Последние несколько лет термин «Интернет вещей» (Internet of Things, IoT) набирает популярность. Технология рассматривается как один из двигателей прогресса и развития экономики в ближайшие годы. Казалось бы, сам термин IoT зародился аж в 1999 г. С чего вдруг такой ажиотаж спустя 20 лет?
Секрет в том, что в последние годы стоимость развертывания отдельных компонентов IoT существенно снизилась. Буквально несколько лет назад внедрить эти технологии было весьма затратно и позволить такие капиталовложения могли далеко не все компании. При этом окупаемость неоднозначная. Сейчас-же решения стали доступнее и переходят из разряда экзотики во вполне обычный рабочий инструмент.
Умные улья (smart hive)
Осенью 2018 году, когда гостил у друзей в Болгарии, наблюдал интересный способ организации пасек.
Интересен выбор места размещения ульев и организация пасеки. В лесу, без какой-либо ограды или охраны на прочном металлическом каркасе размещаются аккуратные типовые улья. Для сравнения обычная пасека в Болгарии выглядит вполне привычно.
На тот момент не ухватил идеи размещения ульев на металлическом каркасе. Да, добротно сделано, эстетично, красиво, но, казалось-бы, ничего выдающегося.
Спустя некоторое время в другом месте увидел грузовик с краном-погрузчиком к которому был прицеплен этот стальной каркас с ульями, но уже установленный на колесное шасси. Все встало на свои места. Дело было в сентябре. Вероятно, ульи перевозили на зимовку, а ближе к сезону их опять вывезут «в поля».
Посмотрел по организации пасек в Европе/США и наткнулся на интересные наработки в области Интернета вещей (IoT), используемые пасечниками для упрощения содержания колоний пчел. Поскольку больше 20 лет занимаюсь вопросами автоматизации, организация наблюдения за пчелами — интересное направление.
Экологи обеспокоены резким падением численности пчел начавшимся с 2006 года. Явление CCD (Синдром разрушения колоний) приводит к распаду миллионов пчелиных семей, при этом причина до сих пор не установлена.
Пчеловоды вкупе с учеными и общественными организациями зарубежом используют инновационные технологии, чтобы понять в чем причина гибели колоний пчел и снизить риски возникновения подобных проблем.
Измерение массы улья
Что-же предлагают компании и энтузиасты пчеловодам? Самый распространенный и сложный инструмент — весы для онлайн взвешивания улья. Он устанавливается на них и система позволяет ежедневно отслеживать динамику изменения его массы. В Интернете есть чертежи с подробным описанием, как сделать такие «пчелиные» весы.
Чаще всего используются недорогие тензодатчики. В Китае они стоят около доллара за штуку. Их можно купить вместе с недорогим высокоточным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для снятия данных недорогими микроконтроллерами серии ESP8266/ESP32. Я предпочитаю использовать ESP8266 в таком форм-факторе.Тензодатчики с АЦП можно извлечь из обычных бытовых весов.
Стоимость микроконтроллеров используемых в таких проектах колеблется от 1 до 5 долларов США. Выбор типа определяется размером пасеки и количеством датчиков, которыми «обвешивается» каждый улей.
У тензодатчиков есть большой недостаток — они не рассчитаны на постоянную (статическую) нагрузку в виде улья массой в сто с лишним килограмм. Обычно весы измеряют массу доволно короткое время, после чего нагрузка с них снимается. Да и окружающая среда сказывается на точности измерений. Такие весы нужно периодически калибровать, вводя поправочные коэффициенты.
Точность измерений такими весами может быть вполне приемлема для задач пасечника и калибровку можно производить, например, два раза в год перед и после сезона. Учитывая низкую стоимость тензодатчиков — это хороший вариант для онлайн измерения массы ульев.
Проект OpenHiveScale решил проблему снижения точности с течением времени, разработав довольно сложные рычажные весы особой конструкции. Они могут производить онлайн взвешивание улья без существенного ухудшения точности измерений. Однако конструкция непростая и стоимость оснащения такими весами всех ульев в пасеке может оказаться высокой. Все чертежи есть в открытом доступе, так что можно воссоздать конструкцию самостоятельно.
Температура и влажность в улье
Замеры температуры внутри улья важны для прогнозирования заболеваний колонии. Некоторые пасечники добавляли в улей плоские нагревательные элементы, чтобы локально приподнимать температуру в улье.
Для пчел такие изменения температуры опасны при темературе в 50°С, но снижают численность клеща варроа, поражающего колонию. Полная гибель клещей происходит при температуре 47°С за 13-14 минут. Поскольку разница в температурах очень небольшая, пасечнику реализующему такой способ обеззораживания улья нужно быть предельно осторожным.
Термоэлементы грамотно размещенные в улье вкупе с термодатчиками и микроконтроллером позволяют точно регулировать темперауру в улье, подбирая условия для обеззараживания пчел.
Онлайн замеры температуры и влажности реализуются несложно и недорого. Водонепроницаемые датчики температуры работающие по интерфейсу 1-Wire дешевы. Их цена в районе доллара. При оптовых закупках снижается.
Датчики влажности, зачастую, содержат в одном корпусе и датчики температуры. К сожалению, они негерметичны, поэтому пасечники используют различные хитрые способы их размещения, чтобы пчелы не залепили отверстия датчика влажности воском. Такой комбо датчик стоит в районе полутора-двух долларов.
«Турникет» для пчел
В некоторых проектах пчеловодов в леток для пчел монтируется линейка крошечных датчиков, реагирующих на прерывание светового потока. По такому-же принципу работает турникет в метро. Леток делается не сплошным, а с перегородками, так чтобы по образовавшемуся тоннелю могла перемещаться только одна пчел. Такой подход позволяет минимизировать ошибку в работе счетчика.
На каждый такой проход друг за другом ставится два датчика, чтобы отслеживать направление движения пчелы: из улья или в улей. Пасечник с достаточно высокой точностью будет знать сколько пчел находится в улье в любой момент времени, сколько покинуло и все-ли вернулись на ночевку. 🙂
Возможно, эта информация покажется кому-то лишней, но один из основных принципеов работы Интернета вещей — информация накапливается на «облачных» серверах и в дальнейшем обрабатывается различными алгоритмами, чтобы выявить закономерности, которые не удается найти обычным наблюдением или это может занять очень много времени.
Чем больше данных из разных источников, тем больше вероятность нахождения скрытых закономерностей в поведении колонии.
Погода
Погодные условия влияют на жизнедеятельность пчел, поэтому данные о погоде нельзя игнорировать.
Для полного анализа и выявления скрытых закономерностей в поведении колонии пчел добавляют датчики, снимающие показания окружающей среды в месте установки ульев: температура, влажность, давление, датчик дождя, скорость и направление ветра, вибродатчики в сейсмоопасных регионах и пр.
Каждый такой датчик стоит от полудоллара до трех долларов при приобретении напрямую в Китае. Достаточно одного комплекта сенсоров на пасеку.
Естественно, можно не снимать показания с датчиков, а использовать информацию с серверов прогноза погоды, но локальные устройства обеспечат аналитика-пасечника более точными данными о пчелином окружении по месту их жительства.
Безопасность пчел
Если каждый улей дополнить вибродатчиком — его показания можно использовать не только для замера землетрясений, но и для отслеживания злонамеренных действий. Как только злоумышленник начнет перемещать улей, вибродатчик среагирует на такую активность. Вкупе с камерой реагирующей на движение это добавит безопасности пасеке.
Если камера запитывается от аккумулятора, имеет смысл её активировать сигналом от вибродатчика, либо от датчика движения. Энергопотребление таких сенсоров будет значительно ниже, чем постоянная работа камеры и распознавание ею движения, соответсвенно, заряда батареи хватит на больший срок.
Передача телеметрии
Снимать данные и хранить бессмысленно, если нельзя их оперативно анализировать. Поскольку тема Интернета вещей очень популярна на Западе, появилось немало «облачных» серверов, которые позволяют собирать данные и анализировать их статистическими методами, либо с использованием нейронных сетей, часто называемых искусственным интеллектом.
Пасечнику не нужно придумывать где хранить данные, развертывать сервера для сбора информации и придумывать как анализировать данные. Хранение данных на серверах, располагающихся где-то в Интернет, нередко бесплатно для поставщиков данных с датчиков, если период передачи достаточно большой.
Например, проект ThingSpeak от компании MathWorks, разработчика популярного пакета MatLab для работы с данными, предоставляет место на своих «облачных» серверах бесплатно, если интервал передачи данных больше определенной величины, например, не чаще, чем раз в пять минут . В случае с данными с ульев в этот лимит уложится несложно- нет смысла передавать информацию часто.
Инструменты анализа данных постоянно совершенствуется компаниями и энтузиастами, упрощая работу с ними. Они становятся более дружелюбным для людей, не обладающих глубокими познаниями в области математических методов анализа данных.
В Интернет немало специализированных проектов, созданных пасечниками или для пасечников. В них аккумулируются данные передаваемые с ульев по всему миру и позволяющие сравнивать поведение пчел в разных уголках планеты. Накопление таких данных способствует более полному изучению жизни пчел, в том числе, чтобы понять, почему так выросла смертность насекомых и что делать.
Для оперативного принятия решений данные передаются в «облако» хотя-бы раз в сутки. Для наблюдения за более критичными параметрами, например, температурой в улье, интервал передачи данных может составлять несколько минут. В «облаке» данные анализируются алгоритмами и в случае критических ситуаций, например, когда температура выше или ниже определенного уровня, пасечник получает на мобильный телефон уведомление с информацией в каком улье возникла нетипичная ситуация.
В местах, где размещается пасека, в лучшем случае, есть мобильная связь. Так что для передачи данных обычно используют GSM. Благо, покрытие становится лучше, а выносная антенна позволяет передавать данные даже в местах, где уровнь сигнала низкий.
Когда ульев много, применяют различные способы переадчи данных, чтобы не комплектовать SIM картами каждый улей. Между ульями данные передаются по кабелю, что позволяет экономить на микроконтроллерах и сокращать стоимость обслуживания, поскольку нужно заряжать лишь одну батарею.
Мощная батарея может запитывать микроконтроллер, потребляющий очень мало электроэнергии, в течении нескольких месяцев.
Если улья находятся друг от друга на значительном расстоянии, данные между ульями могут передаваься по Wi-Fi, чтобы не протягивать кабель, а затем центральное устройство передает их в «облако» по каналу GSM. Но такой подход значительно увеличивает стоимость развертывания системы.
Полезные ссылки по IoT для пчеловодства
- http://io-bee.eu/ — «железо» и облачное решение для контроля за пчелами.
- https://www.arnia.co.uk/how-it-works/ — британский проект по контролю за пчелами.
- https://www.hackster.io/sgoutteb/beehive-monitoring-and-tracking-c1339e — DIY проект по контролю за температурой, влажностью и массой улья.
- https://www.extension.org/2017/08/30/building-a-smart-beehive/ — DIY проект по созданию smart hive (умного улья).
- Honey Beehive Monitoring project — проект по мониторингу жизни пчел от группы пчеловодов из Snowdonia, North Wales (UK).
- https://makezine.com/projects/bees-sensors-monitor-hive-health/ — качественно описанный проект DIY по построению умного улья. Данные с датчиков поступало в облако sparkfun, но, похоже, они закрыли свой облачный проект. Данные более недоступны.
- https://www.biredskapsfabriken.se/en/index.php — Шведская компания-производитель пластиковых ульев и различных аксессуаров для пасечников. На рынке несколько десятков лет. Их улья использовались в предыдущем проекте.
- Wi-Fi Hive Scale — весы для взвешивания ульев и передачи данных по Wi-Fi.
- https://steemit.com/technology/@apismellifera/arduino-project-remote-beehive-scale-with-gsm-connection-1 — DIY проект на Arduino по построению удаленного мониторинга состояния пчел.
- https://www.instructables.com/id/Beehive-Connected/ — DIY проект по мониторингу улья.
- The Hiveeyes Project — OpenSource проект немецких пчеловодов по мониторингу жизнедеятельности их пасек. Огромный объем информации. Ссылки на аналогичные DIY проекты по мониторингу жизнедеятельности пчел.
- http://www.openhivescale.org/ — интересный OpenSource проект рычажных весов для взвешивания улья. Это вариант весов должен обеспечивать высокую точность измерений и устранение «ухода» точности, поскольку тензодатчики при постоянной нагрузке массы улья требуют регулярной калибровки. Они не рассчитаны на постоянную нагрузку.
- Broodminder — американский производитель оборудования для мониторинга состояния улья. В частности, широко распространенных весов.
- http://www.microel.hr/products/gprs-sms-beehive-scale-xlog-bee#download — ещё один производитель весов и систем передачи данных для ульев.
- https://www.instructables.com/id/Honey-Bee-Counter-II/ — «турникет» для пчел.
- https://www.instructables.com/id/Honey-Bee-Counter/ — «турникет» для пчел.
- Многоканальный датчик движения для «турникета» для пчел.
- Библиотека для работы с «турникетом» для пчел.
- АЦП HX711 от 3.3V — не верьте китайской документации и не только.
1 Responses to Пчелы под присмотром IoT