基于NB-IoT的蜂箱溫濕度采集系統

黃業帥 杜世宏 紀繁茂

摘 要：實時監測蜂箱內的溫濕度對于蜜蜂繁殖發育、生存工作、采蜜釀蜜有著至關重要的作用，養蜂者需要根據蜂箱內的溫度變化，及時采取相關保護措施。現有的蜂箱溫濕度采集系統主要依靠無線局域網技術和2G蜂窩網絡技術進行采集上報，這些技術存在部署難、維護成本高、傳輸距離有限、終端功耗大等缺陷，限制了智能蜂箱的規模化應用。文中提出了一種基于NB-IoT的蜂箱溫濕度采集系統，通過設計一體化低功耗主板、節電數據傳輸策略和智能化安裝結構，提高了蜜蜂養殖管理的效率、減少了智能蜂箱的部署維護工作、延長了智能蜂箱的使用壽命，推動智能蜂箱實現規模化應用。

關鍵詞：智能蜂箱;NB-IoT;溫濕度采集;低功耗;傳輸策略;安裝結構

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

蜂箱是養蜂過程中供蜜蜂繁衍生息的處所，是最基本的養蜂工具。我國于19世紀初開始使用蜂箱，結束了數千年傳統養蜂采用土窩、毀巢取蜜的生產方式。經過幾十年發展，蜂箱已成為我國蜜蜂規模化養殖的重要工具。

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

1 需求分析

蜂農需要時常關注蜂箱內的溫濕度情況，當前模式下，蜂農主要通過開箱查看蜜蜂狀態及環境溫濕度，但頻繁開箱會干擾蜜蜂正常工作，進而影響產蜜的數量和質量。同時，往返蜂場、頻繁開箱也增加了蜂農的工作量。

近來，溫濕度遠程采集系統已逐漸被應用在蜂箱上，無線局域網技術（WiFi，ZigBee等）和2G蜂窩網絡技術是其主要通信方式，無線局域網技術需要本地組網并通過智能網關進行溫濕度數據采集，同時傳輸距離有限;2G技術通過運營商基站采集傳輸溫濕度數據。在應用過程中發現：無線局域網技術需要在蜂場內購買并部署網關設備，從而導致蜂場轉場部署難、設備維護成本高等問題。同時，2G蜂窩網絡技術由于功耗較大，需要對采集終端頻繁充電或更換電池，因此未在實際生產中進行規模化應用[3-4]。

2 系統介紹

以上兩種技術均存在部署成本高、維護工作難、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無法在蜂箱中進行規模推廣。

本文提出基于窄帶物聯網技術NB-IoT的蜂箱溫濕度采集系統，通過一體化低功耗主板、節電傳輸策略、易安裝低成本改造工藝，建立NB-IoT蜂箱溫濕度采集系統，在保證數據安全采集的前提下，可以彌補現有溫濕度采集系統部署成本高、維護工作難、傳輸距離短、終端功耗高等不足，解決了制約智能蜂箱規模應用的難題。基于NB-IoT的蜂箱溫濕度采集系統解決方案如圖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，控制器內集成

8 KB FLASH和256 B RAM用于保存程序和數據，處理器內部存儲5種省電運營模式對應數據節電策略。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據。低功耗微控制器通過USART總線接口與BC95-95型號的NB-IoT通信模組、SIM卡槽實現數據通信，AT指令交互，實現溫濕度數據上報與對主板元件的有效管理;主板上安裝1個3.6 V，4 000 mA·h的CR2鋰電池，為整個主板供電。采集終端主板設計如圖2所示。

低功耗微控制器具備超低功耗的性能，其在連接態、待機態、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。這樣在主板設計上從主控芯片到功能元件都實現了低功耗與元件快速上線運行和節電休眠，同時為部署節電策略打下了硬件基礎。

2.2 節電傳輸策略

數據采集傳輸節電策略的設計遵從不工作不上電、快入快出工作模式，策略如下。

（1）PSM休眠算法。整體主板大多數時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電狀態。溫濕度數據存儲在MCU內部FLASH，數據上傳時由主控板喚醒模組，模組進入連接狀態實現數據上傳，數據上傳結束后，BC95-95進入Idle態2 s后進入PSM態。通過這種工作機制，達到整個系統的低功耗設計，實現最低的功率消耗，具體如圖3、圖4所示。

（2）NB-IoT信號質量智能判定機制。每次模組數據發送前，MCU需對當前NB-IoT信號質量進行分析，通過算法設定下次發送時間，以此來降低信號質量差時的發送頻率，達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據交互后，網絡側立即釋放RRC連接，無需基站再等待20 s，快速進入空閑態，達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）優化數據上報的大小和頻次。將模組單次上報的數據包優化小于1 KB，匹配NB-IoT窄帶物聯網800 MHz頻段廣覆蓋優勢，延長數據傳輸距離，擴大可采集溫濕度蜂箱的覆蓋范圍。將采集間隔調整為1 h，有效降低了采集終端在線時間和連接態功耗，實現低功耗上傳[5-7]。

2.3 智能部件安裝工藝

結構方面，蜂箱金屬擋板采用輕薄的不銹鋼材料環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，加固原有木制蜂箱，盡可能減少對蜂箱原有結構的改動。采集終端選用體積超小的防水塑料外殼，內置低成本NB模組，以適應蜂箱長時間放置于室外的工作環境。

采集終端安裝于蜂箱外壁，減少對蜂箱內部結構的改動，不增加蜂農的任何操作，降低改造成本。溫濕度傳感器安裝于蜂箱底部，在采集終端對側，如圖7所示。在空氣對流的位置采集數據，不影響巢脾安置，無需布線。

3 方案優勢

在蜂箱溫濕度采集系統中，無線局域網技術雖然在一定程度上降低了采集終端的功耗，但需要額外部署網關，增加了硬件成本，且傳輸距離有限。2G蜂窩網絡技術使用運營商基站直接傳輸數據，但由于其長連接的特性，無法有效降低終端功耗，需要對終端頻繁充電。本方案從芯片優化、電路封裝、數據傳輸到改造安裝，均按照蜂箱實際使用環境設計，彌補了現有技術在部署安裝、實際使用、終端功耗方面存在的不足，具有以下優點：

（1）降低終端的用電功耗，避免多次充電或更換電池，延長了使用時間;

（2）省去在蜂場部署局域網的環節，節省了購買、安裝、維護的成本，增加了智能蜂箱的移動性;

（3）在不改變原有蜂箱物理結構的基礎上，加裝結構件，實現溫濕度遠程采集與易安裝、低成本的改造，方便蜂農使用。

4 結 語

本系統為蜂農養殖蜜蜂提供了有效監測蜂箱內環境的工具，蜂農可實時監測蜜蜂生長情況，降低人為開箱對蜜蜂正常工作的干擾，提高蜂農養殖管理效率。

蜜蜂處于合適的生長環境，從而能快速、健康地繁殖發育，提高采蜜釀蜜的效率，最終幫助蜂農實現增產增收;本系統能收集相關蜂農的養殖信息、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，提高政府監管效率，助力政府實現蜜蜂養殖管理信息化、數據化;提高了溫濕度數據采集的安全級別，提高了數據采集的準確性和穩定性，為智能蜂箱規模商用的安全保障提供技術支持。同時，本系統減少了采集終端的電池功耗，延長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、數據采集難等問題，推動了智能蜂箱物聯網產品規模化應用的進程[8-10]。

參考文獻

[1]郭斌.基于物聯網技術的智慧蜂箱的設計與實現[D].杭州：杭州電子科技大學，2016.

[2]程巍，曾柏偉，孫憲忠，等.智能蜂箱管理系統：蜜蜂之家[J].物聯網技術，2014，4（4）：11-12.

[3]劉守禮，逯彥果.甘肅蜂業發展中存在的問題與對策[J].蜜蜂雜

志，2006（2）：38-40.

[4]徐祖蔭，韋小平，林黎，等.論中蜂蜂箱：國內中蜂蜂箱分型指標的提出及分型歸類[J].蜜蜂雜志，2017（7）：19-22.

[5]張含，蔡凌凱，劉一博，等.中蜂新式蜂箱與精細化飼養管理技術初探[J].蜜蜂雜志，2019（1）：5-7.

[6]張江毅，陳丹紅，衣天宇.基于物聯網技術的智能蜂箱與智能蜂場的研究與開發[J].科學技術創新，2019（3）：102-103.

[7]曾志將.蜂箱內的溫度對蜜蜂采集活動的影響[J].江西農業大學學報，1990（3）：73-75.

[8]呂俊峰.蜂箱內多點溫度檢測系統研究[D].太原：中北大學，2013.

[9]王碩.養蜂箱內溫濕度遠程監測系統研究[J].安徽農業科學，2008（36）：16236-16237.

[10]譚慶忠.蜜蜂蜂箱專用數字化監測系統設計與實現[D].長沙：湖南大學，2012.