基于NB-IoT的蜂箱溫濕度采集系統(tǒng)

黃業(yè)帥 杜世宏 紀(jì)繁茂

摘 要：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蜂箱內(nèi)的溫濕度對(duì)于蜜蜂繁殖發(fā)育、生存工作、采蜜釀蜜有著至關(guān)重要的作用，養(yǎng)蜂者需要根據(jù)蜂箱內(nèi)的溫度變化，及時(shí)采取相關(guān)保護(hù)措施?，F(xiàn)有的蜂箱溫濕度采集系統(tǒng)主要依靠無線局域網(wǎng)技術(shù)和2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行采集上報(bào)，這些技術(shù)存在部署難、維護(hù)成本高、傳輸距離有限、終端功耗大等缺陷，限制了智能蜂箱的規(guī)?；瘧?yīng)用。文中提出了一種基于NB-IoT的蜂箱溫濕度采集系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)一體化低功耗主板、節(jié)電數(shù)據(jù)傳輸策略和智能化安裝結(jié)構(gòu)，提高了蜜蜂養(yǎng)殖管理的效率、減少了智能蜂箱的部署維護(hù)工作、延長(zhǎng)了智能蜂箱的使用壽命，推動(dòng)智能蜂箱實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能蜂箱;NB-IoT;溫濕度采集;低功耗;傳輸策略;安裝結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

蜂箱是養(yǎng)蜂過程中供蜜蜂繁衍生息的處所，是最基本的養(yǎng)蜂工具。我國(guó)于19世紀(jì)初開始使用蜂箱，結(jié)束了數(shù)千年傳統(tǒng)養(yǎng)蜂采用土窩、毀巢取蜜的生產(chǎn)方式。經(jīng)過幾十年發(fā)展，蜂箱已成為我國(guó)蜜蜂規(guī)?；B(yǎng)殖的重要工具。

蜜蜂的繁殖發(fā)育和采蜜釀蜜工作對(duì)周邊環(huán)境（溫度、濕度）有著較高的要求。蜜蜂屬于變溫動(dòng)物，然而由成千上萬只蜜蜂組成的蜂群，具有恒溫動(dòng)物所特有的調(diào)節(jié)體溫的能力。蜜蜂數(shù)量越多，蜂巢內(nèi)溫度越穩(wěn)定，并能夠保持在適溫34～35 ℃范圍內(nèi)。溫度太高或太低均不利于其發(fā)育和繁殖。根據(jù)研究得知，蜜蜂生活的最適溫度為15～25 ℃、濕度為75%～80%RH。在這個(gè)條件下，蜜蜂釀蜜效率較高，而且蜂王的產(chǎn)卵量也很大，對(duì)于蜂群的發(fā)展特別有利[1-2]。

1 需求分析

蜂農(nóng)需要時(shí)常關(guān)注蜂箱內(nèi)的溫濕度情況，當(dāng)前模式下，蜂農(nóng)主要通過開箱查看蜜蜂狀態(tài)及環(huán)境溫濕度，但頻繁開箱會(huì)干擾蜜蜂正常工作，進(jìn)而影響產(chǎn)蜜的數(shù)量和質(zhì)量。同時(shí)，往返蜂場(chǎng)、頻繁開箱也增加了蜂農(nóng)的工作量。

近來，溫濕度遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)已逐漸被應(yīng)用在蜂箱上，無線局域網(wǎng)技術(shù)（WiFi，ZigBee等）和2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是其主要通信方式，無線局域網(wǎng)技術(shù)需要本地組網(wǎng)并通過智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集，同時(shí)傳輸距離有限;2G技術(shù)通過運(yùn)營(yíng)商基站采集傳輸溫濕度數(shù)據(jù)。在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)：無線局域網(wǎng)技術(shù)需要在蜂場(chǎng)內(nèi)購(gòu)買并部署網(wǎng)關(guān)設(shè)備，從而導(dǎo)致蜂場(chǎng)轉(zhuǎn)場(chǎng)部署難、設(shè)備維護(hù)成本高等問題。同時(shí)，2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于功耗較大，需要對(duì)采集終端頻繁充電或更換電池，因此未在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行規(guī)模化應(yīng)用[3-4]。

2 系統(tǒng)介紹

以上兩種技術(shù)均存在部署成本高、維護(hù)工作難、傳輸距離有限、終端功耗大等問題，使得智能蜂箱溫濕度采集系統(tǒng)無法在蜂箱中進(jìn)行規(guī)模推廣。

本文提出基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)NB-IoT的蜂箱溫濕度采集系統(tǒng)，通過一體化低功耗主板、節(jié)電傳輸策略、易安裝低成本改造工藝，建立NB-IoT蜂箱溫濕度采集系統(tǒng)，在保證數(shù)據(jù)安全采集的前提下，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有溫濕度采集系統(tǒng)部署成本高、維護(hù)工作難、傳輸距離短、終端功耗高等不足，解決了制約智能蜂箱規(guī)模應(yīng)用的難題?；贜B-IoT的蜂箱溫濕度采集系統(tǒng)解決方案如圖1所示。

2.1 一體化低功耗主板

主板MCU芯片采用低功耗微控制器，控制器內(nèi)集成

8 KB FLASH和256 B RAM用于保存程序和數(shù)據(jù)，處理器內(nèi)部存儲(chǔ)5種省電運(yùn)營(yíng)模式對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)節(jié)電策略。主板外圍接口通過MOS管連接SHT10溫濕度傳感器，接收傳感器采集的數(shù)據(jù)。低功耗微控制器通過USART總線接口與BC95-95型號(hào)的NB-IoT通信模組、SIM卡槽實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，AT指令交互，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)上報(bào)與對(duì)主板元件的有效管理;主板上安裝1個(gè)3.6 V，4 000 mA·h的CR2鋰電池，為整個(gè)主板供電。采集終端主板設(shè)計(jì)如圖2所示。

低功耗微控制器具備超低功耗的性能，其在連接態(tài)、待機(jī)態(tài)、斷電模式下的功耗分別為280 μA，1.6 μA和0.1 μA，并且擁有5種省電模式。這樣在主板設(shè)計(jì)上從主控芯片到功能元件都實(shí)現(xiàn)了低功耗與元件快速上線運(yùn)行和節(jié)電休眠，同時(shí)為部署節(jié)電策略打下了硬件基礎(chǔ)。

2.2 節(jié)電傳輸策略

數(shù)據(jù)采集傳輸節(jié)電策略的設(shè)計(jì)遵從不工作不上電、快入快出工作模式，策略如下。

（1）PSM休眠算法。整體主板大多數(shù)時(shí)間都工作在省電模式，主控芯片工作在休眠模式，其余外圍電路和元件都處于節(jié)電狀態(tài)。溫濕度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MCU內(nèi)部FLASH，數(shù)據(jù)上傳時(shí)由主控板喚醒模組，模組進(jìn)入連接狀態(tài)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，數(shù)據(jù)上傳結(jié)束后，BC95-95進(jìn)入Idle態(tài)2 s后進(jìn)入PSM態(tài)。通過這種工作機(jī)制，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最低的功率消耗，具體如圖3、圖4所示。

（2）NB-IoT信號(hào)質(zhì)量智能判定機(jī)制。每次模組數(shù)據(jù)發(fā)送前，MCU需對(duì)當(dāng)前NB-IoT信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行分析，通過算法設(shè)定下次發(fā)送時(shí)間，以此來降低信號(hào)質(zhì)量差時(shí)的發(fā)送頻率，達(dá)到減少終端功耗的目的。

（3）終端快速釋放RRC連接（RA功能）。該功能可以使終端在數(shù)據(jù)交互后，網(wǎng)絡(luò)側(cè)立即釋放RRC連接，無需基站再等待20 s，快速進(jìn)入空閑態(tài)，達(dá)到終端極致省電或快速釋放空口連接的目的。RA終端快速釋放功能說明如圖5所示。

（4）優(yōu)化數(shù)據(jù)上報(bào)的大小和頻次。將模組單次上報(bào)的數(shù)據(jù)包優(yōu)化小于1 KB，匹配NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)800 MHz頻段廣覆蓋優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離，擴(kuò)大可采集溫濕度蜂箱的覆蓋范圍。將采集間隔調(diào)整為1 h，有效降低了采集終端在線時(shí)間和連接態(tài)功耗，實(shí)現(xiàn)低功耗上傳[5-7]。

2.3 智能部件安裝工藝

結(jié)構(gòu)方面，蜂箱金屬擋板采用輕薄的不銹鋼材料環(huán)抱式安裝于蜂箱頂部四周，如圖6所示。在改裝為智能蜂箱的同時(shí)，加固原有木制蜂箱，盡可能減少對(duì)蜂箱原有結(jié)構(gòu)的改動(dòng)。采集終端選用體積超小的防水塑料外殼，內(nèi)置低成本NB模組，以適應(yīng)蜂箱長(zhǎng)時(shí)間放置于室外的工作環(huán)境。

采集終端安裝于蜂箱外壁，減少對(duì)蜂箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，不增加蜂農(nóng)的任何操作，降低改造成本。溫濕度傳感器安裝于蜂箱底部，在采集終端對(duì)側(cè)，如圖7所示。在空氣對(duì)流的位置采集數(shù)據(jù)，不影響巢脾安置，無需布線。

3 方案優(yōu)勢(shì)

在蜂箱溫濕度采集系統(tǒng)中，無線局域網(wǎng)技術(shù)雖然在一定程度上降低了采集終端的功耗，但需要額外部署網(wǎng)關(guān)，增加了硬件成本，且傳輸距離有限。2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用運(yùn)營(yíng)商基站直接傳輸數(shù)據(jù)，但由于其長(zhǎng)連接的特性，無法有效降低終端功耗，需要對(duì)終端頻繁充電。本方案從芯片優(yōu)化、電路封裝、數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁脑彀惭b，均按照蜂箱實(shí)際使用環(huán)境設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)在部署安裝、實(shí)際使用、終端功耗方面存在的不足，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低終端的用電功耗，避免多次充電或更換電池，延長(zhǎng)了使用時(shí)間;

（2）省去在蜂場(chǎng)部署局域網(wǎng)的環(huán)節(jié)，節(jié)省了購(gòu)買、安裝、維護(hù)的成本，增加了智能蜂箱的移動(dòng)性;

（3）在不改變?cè)蟹湎湮锢斫Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加裝結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)溫濕度遠(yuǎn)程采集與易安裝、低成本的改造，方便蜂農(nóng)使用。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)為蜂農(nóng)養(yǎng)殖蜜蜂提供了有效監(jiān)測(cè)蜂箱內(nèi)環(huán)境的工具，蜂農(nóng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蜜蜂生長(zhǎng)情況，降低人為開箱對(duì)蜜蜂正常工作的干擾，提高蜂農(nóng)養(yǎng)殖管理效率。

蜜蜂處于合適的生長(zhǎng)環(huán)境，從而能快速、健康地繁殖發(fā)育，提高采蜜釀蜜的效率，最終幫助蜂農(nóng)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收;本系統(tǒng)能收集相關(guān)蜂農(nóng)的養(yǎng)殖信息、養(yǎng)殖狀況，為政府主管單位制定相關(guān)政策提供有效決策依據(jù)，提高政府監(jiān)管效率，助力政府實(shí)現(xiàn)蜜蜂養(yǎng)殖管理信息化、數(shù)據(jù)化;提高了溫濕度數(shù)據(jù)采集的安全級(jí)別，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為智能蜂箱規(guī)模商用的安全保障提供技術(shù)支持。同時(shí)，本系統(tǒng)減少了采集終端的電池功耗，延長(zhǎng)了智能蜂箱的使用壽命，解決了制約智能蜂箱推廣中終端功耗高、數(shù)據(jù)采集難等問題，推動(dòng)了智能蜂箱物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品規(guī)?；瘧?yīng)用的進(jìn)程[8-10]。

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