基于NB-IoT技術的智能養蜂系統設計與應用

任勇強　陳睿劼

摘 要：當前，蜂農主要采用傳統蜂箱進行蜜蜂養殖，蜂蜜的產量和質量基本依賴于養蜂者的個人經驗，蜂農養蜂收益參差不齊;其次，當地主管部門對蜜蜂養殖缺乏有效監管手段，無法實時獲取蜜蜂養殖關鍵信息;再者，消費面對市場上紛繁復雜的蜂蜜產品，無法辨別真偽。該文旨在探討運用NB-IoT技術研發智能養蜂系統，幫助蜂農實現科學養蜂，提高工作效率，為蜜蜂提供舒適的繁殖與產蜜環境，提高蜂蜜質量，并給消費者提供產品溯源的依據。

關鍵詞：智能養蜂;養殖管理;NB-IoT技術;數據傳輸模型;溫濕度采集;巢框蜂蜜稱重

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-00-02

0 引 言

養蜂業為農業產業中重要的組成部分。截至到2018年，中國有養蜂記錄從業人30萬人，養殖蜂箱5 000萬箱，年產蜂蜜約40萬噸。部分地區，養蜂成為精準扶貧的重要產業。目前，廣大蜂農采用的仍是傳統的蜂箱進行蜜蜂養殖，在此模式下，主管部門無法準確了解管轄區域內養殖戶基本情況和動態分布，缺乏有效手段監管真實生產情況。蜂農依據個人經驗進行養蜂管理，無法快速方便地獲取蜂箱內部環境和蜂蜜產量信息，需要開箱檢測獲取，工作效率低，還會干擾蜜蜂正常的繁殖和產蜜活動;而作為消費者，面對市場上五花八門的蜂蜜品牌，無法選擇到貨真價實的綠色蜂蜜。

1 需求分析

1.1 傳統養蜂模式的痛點

（1）養蜂主管部門收集蜂農信息的效率較低，難以及時掌握蜜蜂養殖戶的實際生產情況、產業分布狀態等信息。因此，產業政策、技術培訓和產品銷售等一系列配套服務無法緊緊跟上，難以持續跟蹤落地精準幫扶政策。

（2）蜂農對蜂箱內蜂群的主要生存、生產環境參數難以隨時掌握，蜂群健康成長的適宜環境經常被蜂農錯誤地、頻繁地開箱查看而打破，蜜蜂也常因受驚嚇而影響產量。蜂農沒有蜂箱蜂群養殖日常記錄的意識，粗放式管理導致蜜蜂種群弱化、防疫能力低下;在病蟲害防治、防盜等方面，更是難以百分百服務到每個蜂農。

（3）消費者對健康、安全、綠色無公害蜂產品十分喜愛，但因誠信缺失和產品溯源等原因，無法“眼見為實”地放心消費，無法便捷地從電商渠道購買到貨真價實的原產蜂蜜。

1.2 客戶需求分析

（1）畜牧主管部門希望通過打造“物聯網+蜜蜂養殖”綜合信息管理平臺，依托物聯網技術實現蜂箱數據采集，通過PC端和手機APP遠程登錄和監控蜂箱，對整個蜜蜂養殖產業鏈進行有效的、科學的數據化管理，制定相關指導

政策。

（2）蜂農需要及時知曉蜂箱內蜜蜂養殖環境的溫濕度數據，在蜂箱內環境數據發生變化時，及時采取相關措施進行干預，減少對蜜蜂的生長影響。借助稱重系統，蜂農可以了解儲蜜情況，選擇合適時機進行挖蜜，減少無謂開箱。

（3）消費者需要通過溯源系統，清晰地知曉自己購買蜂蜜的產地、生產商、生產時間，真正保證自己購買的蜜蜂綠色、無污染。

2 系統設計

2.1 整體解決方案

智能養蜂解決方案基于NB-IoT技術，將蜂箱內的溫度、濕度、巢框重量等數據，準確實時傳回物聯網開放平臺并進行相應數據分析，建立蜂群行為分析預判模型，為蜂農及畜牧主管單位提供智能化養殖手段和有效的決策化依據。圖1為智能養蜂系統結構。

2.2 聯網技術選擇

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術是萬物互聯網絡技術中的一個重要分支。NB-IoT網絡構建于蜂窩網絡，占用180 kHz的帶寬，可在現有LTE網絡實現低成本、快速部署。智能養蜂系統的正常推廣和運營，需要有經濟與技術的要求，比如：在蜂場有良好的無線網絡覆蓋，智能蜂箱改造需要控制改造成本，監控終端需要長時間待機，而NB-IoT技術的“廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接”的技術特性，很好地滿足了智能養蜂的關鍵需求。

2.3 蜂箱結構設計

智能蜂箱基于標準蜂箱進行研發，分為后裝改造、整裝定制兩種類型。

（1）后裝改造模式下，智能蜂箱在傳統蜂箱結構基礎上，增加改裝結構件、稱重感應器、溫濕度采集器、數據采集DTU、巢框定位電阻。除去數據采集DTU固定安裝在巢箱四壁外，其余設備需安裝在蜂箱內部，減少對蜂箱尺寸的影響。

（2）整裝定制模式下，改裝結構件、各類傳感器和數據采集DTU等智能化部件，作為基本單元設計、生產蜂箱整體結構，避免后期改造模式下的蜂箱整體美觀問題。

2.4 蜂箱主要功能

（1）溫濕度采集

正常情況下，蜂箱保持溫度25～30 ℃、濕度75%RH～80%RH的狀態下，可以為蜂群提供最理想的繁殖、產蜜環境。

夏季高溫期間，蜂箱的溫度極易超過40 ℃，如果蜂箱環境溫度過高，極易引發蜜蜂死亡或患病。進入冬季后，外界溫度變低，當環境溫度低于0 ℃時，將難以保障蜂群安全過冬。

采用傳統蜂箱，在夏季或冬季，蜂農只能在養蜂現場人工檢查溫度情況后，采取人工輔助降溫或保溫防護措施。如果異常情況發現不及時，將導致很大的蜂群損失。

采用智能蜂箱后，內置溫濕度傳感器將實時采集蜂箱內部溫濕度，通過窄帶物聯網技術，將數據傳輸到統一管理平臺和蜂農APP，實現對蜂箱溫度的實時監測。平臺側根據四季變化設置不同的告警溫度，當溫度高于、低于標準時，即通過手機APP、短信推送進行告警。

溫度傳感器工作量程為-40～80 ℃，測量誤差為±0.5 ℃，

分辨率（最小刻度）為0.1 ℃;濕度傳感器工作量程為0～100%RH，測量誤差為±5%，分辨率（最小刻度）為1%。

（2）巢框蜂蜜稱重

一個蜂箱內可放置8～10個巢框，蜜蜂會在巢框上繁殖幼蟲，并把采集的蜂蜜存儲在巢框上。傳統模式下，蜂農需要不定期地打開蜂箱，查看巢框上蜜蜂密度、蜂蜜的存儲程度。無規律地開箱會驚嚇蜜蜂，造成蜜蜂的誤傷亡，影響產蜜的進度及質量。

智能蜂箱在巢框下方沿蜂箱邊框安裝金屬承重條，金屬承重條將重量傳遞至位于蜂箱四角的金屬壓力傳感器。壓力傳感器將重量數據通過蜂箱數據采集DTU上傳至管理平臺，從而方便蜂農監測蜜蜂產蜜的進度，給主管部門提供監管數據。管理平臺可以通過數據學習、策略配置，預測每個蜂箱的最佳開箱采蜜或者添加空巢框的時間，減少對蜜蜂的驚嚇，維持箱體內正常的溫度。

（3）蜂箱定位

在養殖的過程中，蜂農會根據花盛開的程度、次序，安排蜂箱進行轉場。主管部門也需要了解蜂農的大體分布位置、鮮花的分布情況、開花的時序進度，從而進行大數據分析，對養蜂業進行指導。系統依托電信基站定位技術，獲取每個蜂箱位置信息，了解蜂場分布情況，從而方便主管單位、蜂農安排采蜜計劃。

3 系統應用效果

智能蜂箱數據采集終端采用IP65等級的密封工藝，保證適應蜂箱戶外惡劣環境要求。運用NB-IoT技術低功耗特性，并優化智能蜂箱數據傳輸模型，減小數據傳送量，降低終端用電功耗。經嚴格測試，試用期間智能養蜂系統運行穩定，電池供電模式下預計供電時長為3年，智能蜂箱產品的技術實用性得到確認。

借助改進的智能養蜂系統，蜂農能及時獲知蜂箱內溫濕度狀況及蜜蜂采蜜進度，有效地提高了蜂農的養殖效率，降低了蜜蜂的無謂死亡率;主管部門能加強對蜜蜂養殖監管，精準制定養蜂扶植政策，切實落實養蜂扶貧的工作。

4 推廣價值

（1）將信息化技術與傳統蜂箱相結合，通過溫濕度傳感器、稱重傳感器采集蜂箱養殖環境信息，實現養蜂智能化。

（2）采用NB-IoT技術，優化改進現有智能養蜂系統當中的通信技術，充分發揮其覆蓋廣及功耗低的特性，提高產品的實用推廣度。

（3）建設蜂群行為數據分析及預判模型，為蜂農養蜂提供有效的管理手段，實時了解蜂群生長情況，及時采取相關措施，保障蜜蜂養殖環境，及時開箱取蜜。

（4）匯聚相關蜂農的養殖信息、養殖規模、養殖狀況，為政府主管單位制定相關政策提供有效決策依據，為落實精準扶貧提供有效的輔助手段，為產品溯源提供依據。

5 結 語

物聯網、大數據和云計算技術的快速發展和廣泛應用，使社會生產、城市管理和民眾生活等方面發生了顯著的變化。采用NB-IoT技術實現智能養蜂管理，為提高養蜂效率和效益提供強有力的支撐手段。

本文剖析傳統養蜂業的痛點，分析養蜂產業升級需求，提出基于NB-IoT技術的智能養蜂整體解決方案，給出解決方案中的關鍵部件—智能蜂箱的結構及主要功能（溫濕度采集、巢框蜂蜜稱重和位置采集）設計。從實際應用效果看，該解決方案的技術可行性、經濟可行性得到了驗證。

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