常去蜂箱了解蜂群的状况：

• 蜂王是否丢失，
• 是否有黄蜂袭击，
• 蜂箱是否被盗，
• 蜂蜜的生产……

我们在索邦大学的教授 DOUZE 先生是一名业余养蜂人。由于蜂箱离家很远，他经常往返于家和蜂箱之间。为了节省养蜂人的时间和精力，让他们足不出户就能获得蜂箱和蜂群的信息和警报，我们创建了满足以下需求的互联蜂箱：

• 蜂箱内温度检测（使用DS18B20和SHT20）
• 蜂箱内湿度检测（使用SHT20）
• 蜂箱内的声谱分析（使用麦克风）
• 蜂箱外温湿度检测（使用DHT22）
• 重量传感器
• 跌倒检测（使用 Accéléromètre - MMA8452）
• 风向风速检测（使用风向标LEXCA002）
• 100% 自主系统（使用锂离子电池 3.7 V 1050 mAh 和 SOL3W 太阳能电池）
• 远距离数据传输（使用Sigfox BRKWS01）
• 可视化数据显示及预警系统（使用Ubidots）

面包板原型

执行

传感器位置

代码

我们通过“mbed”实现所有传感器。您可以在附件中查看完整代码。

• 温度和湿度 - SHT21

使用的图书馆：Graeme Coapes，2012 年 12 月

功能 :

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

• 温度和湿度 - DHT22

使用的图书馆：Wimpie, juillet 2012, Belgique

功能 :

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

• 温度 - DS1820

使用的图书馆：Zoltan Hudak，2020 年 6 月，Slovaquie

功能 :

readtempDS()
startConversion()
read()

• Microphone

我们对麦克风采集到的声音信号进行频谱分析，从而推断出蜂群的活动和健康状况（下面会详细介绍）

• 加速器 - MMA8452

使用的图书馆：Craig Evans，mars 2015，Royaume-Uni

功能 :

getAccel()

• 风向标 - LEXCA003

我们设置了 8 个方向：0-N；1-东北; 2-E ; 3-东南; 4-S ; 5-二氧化硫；6-O ; 7- 没有。

它还可以通过计算 1 秒内的圈数来检测风速。

• 重量传感器

我们在学校给蜂箱称重，用重量传感器得到的值减去它的重量，得到净重。这个过程是在代码中实现的。

• 电池 Accu 锂离子电池

我们使用分压器来校准电池百分比。

数据分析

获取蜂箱信息只是第一步。更重要的是根据获得的数据判断蜂群的健康和活动状态，并在出现异常时通知养蜂人。为此，我们做了很多研究，以确保我们的智能蜂箱能够根据传感器获得的数据做出正确的警告。当然，有经验的养蜂人也可以根据自己的需要设置报警的触发条件。

• 声音

声音研究花费的时间最长。我们阅读了很多论文，试图找到不同活动与声音频率之间的关系，并产生了下表：

我们根据上表（下文提到）在 ubidots 中设置警报。由于这些是根据发表的论文总结的，我们会在实际使用中验证行为和声音频率是否对应，后期对触发条件进行微调和优化。

• 温度

蜂箱温度对于蜂蜜和蜜蜂的健康非常关键。蜂箱内的温度在 33 到 36° 之间，表明蜂群正常饲养幼虫，如果幼蜂幼蜂温度超过 36° 就会死亡。另外，由于20%～30%的蜂群无法越冬，我们还可以通过蜂箱内的温度来判断蜂群是否存活。如果温度太低，菌落就会死亡。

• 湿度

育巢的湿度对于蜜蜂群体的整体健康非常重要。大量研究表明，无论是高湿度还是低湿度都会直接影响幼蜂和成年蜜蜂的健康，例如，在低于 50% 相对湿度的情况下，育雏室中的卵不会孵化（Doull 1976），这尤其相关对于小核，或通过有利于病理学的发展而间接。

• 重量

养蜂人最关心的是蜂蜜的生产。通过重量，我们可以知道蜂群生产了多少蜂蜜，蜂群扩大了多少。

• 风向标

风速对蜜蜂有很大的影响。如果风大，可能会导致蜜源植物的花枝碰撞，造成花朵受损，并破坏蜜源。此外，强风会加速花蜜的干燥，使蜜蜂更难采集花蜜。蜜蜂缺少蜜源自然会影响产蜜，更何况大风天气本身也会影响蜜蜂的飞行。

• 加速度

加速度传感器直接插在PCB板上，检测蜂箱是否被人翻倒、移动或盗窃。

连接性和接口

• 西格福克斯

为了在保证低功耗的情况下将连接蜂箱的数据实时传输到客户端，我们使用了sigfox。

Sigfox 是一家成立于 2010 年的法国全球网络运营商，其构建无线网络以连接电表和智能手表等需要持续开启并发出少量数据的低功耗对象。Sigfox通信的现有标准最多支持 140 个每天上行链路消息，每个消息可以以高达每秒 100 位的数据速率承载 12 个八位字节的有效载荷。

我们使用 WISOL 的 BRKWS01 模块，它允许通过 Sigfox 网络发送消息。由于LPWAN可以传输的数据量很小，而我们要传输的数据量很大，所以我们根据数据的重要性为他们选择不同的精度。

我们优化了数据传输，9个数据只用6个字节传输，节省了带宽，降低了功耗。连接的蜂箱每 15 分钟发送一次数据。

• 育碧点

我们通过 ubidots 平台实现用户界面。

我们认为养蜂人最关心蜂蜜生产，所以我们把权重放在中间。左边是电池状态，右边是我们自己用 HTML / CSS / JavaScript 编写的风向和风速小部件。

第三行是蜂巢内的信息，第四行是蜂巢外的信息。温度在这两条线的左侧，用黄线表示。右边的湿度用蓝线表示。

在事件接口中，我们根据上述数据条件（数据分析）设置告警。ubidots 中的提醒功能是可定制的，用户也可以根据自己的需要随意创建提醒。

创建警报的方法非常简单高效。您所要做的就是定义一个触发条件。例如本图中，当DS18B20测得的温度低于22度时，就会发出警报。

您还可以选择通过电子邮件或短信发送警报。

养蜂人登录自己的ubidots账号，可以实时查看蜂箱的所有信息。

消耗计算与优化

测量

我们使用设备“Analog Discovery 2”和软件“WaveForm”来可视化原型的功耗。

如上连接后，我们可以在“WaveForm”中看到如下波形，平均消耗为6mA/h。这意味着它可以在不给电池充电的情况下工作一周。

优化

• 软件

我们添加了深度睡眠模式。

• 硬件

我们拆掉了两个电阻 R18 和 R19 以关闭 LED 灯，拆下了 Solder-Bridge SB9 和 SB14 以移除调试器。

优化后平均消耗为 1mA/h。

由于我们使用的大部分元器件不在kicad库中，所以我们自己创建了一个库，命名为Stonks.lib，并完成了元器件的电气图（例如：Sigfox模块，加速度传感器MMA8452，Nucleo-L432KC，风向标等）。

同样，在设计布局图时，有些组件库可以在网上找到，比如LM386和module Audio，但是有些组件需要自己创建，比如carte Nucleo。这是最终的布局：

打印出我们的 pcb 后，我们用我们的 PCB 板替换了面包板并进行了测试。

现场测试

我们在位于巴黎西侧的 Apiary School De Plaisir 进行了现场测试。

这是包含 PCB、天线和电池的盒子：

集成到蜂巢的设备概述：

在项目交付之日，我们与索邦大学的养蜂人进行了深入交流。我们向他们介绍了我们的项目并教他们如何使用它。最后，我们向他们交付了我们的项目“Connected Beehives”。