基于Raspberry Pi的智能蜂箱系統設計

包迪 侯開虎 楊道清 姬思陽 曹如玥

摘要：傳統的蜂養殖大量依賴于人的現場監管，對蜂群狀態、蜂箱內部的環境狀況都需要進行實地考察和開箱檢測，這種“入侵式”的監控方式不僅費時費力，并且存有安全風險。如何盡量減少養殖者的現場監管，在降低成本和安全風險的同時提高養殖效率，成為近幾年蜂場進一步發展所面臨的問題之一。為解決上述問題，借助Raspberry Pi及相關傳感器和控制器，設計和搭建了一個物聯網智能蜂箱系統。系統提供了手動和自動控制功能，能有效對蜂箱內環境進行遠程監控，并具有響應時間短、可靠性高等優點，可以有效減少蜂養殖者的勞動強度并提高養殖效率。

關鍵詞：物聯網;Raspberry Pi;智能蜂箱;遠程監控

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

近年來，物聯網已逐漸融入到各行業的生產運作活動中。在農業方面，利用物聯網實現培育、養殖的精準化管理和自動化控制吸引了大量學者投入研究。蜜蜂作為變溫動物，其生活狀況易受環境溫濕度影響：對蜂群不適的溫濕度輕則影響到蜂群的日常活動、蜂王的產卵，重則可能產生相關病蟲害、使種群急劇減少等[1-3]。傳統的蜂養殖方法高度依賴人的現場管理，養殖難度高、工作量大、養殖效率低[4]。如何減少人的勞動量，實現輕松化蜂養殖，成為近年來蜂養殖行業的重要問題之一。

國內外眾多學者在物聯網的基礎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，相關學者利用機器視覺[5]、噪聲[6]、稱質量[7]、紅外[4-8]等模塊進行了各個維度的監測。國外有學者搭建了許多對蜂箱的多維監測系統，實現了對蜂箱的溫濕度等指數遠程監測[9][10]和緊急預警等功能[11]。利用Raspberry Pi（樹莓派）搭建多傳感器平臺，對蜂箱的質量、噪音、二氧化碳、溫濕度進行監測[12]也已有學者實現。在國內，不乏有借助STM32[13]、NB-IoT[14]等工具或技術搭建低功耗系統，實現了對蜂箱的遠程監測功能。但加入相關控制器件，搭建對蜂箱的監控一體化系統，還少有學者實現。

為解決傳統蜂養殖的痛點，實現智能化、自動化養蜂，本研究在上述學者的遠程監測功能的基礎上加入對蜂箱內環境的控制功能，提出了一種基于Raspberry Pi的物聯網智能蜂箱原型及其系統。該系統能實時監測、自動或遠程手動調控蜂箱內環境，能減少養殖者的勞動量，提高養殖效率。

1 總方案設計

智能蜂箱系統內置了微電腦、傳感器以及相關箱內環境控制組件（加熱片、制冷片等）。能自動采集蜂箱內部的環境信息，如溫濕度、箱體總質量等，采集的數據需要本地儲存和發送到服務器數據庫。系統提供手動或自動控制功能以實現對蜂箱的遠程操作：手動控制支持用戶遠程對蜂箱進行加熱、降溫、加濕等操作;在自動控制下，系統會自動根據箱內環境狀況啟停相關控制組件。為保證在蜂箱群中便于識別出指定蜂箱，設置了LED閃爍開關。此外，為防止因電路故障而導致安全事故，提供了煙霧檢測功能，一旦出現煙霧報警，系統將立即斷開蜂箱電源。

2 硬件模塊設計

2.1 硬件結構設計

為滿足總方案設計，設計了如圖1所示的硬件系統結構。系統以一塊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內存，具有邊緣計算能力高、擴展性強、維護方便等優點。內置的16 G SD卡用于存放操作系統、蜂箱系統程序以及本地臨時數據。Raspberry Pi 接收來自數據采集模塊的信息，并根據軟件模塊設定的閾值啟停相關輸出模塊。數據采集模塊包括DHT11溫濕度傳感器、MQ2煙霧傳感器以及稱質量模塊等。環境控制模塊由LED燈珠、通風風扇多路繼電器、電熱膜片、霧化加濕器模塊、半導體制冷模塊等組成。

2.2 供電電路設計

由于硬件系統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，而其他設備則采用12 V電源輸入，一方面供電熱膜片、半導體制冷模塊運行，另一方面通過DC-DC降壓模塊為Raspberry Pi、DHT11、MQ2、LED燈珠、繼電器、通風風扇供電。稱質量模塊所需的3.3 V由Raspberry Pi GPIO接口提供。DC-DC降壓模塊采用LM2596開關電壓調節器，最大驅動電流為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、高可靠性和穩定性等優點。溫濕度精度分別為±2 ℃和±5%RH，能監測的溫度范圍為0～50 ℃，能在適宜蜜蜂生存的環境下正常工作。稱質量模塊由4個50 kg人體稱質量傳感器組成全橋測量模塊以及1個HX711 AD模塊組成，稱質量傳感器和接線見圖3。MQ2煙霧傳感器內置半導體氣敏材料，對燃燒時產生的一氧化碳、烷烴類等氣體和煙霧具有較高靈敏度。

半導體制冷模塊用于為蜂箱快速降溫，由1個半導體制冷片、2個鋁擠散熱片和風扇組成。半導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到附近空氣中。霧化加濕器主要保證箱內濕度環境以及小幅度降溫，需要將電源開關調整為“常開”后接入繼電器實現啟?？刂啤２捎玫陌雽w制冷模塊和霧化加濕器見圖4。

2.4 管腳接口配置

硬件系統的電路連接見圖5。在Raspberry Pi通過BCM編碼轉接出的GPIO接口中，蜂箱系統的總電源繼電器接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數模轉換模塊的SCL管腳、SDA管腳與GPIO相應的SCL、SDA接口相連，HX711稱質量模塊的SCK、DATA管腳分別接入G20、G21接口，半導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470 Ω電阻接入G5接口。

3 軟件模塊設計

3.1 數據采集模塊軟件設計

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險，故需要進行煙霧監測和火災防范。MQ2煙霧傳感器有2種輸出模式：模擬信號和數字信號。數字信號只能監測到險情是否發生，如果需要精確監測到煙霧濃度值，則需要接入PCF8591 AD＼DA轉換器將MQ2 AO端輸出的模擬信號轉化為數字信號。在數字輸入信號端，設置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。

溫濕度監控方面，DHT11溫濕度傳感器利用單總線雙向通信協議。首先需要將Raspberry Pi上對應的GPIO設置為輸出（OUT），隨后降為低電平大于18 ms后，設置輸入并且釋放數據總線，隨后等待DHT11輸入信號，DHT11側在收到信號后，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標志輸出40位二進制數據[15]。前4個8位二進制數據分別表示：濕度整數位、濕度小數、溫度整數位、溫度小數，最后一個8位為校驗數據，若前4個8位的二進制之和不等于校驗數據，則數據不正確。

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

3.2 控制模塊設計

為提供遠程控制功能，引入MQTT協議來實現平臺與蜂箱終端之間的通信。MQTT基于TCP/IP協議族，其發布/訂閱范式的消息協議在不可靠網絡狀況下具有良好表現，被廣泛應用在物聯網和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據型項目，建立Beeboxes用戶組，并在蜂箱終端的腳本中訂閱以接收消息，實現蜂箱指令監聽功能。

蜂箱系統提供手動和自動控制2種控制方式。在自動控制下，需要程序對環境進行自動調控，將蜂箱內環境控制在閾值內，而在手動控制下需要用戶指定對應控制模塊的啟停。為實現上述功能，設定了8位二進制控制編碼，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LED提醒編碼為1時，LED持續閃爍，直到監聽到該編碼為0時停止。當設備接入互聯網后，控制系統調用線程監聽控制編碼，如果設備離線則自動轉為自動控制。在煙霧監測過程中，MQ2若連續2次監測到有火災隱患，則自動斷開蜂箱總電源以防止火災事故發生。

3.3 數據庫配置

數據庫配置參數詳見表1。

3.4 程序編寫思路

系統編寫思路見圖7。使用Python語言編寫腳本，調用threading和time庫實現任務并發進行和休眠。系統監聽并刷新控制編碼、每10 s讀取并執行1次控制編碼的內容、每10 min監測1次蜂箱溫濕度、每天監測1次蜂箱質量、每30 s監測1次蜂箱內的煙霧狀況并在連續2次監測到危險時斷開總電源。每次監測到數據時都立即存入本地和云服務器數據庫中。當設備斷網時，調用自動控制模塊，本地數據庫可用作緩存，待網絡恢復后與云數據庫對比并進行增量更新。

4 系統測試

采用泡沫鋁合金蜂箱并內置硬件系統進行系統測試。利用MQTT.FX軟件發送控制指令測試系統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間情況。在聯網情況下，系統均能及時響應并且啟停加熱、制冷、加濕等設備，將蜂箱溫濕度區間控制在穩定范圍。關閉路由器模擬斷網情況后，系統能自動切換為自動控制模式，云端和本地數據庫均正常運行。

5 結論

本研究設計的蜂箱系統能自動監測蜂箱內部的溫濕度、質量、煙霧信息，并提供了手動、自動控制的功能，可以有效實現對蜂箱內環境的遠程控制。在自動控制狀態下，系統能根據箱內環境狀況啟停響應控制器件，實現對蜂箱溫濕度的自動控制。系統的遠程操作和控制響應時間短、穩定性強，并具有安全性。得益于Raspberry Pi平臺，整個系統的穩定性良好并具有很高可擴展性，有望實現對蜂箱的更多維度監控。

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