基于Raspberry Pi的智能蜂箱系統(tǒng)設(shè)計

包迪 侯開虎 楊道清 姬思陽 曹如玥

摘要：傳統(tǒng)的蜂養(yǎng)殖大量依賴于人的現(xiàn)場監(jiān)管，對蜂群狀態(tài)、蜂箱內(nèi)部的環(huán)境狀況都需要進(jìn)行實地考察和開箱檢測，這種“入侵式”的監(jiān)控方式不僅費時費力，并且存有安全風(fēng)險。如何盡量減少養(yǎng)殖者的現(xiàn)場監(jiān)管，在降低成本和安全風(fēng)險的同時提高養(yǎng)殖效率，成為近幾年蜂場進(jìn)一步發(fā)展所面臨的問題之一。為解決上述問題，借助Raspberry Pi及相關(guān)傳感器和控制器，設(shè)計和搭建了一個物聯(lián)網(wǎng)智能蜂箱系統(tǒng)。系統(tǒng)提供了手動和自動控制功能，能有效對蜂箱內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并具有響應(yīng)時間短、可靠性高等優(yōu)點，可以有效減少蜂養(yǎng)殖者的勞動強度并提高養(yǎng)殖效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);Raspberry Pi;智能蜂箱;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號： S894.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）09-0178-05

近年來，物聯(lián)網(wǎng)已逐漸融入到各行業(yè)的生產(chǎn)運作活動中。在農(nóng)業(yè)方面，利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)培育、養(yǎng)殖的精準(zhǔn)化管理和自動化控制吸引了大量學(xué)者投入研究。蜜蜂作為變溫動物，其生活狀況易受環(huán)境溫濕度影響：對蜂群不適的溫濕度輕則影響到蜂群的日?；顒?、蜂王的產(chǎn)卵，重則可能產(chǎn)生相關(guān)病蟲害、使種群急劇減少等[1-3]。傳統(tǒng)的蜂養(yǎng)殖方法高度依賴人的現(xiàn)場管理，養(yǎng)殖難度高、工作量大、養(yǎng)殖效率低[4]。如何減少人的勞動量，實現(xiàn)輕松化蜂養(yǎng)殖，成為近年來蜂養(yǎng)殖行業(yè)的重要問題之一。

國內(nèi)外眾多學(xué)者在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出了針對蜂群管理和智能蜂箱的解決方案。為了解蜂群在蜂箱中的狀態(tài)，相關(guān)學(xué)者利用機器視覺[5]、噪聲[6]、稱質(zhì)量[7]、紅外[4-8]等模塊進(jìn)行了各個維度的監(jiān)測。國外有學(xué)者搭建了許多對蜂箱的多維監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對蜂箱的溫濕度等指數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測[9][10]和緊急預(yù)警等功能[11]。利用Raspberry Pi（樹莓派）搭建多傳感器平臺，對蜂箱的質(zhì)量、噪音、二氧化碳、溫濕度進(jìn)行監(jiān)測[12]也已有學(xué)者實現(xiàn)。在國內(nèi)，不乏有借助STM32[13]、NB-IoT[14]等工具或技術(shù)搭建低功耗系統(tǒng)，實現(xiàn)了對蜂箱的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。但加入相關(guān)控制器件，搭建對蜂箱的監(jiān)控一體化系統(tǒng)，還少有學(xué)者實現(xiàn)。

為解決傳統(tǒng)蜂養(yǎng)殖的痛點，實現(xiàn)智能化、自動化養(yǎng)蜂，本研究在上述學(xué)者的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能的基礎(chǔ)上加入對蜂箱內(nèi)環(huán)境的控制功能，提出了一種基于Raspberry Pi的物聯(lián)網(wǎng)智能蜂箱原型及其系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測、自動或遠(yuǎn)程手動調(diào)控蜂箱內(nèi)環(huán)境，能減少養(yǎng)殖者的勞動量，提高養(yǎng)殖效率。

1 總方案設(shè)計

智能蜂箱系統(tǒng)內(nèi)置了微電腦、傳感器以及相關(guān)箱內(nèi)環(huán)境控制組件（加熱片、制冷片等）。能自動采集蜂箱內(nèi)部的環(huán)境信息，如溫濕度、箱體總質(zhì)量等，采集的數(shù)據(jù)需要本地儲存和發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)提供手動或自動控制功能以實現(xiàn)對蜂箱的遠(yuǎn)程操作：手動控制支持用戶遠(yuǎn)程對蜂箱進(jìn)行加熱、降溫、加濕等操作;在自動控制下，系統(tǒng)會自動根據(jù)箱內(nèi)環(huán)境狀況啟停相關(guān)控制組件。為保證在蜂箱群中便于識別出指定蜂箱，設(shè)置了LED閃爍開關(guān)。此外，為防止因電路故障而導(dǎo)致安全事故，提供了煙霧檢測功能，一旦出現(xiàn)煙霧報警，系統(tǒng)將立即斷開蜂箱電源。

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足總方案設(shè)計，設(shè)計了如圖1所示的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)以一塊Raspberry Pi 3B+型電腦作為控制核心，該型號配有博通4核Cortex-A53核心、1 GB LPDDR2 SDRAM內(nèi)存，具有邊緣計算能力高、擴展性強、維護方便等優(yōu)點。內(nèi)置的16 G SD卡用于存放操作系統(tǒng)、蜂箱系統(tǒng)程序以及本地臨時數(shù)據(jù)。Raspberry Pi 接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的信息，并根據(jù)軟件模塊設(shè)定的閾值啟停相關(guān)輸出模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括DHT11溫濕度傳感器、MQ2煙霧傳感器以及稱質(zhì)量模塊等。環(huán)境控制模塊由LED燈珠、通風(fēng)風(fēng)扇多路繼電器、電熱膜片、霧化加濕器模塊、半導(dǎo)體制冷模塊等組成。

2.2 供電電路設(shè)計

由于硬件系統(tǒng)各個部件對電壓需求不同，采用了階梯式電源輸入，電源樹見圖2。交流220 V直接為加熱膜片供電，而其他設(shè)備則采用12 V電源輸入，一方面供電熱膜片、半導(dǎo)體制冷模塊運行，另一方面通過DC-DC降壓模塊為Raspberry Pi、DHT11、MQ2、LED燈珠、繼電器、通風(fēng)風(fēng)扇供電。稱質(zhì)量模塊所需的3.3 V由Raspberry Pi GPIO接口提供。DC-DC降壓模塊采用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，最大驅(qū)動電流為3 A，滿足所有5 V用電器同時使用的需求。

2.3 功能組件配置

采用的DHT11溫濕度傳感器具有低功耗、低成本、高可靠性和穩(wěn)定性等優(yōu)點。溫濕度精度分別為±2 ℃和±5%RH，能監(jiān)測的溫度范圍為0～50 ℃，能在適宜蜜蜂生存的環(huán)境下正常工作。稱質(zhì)量模塊由4個50 kg人體稱質(zhì)量傳感器組成全橋測量模塊以及1個HX711 AD模塊組成，稱質(zhì)量傳感器和接線見圖3。MQ2煙霧傳感器內(nèi)置半導(dǎo)體氣敏材料，對燃燒時產(chǎn)生的一氧化碳、烷烴類等氣體和煙霧具有較高靈敏度。

半導(dǎo)體制冷模塊用于為蜂箱快速降溫，由1個半導(dǎo)體制冷片、2個鋁擠散熱片和風(fēng)扇組成。半導(dǎo)體制冷片能在器件的兩邊形成冷熱端，熱量和冷度通過散熱片散發(fā)到附近空氣中。霧化加濕器主要保證箱內(nèi)濕度環(huán)境以及小幅度降溫，需要將電源開關(guān)調(diào)整為“常開”后接入繼電器實現(xiàn)啟?？刂?。采用的半導(dǎo)體制冷模塊和霧化加濕器見圖4。

2.4 管腳接口配置

硬件系統(tǒng)的電路連接見圖5。在Raspberry Pi通過BCM編碼轉(zhuǎn)接出的GPIO接口中，蜂箱系統(tǒng)的總電源繼電器接G22接口，DHT11溫濕度傳感器Data管腳接G4接口，MQ2煙霧傳感器模塊D0管腳接G25接口、A0管腳連接PCF8591數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的SCL管腳、SDA管腳與GPIO相應(yīng)的SCL、SDA接口相連，HX711稱質(zhì)量模塊的SCK、DATA管腳分別接入G20、G21接口，半導(dǎo)體制冷模塊的繼電器DATA端子接G18接口、加熱模塊的繼電器DATA端子接G6接口，LED燈串聯(lián)470 Ω電阻接入G5接口。

3 軟件模塊設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計

由于蜂箱大都置于林地，在配備加熱組件以及較多線路情況下可能有短路風(fēng)險，故需要進(jìn)行煙霧監(jiān)測和火災(zāi)防范。MQ2煙霧傳感器有2種輸出模式：模擬信號和數(shù)字信號。數(shù)字信號只能監(jiān)測到險情是否發(fā)生，如果需要精確監(jiān)測到煙霧濃度值，則需要接入PCF8591 AD＼DA轉(zhuǎn)換器將MQ2 AO端輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。在數(shù)字輸入信號端，設(shè)置GPIO為輸入，檢測到高電平為正常值，低電平則表示檢測到煙霧。在模擬信號輸入端，需要從PCF8591讀取煙霧濃度值。

溫濕度監(jiān)控方面，DHT11溫濕度傳感器利用單總線雙向通信協(xié)議。首先需要將Raspberry Pi上對應(yīng)的GPIO設(shè)置為輸出（OUT），隨后降為低電平大于18 ms后，設(shè)置輸入并且釋放數(shù)據(jù)總線，隨后等待DHT11輸入信號，DHT11側(cè)在收到信號后，輸出 80 μs 的低電平信號、80 μs高電平信號以通知主機接收信號，隨后以固定每位50 μs的低電平為起始，以高電平的時間長短為0、1標(biāo)志輸出40位二進(jìn)制數(shù)據(jù)[15]。前4個8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)分別表示：濕度整數(shù)位、濕度小數(shù)、溫度整數(shù)位、溫度小數(shù)，最后一個8位為校驗數(shù)據(jù)，若前4個8位的二進(jìn)制之和不等于校驗數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)不正確。

在稱質(zhì)量模塊端，4個50 kg人體稱質(zhì)量傳感器組成的全橋應(yīng)變傳感器組電路見圖6，當(dāng)傳感器組受力形變時，引發(fā)測量電壓變化。對于應(yīng)變電阻，其電阻變化滿足[16]：

3.2 控制模塊設(shè)計

為提供遠(yuǎn)程控制功能，引入MQTT協(xié)議來實現(xiàn)平臺與蜂箱終端之間的通信。MQTT基于TCP/IP協(xié)議族，其發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議在不可靠網(wǎng)絡(luò)狀況下具有良好表現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)和M2M（機器與機器）通信中。在百度智能云的物接入平臺上建立數(shù)據(jù)型項目，建立Beeboxes用戶組，并在蜂箱終端的腳本中訂閱以接收消息，實現(xiàn)蜂箱指令監(jiān)聽功能。

蜂箱系統(tǒng)提供手動和自動控制2種控制方式。在自動控制下，需要程序?qū)Νh(huán)境進(jìn)行自動調(diào)控，將蜂箱內(nèi)環(huán)境控制在閾值內(nèi)，而在手動控制下需要用戶指定對應(yīng)控制模塊的啟停。為實現(xiàn)上述功能，設(shè)定了8位二進(jìn)制控制編碼，前2位為蜂箱編號、第 3～5位為溫控編碼，第6～7位為濕控編碼，最后1位為LED提醒編碼。溫控編碼的3位含義依次為自動控制、加熱、降溫功能。濕控編碼的2位含義依次為自動控制、加濕功能。當(dāng)自動控制功能開啟時，則溫控編碼后2位、濕控編碼后1位失效。當(dāng)LED提醒編碼為1時，LED持續(xù)閃爍，直到監(jiān)聽到該編碼為0時停止。當(dāng)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)后，控制系統(tǒng)調(diào)用線程監(jiān)聽控制編碼，如果設(shè)備離線則自動轉(zhuǎn)為自動控制。在煙霧監(jiān)測過程中，MQ2若連續(xù)2次監(jiān)測到有火災(zāi)隱患，則自動斷開蜂箱總電源以防止火災(zāi)事故發(fā)生。

3.3 數(shù)據(jù)庫配置

數(shù)據(jù)庫配置參數(shù)詳見表1。

3.4 程序編寫思路

系統(tǒng)編寫思路見圖7。使用Python語言編寫腳本，調(diào)用threading和time庫實現(xiàn)任務(wù)并發(fā)進(jìn)行和休眠。系統(tǒng)監(jiān)聽并刷新控制編碼、每10 s讀取并執(zhí)行1次控制編碼的內(nèi)容、每10 min監(jiān)測1次蜂箱溫濕度、每天監(jiān)測1次蜂箱質(zhì)量、每30 s監(jiān)測1次蜂箱內(nèi)的煙霧狀況并在連續(xù)2次監(jiān)測到危險時斷開總電源。每次監(jiān)測到數(shù)據(jù)時都立即存入本地和云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)設(shè)備斷網(wǎng)時，調(diào)用自動控制模塊，本地數(shù)據(jù)庫可用作緩存，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后與云數(shù)據(jù)庫對比并進(jìn)行增量更新。

4 系統(tǒng)測試

采用泡沫鋁合金蜂箱并內(nèi)置硬件系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測試。利用MQTT.FX軟件發(fā)送控制指令測試系統(tǒng)在手動控制時的裝置啟停情況、自動控制情況和溫濕度控制區(qū)間情況。在聯(lián)網(wǎng)情況下，系統(tǒng)均能及時響應(yīng)并且啟停加熱、制冷、加濕等設(shè)備，將蜂箱溫濕度區(qū)間控制在穩(wěn)定范圍。關(guān)閉路由器模擬斷網(wǎng)情況后，系統(tǒng)能自動切換為自動控制模式，云端和本地數(shù)據(jù)庫均正常運行。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計的蜂箱系統(tǒng)能自動監(jiān)測蜂箱內(nèi)部的溫濕度、質(zhì)量、煙霧信息，并提供了手動、自動控制的功能，可以有效實現(xiàn)對蜂箱內(nèi)環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。在自動控制狀態(tài)下，系統(tǒng)能根據(jù)箱內(nèi)環(huán)境狀況啟停響應(yīng)控制器件，實現(xiàn)對蜂箱溫濕度的自動控制。系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作和控制響應(yīng)時間短、穩(wěn)定性強，并具有安全性。得益于Raspberry Pi平臺，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好并具有很高可擴展性，有望實現(xiàn)對蜂箱的更多維度監(jiān)控。

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