基于NB-IoT技术的智能养蜂系统设计与应用
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摘 要：当前，蜂农主要采用传统蜂箱进行蜜蜂养殖，蜂蜜的产量和质量基本依赖于养蜂者的个人经验，蜂农养蜂收益参差不齐;其次，当地主管部门对蜜蜂养殖缺乏有效监管手段，无法实时获取蜜蜂养殖关键信息;再者，消费面对市场上纷繁复杂的蜂蜜产品，无法辨别真伪。该文旨在探讨运用NB-IoT技术研发智能养蜂系统，帮助蜂农实现科学养蜂，提高工作效率，为蜜蜂提供舒适的繁殖与产蜜环境，提高蜂蜜质量，并给消费者提供产品溯源的依据。
关键词：智能养蜂;养殖管理;NB-IoT技术;数据传输模型;温湿度采集;巢框蜂蜜称重
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）03-00-02
0 引 言
养蜂业为农业产业中重要的组成部分。截至到2018年，中国有养蜂记录从业人30万人，养殖蜂箱5 000万箱，年产蜂蜜约40万吨。部分地区，养蜂成为精准扶贫的重要产业。目前，广大蜂农采用的仍是传统的蜂箱进行蜜蜂养殖，在此模式下，主管部门无法准确了解管辖区域内养殖户基本情况和动态分布，缺乏有效手段监管真实生产情况。蜂农依据个人经验进行养蜂管理，无法快速方便地获取蜂箱内部环境和蜂蜜产量信息，需要开箱检测获取，工作效率低，还会干扰蜜蜂正常的繁殖和产蜜活动;而作为消费者，面对市场上五花八门的蜂蜜品牌，无法选择到货真价实的绿色蜂蜜。
1 需求分析
1.1 传统养蜂模式的痛点
（1）养蜂主管部门收集蜂农信息的效率较低，难以及时掌握蜜蜂养殖户的实际生产情况、产业分布状态等信息。因此，产业政策、技术培训和产品销售等一系列配套服务无法紧紧跟上，难以持续跟踪落地精准帮扶政策。
（2）蜂农对蜂箱内蜂群的主要生存、生产环境参数难以随时掌握，蜂群健康成长的适宜环境经常被蜂农错误地、频繁地开箱查看而打破，蜜蜂也常因受惊吓而影响产量。蜂农没有蜂箱蜂群养殖日常记录的意识，粗放式管理导致蜜蜂种群弱化、防疫能力低下;在病虫害防治、防盗等方面，更是难以百分百服务到每个蜂农。
（3）消费者对健康、安全、绿色无公害蜂产品十分喜爱，但因诚信缺失和产品溯源等原因，无法“眼见为实”地放心消费，无法便捷地从电商渠道购买到货真价实的原产蜂蜜。
1.2 客户需求分析
（1）畜牧主管部门希望通过打造“物联网+蜜蜂养殖”综合信息管理平台，依托物联网技术实现蜂箱数据采集，通过PC端和手机APP远程登录和监控蜂箱，对整个蜜蜂养殖产业链进行有效的、科学的数据化管理，制定相关指导
政策。
（2）蜂农需要及时知晓蜂箱内蜜蜂养殖环境的温湿度数据，在蜂箱内环境数据发生变化时，及时采取相关措施进行干预，减少对蜜蜂的生长影响。借助称重系统，蜂农可以了解储蜜情况，选择合适时机进行挖蜜，减少无谓开箱。
（3）消费者需要通过溯源系统，清晰地知晓自己购买蜂蜜的产地、生产商、生产时间，真正保证自己购买的蜜蜂绿色、无污染。
2 系统设计
2.1 整体解决方案
智能养蜂解决方案基于NB-IoT技术，将蜂箱内的温度、湿度、巢框重量等数据，准确实时传回物联网开放平台并进行相应数据分析，建立蜂群行为分析预判模型，为蜂农及畜牧主管单位提供智能化养殖手段和有效的决策化依据。图1为智能养蜂系统结构。
2.2 联网技术选择
窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技术是万物互联网络技术中的一个重要分支。NB-IoT网络构建于蜂窝网络，占用180 kHz的带宽，可在现有LTE网络实现低成本、快速部署。智能养蜂系统的正常推广和运营，需要有经济与技术的要求，比如：在蜂场有良好的无线网络覆盖，智能蜂箱改造需要控制改造成本，监控终端需要长时间待机，而NB-IoT技术的“广覆盖、低功耗、低成本、大连接”的技术特性，很好地满足了智能養蜂的关键需求。
2.3 蜂箱结构设计
智能蜂箱基于标准蜂箱进行研发，分为后装改造、整装定制两种类型。
（1）后装改造模式下，智能蜂箱在传统蜂箱结构基础上，增加改装结构件、称重感应器、温湿度采集器、数据采集DTU、巢框定位电阻。除去数据采集DTU固定安装在巢箱四壁外，其余设备需安装在蜂箱内部，减少对蜂箱尺寸的影响。
（2）整装定制模式下，改装结构件、各类传感器和数据采集DTU等智能化部件，作为基本单元设计、生产蜂箱整体结构，避免后期改造模式下的蜂箱整体美观问题。
2.4 蜂箱主要功能
（1）温湿度采集
正常情况下，蜂箱保持温度25～30 ℃、湿度75%RH～80%RH的状态下，可以为蜂群提供最理想的繁殖、产蜜环境。
夏季高温期间，蜂箱的温度极易超过40 ℃，如果蜂箱环境温度过高，极易引发蜜蜂死亡或患病。进入冬季后，外界温度变低，当环境温度低于0 ℃时，将难以保障蜂群安全过冬。
采用传统蜂箱，在夏季或冬季，蜂农只能在养蜂现场人工检查温度情况后，采取人工辅助降温或保温防护措施。如果异常情况发现不及时，将导致很大的蜂群损失。
采用智能蜂箱后，内置温湿度传感器将实时采集蜂箱内部温湿度，通过窄带物联网技术，将数据传输到统一管理平台和蜂农APP，实现对蜂箱温度的实时监测。平台侧根据四季变化设置不同的告警温度，当温度高于、低于标准时，即通过手机APP、短信推送进行告警。
温度传感器工作量程为-40～80 ℃，测量误差为±0.5 ℃，
分辨率（最小刻度）为0.1 ℃;湿度传感器工作量程为0～100%RH，测量误差为±5%，分辨率（最小刻度）为1%。
（2）巢框蜂蜜称重 一个蜂箱内可放置8～10个巢框，蜜蜂会在巢框上繁殖幼虫，并把采集的蜂蜜存储在巢框上。传统模式下，蜂农需要不定期地打开蜂箱，查看巢框上蜜蜂密度、蜂蜜的存储程度。无规律地开箱会惊吓蜜蜂，造成蜜蜂的误伤亡，影响产蜜的进度及质量。
智能蜂箱在巢框下方沿蜂箱边框安装金属承重条，金属承重条将重量传递至位于蜂箱四角的金属压力传感器。压力传感器将重量数据通过蜂箱数据采集DTU上传至管理平台，从而方便蜂农监测蜜蜂产蜜的进度，给主管部门提供监管数据。管理平台可以通过数据学习、策略配置，预测每个蜂箱的最佳开箱采蜜或者添加空巢框的时间，减少对蜜蜂的惊吓，维持箱体内正常的温度。
（3）蜂箱定位
在养殖的过程中，蜂农会根据花盛开的程度、次序，安排蜂箱进行转场。主管部门也需要了解蜂农的大体分布位置、鲜花的分布情况、开花的时序进度，从而进行大数据分析，对养蜂业进行指导。系统依托电信基站定位技术，获取每个蜂箱位置信息，了解蜂场分布情况，从而方便主管单位、蜂农安排采蜜计划。
3 系统应用效果
智能蜂箱数据采集终端采用IP65等级的密封工艺，保证适应蜂箱户外恶劣环境要求。运用NB-IoT技术低功耗特性，并优化智能蜂箱数据传输模型，减小数据传送量，降低终端用电功耗。经严格测试，试用期间智能养蜂系统运行稳定，电池供电模式下预计供电时长为3年，智能蜂箱产品的技术实用性得到确认。
借助改进的智能養蜂系统，蜂农能及时获知蜂箱内温湿度状况及蜜蜂采蜜进度，有效地提高了蜂农的养殖效率，降低了蜜蜂的无谓死亡率;主管部门能加强对蜜蜂养殖监管，精准制定养蜂扶植政策，切实落实养蜂扶贫的工作。
4 推广价值
（1）将信息化技术与传统蜂箱相结合，通过温湿度传感器、称重传感器采集蜂箱养殖环境信息，实现养蜂智能化。
（2）采用NB-IoT技术，优化改进现有智能养蜂系统当中的通信技术，充分发挥其覆盖广及功耗低的特性，提高产品的实用推广度。
（3）建设蜂群行为数据分析及预判模型，为蜂农养蜂提供有效的管理手段，实时了解蜂群生长情况，及时采取相关措施，保障蜜蜂养殖环境，及时开箱取蜜。
（4）汇聚相关蜂农的养殖信息、养殖规模、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，为落实精准扶贫提供有效的辅助手段，为产品溯源提供依据。
5 结 语
物联网、大数据和云计算技术的快速发展和广泛应用，使社会生产、城市管理和民众生活等方面发生了显著的变化。采用NB-IoT技术实现智能养蜂管理，为提高养蜂效率和效益提供强有力的支撑手段。
本文剖析传统养蜂业的痛点，分析养蜂产业升级需求，提出基于NB-IoT技术的智能养蜂整体解决方案，给出解决方案中的关键部件—智能蜂箱的结构及主要功能（温湿度采集、巢框蜂蜜称重和位置采集）设计。从实际应用效果看，该解决方案的技术可行性、经济可行性得到了验证。
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