描述

介紹

傳統的養蜂人通常要經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……

我們在索邦大學的教授 DOUZE 先生是一名業余養蜂人。由于蜂箱離家很遠，他經常往返于家和蜂箱之間。為了節省養蜂人的時間和精力，讓他們足不出戶就能獲得蜂箱和蜂群的信息和警報，我們創建了滿足以下需求的互聯蜂箱：

• 蜂箱內溫度檢測（使用DS18B20和SHT20）
• 蜂箱內濕度檢測（使用SHT20）
• 蜂箱內的聲譜分析（使用麥克風）
• 蜂箱外溫濕度檢測（使用DHT22）
• 重量傳感器
• 跌倒檢測（使用 Accéléromètre - MMA8452）
• 風向風速檢測（使用風向標LEXCA002）
• 100% 自主系統（使用鋰離子電池 3.7 V 1050 mAh 和 SOL3W 太陽能電池）
• 遠距離數據傳輸（使用Sigfox BRKWS01）
• 可視化數據顯示及預警系統（使用Ubidots）

面包板原型

頂視圖

?

執行

傳感器位置

代碼

我們通過“mbed”實現所有傳感器。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

我們對麥克風采集到的聲音信號進行頻譜分析，從而推斷出蜂群的活動和健康狀況（下面會詳細介紹）

• 加速器 - MMA8452

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

功能 :

getAccel()

• 風向標 - LEXCA003

我們設置了 8 個方向：0-N；1-東北; 2-E ; 3-東南; 4-S ; 5-二氧化硫；6-O ; 7- 沒有。

?

它還可以通過計算 1 秒內的圈數來檢測風速。

• 重量傳感器

我們在學校給蜂箱稱重，用重量傳感器得到的值減去它的重量，得到凈重。這個過程是在代碼中實現的。

• 電池 Accu 鋰離子電池

我們使用分壓器來校準電池百分比。

分壓后對應表

?

數據分析

獲取蜂箱信息只是第一步。更重要的是根據獲得的數據判斷蜂群的健康和活動狀態，并在出現異常時通知養蜂人。為此，我們做了很多研究，以確保我們的智能蜂箱能夠根據傳感器獲得的數據做出正確的警告。當然，有經驗的養蜂人也可以根據自己的需要設置報警的觸發條件。

• 聲音

聲音研究花費的時間最長。我們閱讀了很多論文，試圖找到不同活動與聲音頻率之間的關系，并產生了下表：

?

我們根據上表（下文提到）在 ubidots 中設置警報。由于這些是根據發表的論文總結的，我們會在實際使用中驗證行為和聲音頻率是否對應，后期對觸發條件進行微調和優化。

• 溫度

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

• 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，育雛室中的卵不會孵化（Doull 1976），這尤其相關對于小核，或通過有利于病理學的發展而間接。

• 重量

養蜂人最關心的是蜂蜜的生產。通過重量，我們可以知道蜂群生產了多少蜂蜜，蜂群擴大了多少。

• 風向標

風速對蜜蜂有很大的影響。如果風大，可能會導致蜜源植物的花枝碰撞，造成花朵受損，并破壞蜜源。此外，強風會加速花蜜的干燥，使蜜蜂更難采集花蜜。蜜蜂缺少蜜源自然會影響產蜜，更何況大風天氣本身也會影響蜜蜂的飛行。

• 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、移動或盜竊。

連接性和接口

• 西格?？怂?/font>

為了在保證低功耗的情況下將連接蜂箱的數據實時傳輸到客戶端，我們使用了sigfox。

Sigfox 是一家成立于 2010 年的法國全球網絡運營商，其構建無線網絡以連接電表和智能手表等需要持續開啟并發出少量數據的低功耗對象。Sigfox通信的現有標準最多支持 140 個每天上行鏈路消息，每個消息可以以高達每秒 100 位的數據速率承載 12 個八位字節的有效載荷。

?

我們使用 WISOL 的 BRKWS01 模塊，它允許通過 Sigfox 網絡發送消息。由于LPWAN可以傳輸的數據量很小，而我們要傳輸的數據量很大，所以我們根據數據的重要性為他們選擇不同的精度。

?

我們優化了數據傳輸，9個數據只用6個字節傳輸，節省了帶寬，降低了功耗。連接的蜂箱每 15 分鐘發送一次數據。

?

• 育碧點

我們通過 ubidots 平臺實現用戶界面。

我們認為養蜂人最關心蜂蜜生產，所以我們把權重放在中間。左邊是電池狀態，右邊是我們自己用 HTML / CSS / JavaScript 編寫的風向和風速小部件。

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

數據顯示界面

?

在事件接口中，我們根據上述數據條件（數據分析）設置告警。ubidots 中的提醒功能是可定制的，用戶也可以根據自己的需要隨意創建提醒。

創建警報的方法非常簡單高效。您所要做的就是定義一個觸發條件。例如本圖中，當DS18B20測得的溫度低于22度時，就會發出警報。

創建警報

?

您還可以選擇通過電子郵件或短信發送警報。

所有警報和觸發條件都顯示在這里

?

養蜂人登錄自己的ubidots賬號，可以實時查看蜂箱的所有信息。

消耗計算與優化

測量

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

接線

?

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。

優化前波形

?

優化

• 軟件

我們添加了深度睡眠模式。

• 硬件

我們拆掉了兩個電阻 R18 和 R19 以關閉 LED 燈，拆下了 Solder-Bridge SB9 和 SB14 以移除調試器。

優化后的波形

?

優化后平均消耗為 1mA/h。

由于我們使用的大部分元器件不在kicad庫中，所以我們自己創建了一個庫，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，風向標等）。

樣機電氣圖

?

同樣，在設計布局圖時，有些組件庫可以在網上找到，比如LM386和module Audio，但是有些組件需要自己創建，比如carte Nucleo。這是最終的布局：

最終布局

?

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

盒子中裝有 PCB、電池和天線的原型

?

現場測試

我們在位于巴黎西側的 Apiary School De Plaisir 進行了現場測試。

這是包含 PCB、天線和電池的盒子：

?

集成到蜂巢的設備概述：

?

在項目交付之日，我們與索邦大學的養蜂人進行了深入交流。我們向他們介紹了我們的項目并教他們如何使用它。最后，我們向他們交付了我們的項目“Connected Beehives”。

?