基于NB-IoT的蜂箱温湿度采集系统

来源:物联网技术
关键字:智能蜂箱,温湿度采集,低功耗
发布时间:2020-06-13 09:50

　　摘要：实时监测蜂箱内的温湿度对于蜜蜂繁殖发育、生存工作、采蜜酿蜜有着至关重要的作用，养蜂者需要根据蜂箱内的温度变化，及时采取相关保护措施。现有的蜂箱温湿度采集系统主要依靠无线局域网技术和2G蜂窝网络技术进行采集上报，这些技术存在部署难、维护成本高、传输距离有限、终端功耗大等缺陷，限制了智能蜂箱的规模化应用。文中提出了一种基于NB-IoT的蜂箱温湿度采集系统，通过设计一体化低功耗主板、节电数据传输策略和智能化安装结构，提高了蜜蜂养殖管理的效率、减少了智能蜂箱的部署维护工作、延长了智能蜂箱的使用寿命，推动智能蜂箱实现规模化应用。

　　关键词：智能蜂箱；NB-IoT；温湿度采集；低功耗；传输策略；安装结构

　　中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-00-03

　　0 引言

　　蜂箱是養蜂过程中供蜜蜂繁衍生息的处所，是最基本的养蜂工具。我国于19世纪初开始使用蜂箱，结束了数千年传统养蜂采用土窝、毁巢取蜜的生产方式。经过几十年发展，蜂箱已成为我国蜜蜂规模化养殖的重要工具。

　　蜜蜂的繁殖发育和采蜜酿蜜工作对周边环境（温度、湿度）有着较高的要求。蜜蜂属于变温动物，然而由成千上万只蜜蜂组成的蜂群，具有恒温动物所特有的调节体温的能力。蜜蜂数量越多，蜂巢内温度越稳定，并能够保持在适温34～35 ℃范围内。温度太高或太低均不利于其发育和繁殖。根据研究得知，蜜蜂生活的最适温度为15～25 ℃、湿度为75%～80%RH。在这个条件下，蜜蜂酿蜜效率较高，而且蜂王的产卵量也很大，对于蜂群的发展特别有利[1-2]。

　　1 需求分析

　　蜂农需要时常关注蜂箱内的温湿度情况，当前模式下，蜂农主要通过开箱查看蜜蜂状态及环境温湿度，但频繁开箱会干扰蜜蜂正常工作，进而影响产蜜的数量和质量。同时，往返蜂场、频繁开箱也增加了蜂农的工作量。

　　近来，温湿度远程采集系统已逐渐被应用在蜂箱上，无线局域网技术（WiFi，ZigBee等）和2G蜂窝网络技术是其主要通信方式，无线局域网技术需要本地组网并通过智能网关进行温湿度数据采集，同时传输距离有限；2G技术通过运营商基站采集传输温湿度数据。在应用过程中发现：无线局域网技术需要在蜂场内购买并部署网关设备，从而导致蜂场转场部署难、设备维护成本高等问题。同时，2G蜂窝网络技术由于功耗较大，需要对采集终端频繁充电或更换电池，因此未在实际生产中进行规模化应用[3-4]。

　　2 系统介绍

　　以上两种技术均存在部署成本高、维护工作难、传输距离有限、终端功耗大等问题，使得智能蜂箱温湿度采集系统无法在蜂箱中进行规模推广。

　　本文提出基于窄带物联网技术NB-IoT的蜂箱温湿度采集系统，通过一体化低功耗主板、节电传输策略、易安装低成本改造工艺，建立NB-IoT蜂箱温湿度采集系统，在保证数据安全采集的前提下，可以弥补现有温湿度采集系统部署成本高、维护工作难、传输距离短、终端功耗高等不足，解决了制约智能蜂箱规模应用的难题。基于NB-IoT的蜂箱温湿度采集系统解决方案如图1所示。

　　2.1 一体化低功耗主板

　　主板MCU芯片采用低功耗微控制器，控制器内集成

　　8 KB FLASH和256 B RAM用于保存程序和数据，处理器内部存储5种省电运营模式对应数据节电策略。主板外围接口通过MOS管连接SHT10温湿度传感器，接收传感器采集的数据。低功耗微控制器通过USART总线接口与BC95-95型号的NB-IoT通信模组、SIM卡槽实现数据通信，AT指令交互，实现温湿度数据上报与对主板元件的有效管理；主板上安装1个3.6 V，4 000 mA·h的CR2锂电池，为整个主板供电。采集终端主板设计如图2所示。

　　低功耗微控制器具备超低功耗的性能，其在连接态、待机态、断电模式下的功耗分别为280 μA，1.6 μA和0.1 μA，并且拥有5种省电模式。这样在主板设计上从主控芯片到功能元件都实现了低功耗与元件快速上线运行和节电休眠，同时为部署节电策略打下了硬件基础。

　　2.2 节电传输策略

　　数据采集传输节电策略的设计遵从不工作不上电、快入快出工作模式，策略如下。

　　（1）PSM休眠算法。整体主板大多数时间都工作在省电模式，主控芯片工作在休眠模式，其余外围电路和元件都处于节电状态。温湿度数据存储在MCU内部FLASH，数据上传时由主控板唤醒模组，模组进入连接状态实现数据上传，数据上传结束后，BC95-95进入Idle态2 s后进入PSM态。通过这种工作机制，达到整个系统的低功耗设计，实现最低的功率消耗，具体如图3、图4所示。

　　（2）NB-IoT信号质量智能判定机制。每次模组数据发送前，MCU需对当前NB-IoT信号质量进行分析，通过算法设定下次发送时间，以此来降低信号质量差时的发送频率，达到减少终端功耗的目的。

　　（3）终端快速释放RRC连接（RA功能）。该功能可以使终端在数据交互后，网络侧立即释放RRC连接，无需基站再等待20 s，快速进入空闲态，达到终端极致省电或快速释放空口连接的目的。RA终端快速释放功能说明如图5所示。

　　（4）优化数据上报的大小和频次。将模组单次上报的数据包优化小于1 KB，匹配NB-IoT窄带物联网800 MHz频段广覆盖优势，延长数据传输距离，扩大可采集温湿度蜂箱的覆盖范围。将采集间隔调整为1 h，有效降低了采集终端在线时间和连接态功耗，实现低功耗上传[5-7]。

　　2.3 智能部件安装工艺

　　结构方面，蜂箱金属挡板采用轻薄的不锈钢材料环抱式安装于蜂箱顶部四周，如图6所示。在改装为智能蜂箱的同时，加固原有木制蜂箱，尽可能减少对蜂箱原有结构的改动。采集终端选用体积超小的防水塑料外壳，内置低成本NB模组，以适应蜂箱长时间放置于室外的工作环境。

　　采集终端安装于蜂箱外壁，减少对蜂箱内部结构的改动，不增加蜂农的任何操作，降低改造成本。温湿度传感器安装于蜂箱底部，在采集终端对侧，如图7所示。在空气对流的位置采集数据，不影响巢脾安置，无需布线。

　　3 方案优势

　　在蜂箱温湿度采集系统中，无线局域网技术虽然在一定程度上降低了采集终端的功耗，但需要额外部署网关，增加了硬件成本，且传输距离有限。2G蜂窝网络技术使用运营商基站直接传输数据，但由于其长连接的特性，无法有效降低终端功耗，需要对终端频繁充电。本方案从芯片优化、电路封装、数据传输到改造安装，均按照蜂箱实际使用环境设计，弥补了现有技术在部署安装、实际使用、终端功耗方面存在的不足，具有以下优点：

　　（1）降低终端的用电功耗，避免多次充电或更换电池，延长了使用时间；

　　（2）省去在蜂场部署局域网的环节，节省了购买、安装、维护的成本，增加了智能蜂箱的移动性；

　　（3）在不改变原有蜂箱物理结构的基础上，加装结构件，实现温湿度远程采集与易安装、低成本的改造，方便蜂农使用。

　　4 结语

　　本系统为蜂农养殖蜜蜂提供了有效监测蜂箱内环境的工具，蜂农可实时监测蜜蜂生长情况，降低人为开箱对蜜蜂正常工作的干扰，提高蜂农养殖管理效率。

　　蜜蜂处于合适的生长环境，从而能快速、健康地繁殖发育，提高采蜜酿蜜的效率，最终帮助蜂农实现增产增收；本系统能收集相关蜂农的养殖信息、养殖状况，为政府主管单位制定相关政策提供有效决策依据，提高政府监管效率，助力政府实现蜜蜂养殖管理信息化、数据化；提高了温湿度数据采集的安全级别，提高了数据采集的准确性和稳定性，为智能蜂箱规模商用的安全保障提供技术支持。同时，本系统减少了采集终端的电池功耗，延长了智能蜂箱的使用寿命，解决了制约智能蜂箱推广中终端功耗高、数据采集难等问题，推动了智能蜂箱物联网产品规模化应用的进程[8-10]。

　　参考文献

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　　[2]程巍，曾柏伟，孙宪忠，等.智能蜂箱管理系统：蜜蜂之家[J].物联网技术，2014，4（4）：11-12.

　　[3]刘守礼，逯彦果.甘肃蜂业发展中存在的问题与对策[J].蜜蜂杂

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　　[4]徐祖荫，韦小平，林黎，等.论中蜂蜂箱：国内中蜂蜂箱分型指标的提出及分型归类[J].蜜蜂杂志，2017（7）：19-22.

　　[5]张含，蔡凌凯，刘一博，等.中蜂新式蜂箱与精细化饲养管理技术初探[J].蜜蜂雜志，2019（1）：5-7.

　　[6]张江毅，陈丹红，衣天宇.基于物联网技术的智能蜂箱与智能蜂场的研究与开发[J].科学技术创新，2019（3）：102-103.

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　　[10]谭庆忠.蜜蜂蜂箱专用数字化监测系统设计与实现[D].长沙：湖南大学，2012.