基于NB-IoT技術(shù)的智能養(yǎng)蜂系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任勇強(qiáng)　陳睿劼

摘 要：當(dāng)前，蜂農(nóng)主要采用傳統(tǒng)蜂箱進(jìn)行蜜蜂養(yǎng)殖，蜂蜜的產(chǎn)量和質(zhì)量基本依賴于養(yǎng)蜂者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，蜂農(nóng)養(yǎng)蜂收益參差不齊;其次，當(dāng)?shù)刂鞴懿块T對蜜蜂養(yǎng)殖缺乏有效監(jiān)管手段，無法實(shí)時(shí)獲取蜜蜂養(yǎng)殖關(guān)鍵信息;再者，消費(fèi)面對市場上紛繁復(fù)雜的蜂蜜產(chǎn)品，無法辨別真?zhèn)?。該文旨在探討運(yùn)用NB-IoT技術(shù)研發(fā)智能養(yǎng)蜂系統(tǒng)，幫助蜂農(nóng)實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)蜂，提高工作效率，為蜜蜂提供舒適的繁殖與產(chǎn)蜜環(huán)境，提高蜂蜜質(zhì)量，并給消費(fèi)者提供產(chǎn)品溯源的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：智能養(yǎng)蜂;養(yǎng)殖管理;NB-IoT技術(shù);數(shù)據(jù)傳輸模型;溫濕度采集;巢框蜂蜜稱重

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

0 引 言

養(yǎng)蜂業(yè)為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中重要的組成部分。截至到2018年，中國有養(yǎng)蜂記錄從業(yè)人30萬人，養(yǎng)殖蜂箱5 000萬箱，年產(chǎn)蜂蜜約40萬噸。部分地區(qū)，養(yǎng)蜂成為精準(zhǔn)扶貧的重要產(chǎn)業(yè)。目前，廣大蜂農(nóng)采用的仍是傳統(tǒng)的蜂箱進(jìn)行蜜蜂養(yǎng)殖，在此模式下，主管部門無法準(zhǔn)確了解管轄區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖戶基本情況和動(dòng)態(tài)分布，缺乏有效手段監(jiān)管真實(shí)生產(chǎn)情況。蜂農(nóng)依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行養(yǎng)蜂管理，無法快速方便地獲取蜂箱內(nèi)部環(huán)境和蜂蜜產(chǎn)量信息，需要開箱檢測獲取，工作效率低，還會(huì)干擾蜜蜂正常的繁殖和產(chǎn)蜜活動(dòng);而作為消費(fèi)者，面對市場上五花八門的蜂蜜品牌，無法選擇到貨真價(jià)實(shí)的綠色蜂蜜。

1 需求分析

1.1 傳統(tǒng)養(yǎng)蜂模式的痛點(diǎn)

（1）養(yǎng)蜂主管部門收集蜂農(nóng)信息的效率較低，難以及時(shí)掌握蜜蜂養(yǎng)殖戶的實(shí)際生產(chǎn)情況、產(chǎn)業(yè)分布狀態(tài)等信息。因此，產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)培訓(xùn)和產(chǎn)品銷售等一系列配套服務(wù)無法緊緊跟上，難以持續(xù)跟蹤落地精準(zhǔn)幫扶政策。

（2）蜂農(nóng)對蜂箱內(nèi)蜂群的主要生存、生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)難以隨時(shí)掌握，蜂群健康成長的適宜環(huán)境經(jīng)常被蜂農(nóng)錯(cuò)誤地、頻繁地開箱查看而打破，蜜蜂也常因受驚嚇而影響產(chǎn)量。蜂農(nóng)沒有蜂箱蜂群養(yǎng)殖日常記錄的意識，粗放式管理導(dǎo)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(wù)到每個(gè)蜂農(nóng)。

（3）消費(fèi)者對健康、安全、綠色無公害蜂產(chǎn)品十分喜愛，但因誠信缺失和產(chǎn)品溯源等原因，無法“眼見為實(shí)”地放心消費(fèi)，無法便捷地從電商渠道購買到貨真價(jià)實(shí)的原產(chǎn)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(lián)網(wǎng)+蜜蜂養(yǎng)殖”綜合信息管理平臺(tái)，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)蜂箱數(shù)據(jù)采集，通過PC端和手機(jī)APP遠(yuǎn)程登錄和監(jiān)控蜂箱，對整個(gè)蜜蜂養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行有效的、科學(xué)的數(shù)據(jù)化管理，制定相關(guān)指導(dǎo)

政策。

（2）蜂農(nóng)需要及時(shí)知曉蜂箱內(nèi)蜜蜂養(yǎng)殖環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，在蜂箱內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)采取相關(guān)措施進(jìn)行干預(yù)，減少對蜜蜂的生長影響。借助稱重系統(tǒng)，蜂農(nóng)可以了解儲(chǔ)蜜情況，選擇合適時(shí)機(jī)進(jìn)行挖蜜，減少無謂開箱。

（3）消費(fèi)者需要通過溯源系統(tǒng)，清晰地知曉自己購買蜂蜜的產(chǎn)地、生產(chǎn)商、生產(chǎn)時(shí)間，真正保證自己購買的蜜蜂綠色、無污染。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體解決方案

智能養(yǎng)蜂解決方案基于NB-IoT技術(shù)，將蜂箱內(nèi)的溫度、濕度、巢框重量等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)傳回物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)分析，建立蜂群行為分析預(yù)判模型，為蜂農(nóng)及畜牧主管單位提供智能化養(yǎng)殖手段和有效的決策化依據(jù)。圖1為智能養(yǎng)蜂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.2 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選擇

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的一個(gè)重要分支。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，占用180 kHz的帶寬，可在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低成本、快速部署。智能養(yǎng)蜂系統(tǒng)的正常推廣和運(yùn)營，需要有經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的要求，比如：在蜂場有良好的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，智能蜂箱改造需要控制改造成本，監(jiān)控終端需要長時(shí)間待機(jī)，而NB-IoT技術(shù)的“廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接”的技術(shù)特性，很好地滿足了智能養(yǎng)蜂的關(guān)鍵需求。

2.3 蜂箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能蜂箱基于標(biāo)準(zhǔn)蜂箱進(jìn)行研發(fā)，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(tǒng)蜂箱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加改裝結(jié)構(gòu)件、稱重感應(yīng)器、溫濕度采集器、數(shù)據(jù)采集DTU、巢框定位電阻。除去數(shù)據(jù)采集DTU固定安裝在巢箱四壁外，其余設(shè)備需安裝在蜂箱內(nèi)部，減少對蜂箱尺寸的影響。

（2）整裝定制模式下，改裝結(jié)構(gòu)件、各類傳感器和數(shù)據(jù)采集DTU等智能化部件，作為基本單元設(shè)計(jì)、生產(chǎn)蜂箱整體結(jié)構(gòu)，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(tài)下，可以為蜂群提供最理想的繁殖、產(chǎn)蜜環(huán)境。

夏季高溫期間，蜂箱的溫度極易超過40 ℃，如果蜂箱環(huán)境溫度過高，極易引發(fā)蜜蜂死亡或患病。進(jìn)入冬季后，外界溫度變低，當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，將難以保障蜂群安全過冬。

采用傳統(tǒng)蜂箱，在夏季或冬季，蜂農(nóng)只能在養(yǎng)蜂現(xiàn)場人工檢查溫度情況后，采取人工輔助降溫或保溫防護(hù)措施。如果異常情況發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，將導(dǎo)致很大的蜂群損失。

采用智能蜂箱后，內(nèi)置溫濕度傳感器將實(shí)時(shí)采集蜂箱內(nèi)部溫濕度，通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇y(tǒng)一管理平臺(tái)和蜂農(nóng)APP，實(shí)現(xiàn)對蜂箱溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。平臺(tái)側(cè)根據(jù)四季變化設(shè)置不同的告警溫度，當(dāng)溫度高于、低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即通過手機(jī)APP、短信推送進(jìn)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(gè)蜂箱內(nèi)可放置8～10個(gè)巢框，蜜蜂會(huì)在巢框上繁殖幼蟲，并把采集的蜂蜜存儲(chǔ)在巢框上。傳統(tǒng)模式下，蜂農(nóng)需要不定期地打開蜂箱，查看巢框上蜜蜂密度、蜂蜜的存儲(chǔ)程度。無規(guī)律地開箱會(huì)驚嚇蜜蜂，造成蜜蜂的誤傷亡，影響產(chǎn)蜜的進(jìn)度及質(zhì)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(shù)據(jù)通過蜂箱數(shù)據(jù)采集DTU上傳至管理平臺(tái)，從而方便蜂農(nóng)監(jiān)測蜜蜂產(chǎn)蜜的進(jìn)度，給主管部門提供監(jiān)管數(shù)據(jù)。管理平臺(tái)可以通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)、策略配置，預(yù)測每個(gè)蜂箱的最佳開箱采蜜或者添加空巢框的時(shí)間，減少對蜜蜂的驚嚇，維持箱體內(nèi)正常的溫度。

（3）蜂箱定位

在養(yǎng)殖的過程中，蜂農(nóng)會(huì)根據(jù)花盛開的程度、次序，安排蜂箱進(jìn)行轉(zhuǎn)場。主管部門也需要了解蜂農(nóng)的大體分布位置、鮮花的分布情況、開花的時(shí)序進(jìn)度，從而進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，對養(yǎng)蜂業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)。系統(tǒng)依托電信基站定位技術(shù)，獲取每個(gè)蜂箱位置信息，了解蜂場分布情況，從而方便主管單位、蜂農(nóng)安排采蜜計(jì)劃。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

智能蜂箱數(shù)據(jù)采集終端采用IP65等級的密封工藝，保證適應(yīng)蜂箱戶外惡劣環(huán)境要求。運(yùn)用NB-IoT技術(shù)低功耗特性，并優(yōu)化智能蜂箱數(shù)據(jù)傳輸模型，減小數(shù)據(jù)傳送量，降低終端用電功耗。經(jīng)嚴(yán)格測試，試用期間智能養(yǎng)蜂系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，電池供電模式下預(yù)計(jì)供電時(shí)長為3年，智能蜂箱產(chǎn)品的技術(shù)實(shí)用性得到確認(rèn)。

借助改進(jìn)的智能養(yǎng)蜂系統(tǒng)，蜂農(nóng)能及時(shí)獲知蜂箱內(nèi)溫濕度狀況及蜜蜂采蜜進(jìn)度，有效地提高了蜂農(nóng)的養(yǎng)殖效率，降低了蜜蜂的無謂死亡率;主管部門能加強(qiáng)對蜜蜂養(yǎng)殖監(jiān)管，精準(zhǔn)制定養(yǎng)蜂扶植政策，切實(shí)落實(shí)養(yǎng)蜂扶貧的工作。

4 推廣價(jià)值

（1）將信息化技術(shù)與傳統(tǒng)蜂箱相結(jié)合，通過溫濕度傳感器、稱重傳感器采集蜂箱養(yǎng)殖環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)蜂智能化。

（2）采用NB-IoT技術(shù)，優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有智能養(yǎng)蜂系統(tǒng)當(dāng)中的通信技術(shù)，充分發(fā)揮其覆蓋廣及功耗低的特性，提高產(chǎn)品的實(shí)用推廣度。

（3）建設(shè)蜂群行為數(shù)據(jù)分析及預(yù)判模型，為蜂農(nóng)養(yǎng)蜂提供有效的管理手段，實(shí)時(shí)了解蜂群生長情況，及時(shí)采取相關(guān)措施，保障蜜蜂養(yǎng)殖環(huán)境，及時(shí)開箱取蜜。

（4）匯聚相關(guān)蜂農(nóng)的養(yǎng)殖信息、養(yǎng)殖規(guī)模、養(yǎng)殖狀況，為政府主管單位制定相關(guān)政策提供有效決策依據(jù)，為落實(shí)精準(zhǔn)扶貧提供有效的輔助手段，為產(chǎn)品溯源提供依據(jù)。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使社會(huì)生產(chǎn)、城市管理和民眾生活等方面發(fā)生了顯著的變化。采用NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能養(yǎng)蜂管理，為提高養(yǎng)蜂效率和效益提供強(qiáng)有力的支撐手段。

本文剖析傳統(tǒng)養(yǎng)蜂業(yè)的痛點(diǎn)，分析養(yǎng)蜂產(chǎn)業(yè)升級需求，提出基于NB-IoT技術(shù)的智能養(yǎng)蜂整體解決方案，給出解決方案中的關(guān)鍵部件—智能蜂箱的結(jié)構(gòu)及主要功能（溫濕度采集、巢框蜂蜜稱重和位置采集）設(shè)計(jì)。從實(shí)際應(yīng)用效果看，該解決方案的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性得到了驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]郭斌.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧蜂箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2016.

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

[3]劉守禮，逯彥果.甘肅蜂業(yè)發(fā)展中存在的問題與對策[J].蜜蜂雜志（月刊），2006（2）：38-40.

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

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

[6]游兆彤，虞軼俊，孔亞廣. 中國智慧蜂業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，26（4）：1111-1115.

[7]張江毅，陳丹紅，衣天宇. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能蜂箱與智能蜂場的研究與開發(fā)[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（3）：102-103.

[8]陳黎紅，張復(fù)興.新形勢下蜂業(yè)發(fā)展新思路[J].農(nóng)業(yè)展望，2011（5）：39-43.

[9]董俊偉. 河南省養(yǎng)蜂業(yè)發(fā)展情況分析[J].中國動(dòng)物檢疫，2019，36（8）：64-67.

[10]楊耀臻. 基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的蜂產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2015.