: 一种用于蜂群应激监测的新型低功耗无线传感器平台设计与实地验证

《Sensors》：A Wireless Sensor Platform for Beehive Monitoring Sudipta Das Gupta, Jeffrey Erickson, Joseph Rinehart, Benjamin D. Braaten and Sulaymon Eshkabilov

本研究开发并验证了一种低成本的无线传感器网络（WSN）平台，用于实时监测蜂箱内部温度、相对湿度和CO2浓度。该平台集成了NDIR（非色散红外）技术的SCD30与SCD41传感器，通过定制印刷电路板（PCB）和Wi-Fi通信模块，实现了在夏季觅食期和冬季休眠期的实地应用。研究表明，外部扰动（如敲击）会导致蜂群应激，表现为蜂箱内温度上升超5°C、CO2浓度激增3000至超过10,000 ppm，同时相对湿度下降约10%。该系统为蜂群健康管理和可持续农业发展提供了高效、可靠的非侵入性监测方案。

　　

一种用于蜂群应激监测的新型无线传感器平台

1. 引言

蜜蜂对全球生态和农业至关重要，其授粉服务在美国年估值达150亿美元。然而，从2024年6月到2025年2月，观察到的蜂群数量下降了62%以上。这种下降对依赖授粉的作物（如杏仁、水果和蔬菜）构成了严重威胁。蜂群面临多种压力，特别是在冬季储存和运输期间。实时监测技术是主动应对挑战、促进可持续农业生产力的关键。无线传感器网络在包括养蜂业在内的许多农业环境中，越来越多地用于实时环境监测。与物联网技术相结合，无线传感器网络还提高了监测、预测和诊断能力。然而，现有的无线传感器网络技术通常成本高昂、能耗大，并且有线传感器系统可能会干扰蜜蜂的自然行为。因此，本研究旨在开发一种低成本、可靠且节能的无线传感器系统，使用SCD30与SCD41传感器监测蜂箱内部环境变量，以观察蜜蜂对外部干扰的反应。

2. 材料与方法

本研究开发了印刷电路板测量系统，并仔细考虑了物理和技术限制以及设计标准，以最小程度地干扰蜜蜂在所有季节（冬季冬眠和春夏觅食）的日常活动。

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  2.1 蜂箱评估*
  在建立测量装置之前，美国农业部农业研究局的昆虫学家团队协助评估了本研究使用的各种蜂箱模型。基于此评估，选择了两个主要关注点，重点关注蜂群活跃的区域，特别是在冬季冬眠期间。这些位置包括（i）巢框之间的空间，靠近育雏区（"框架"），以及（ii）蜂箱底部区域（"底部"）。敲击蜂箱作为一种非侵入性刺激，旨在引发蜂群可测量的行为和生理反应。使用我们最新开发的印刷电路板（第4版）中嵌入的Adafruit NDIR SCD-30和SCD41传感器测量了蜂群反应变量，如温度、相对湿度和CO₂浓度变化，以比较两种传感器的功耗效率和读数准确性。
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  2.2 印刷电路板开发*
  考虑到技术限制，实验蜂箱在两个关键位置进行了仪器安装——育雏区（"框架"）和底板（"底部"）。设计了一个多参数采集平台，用于监测蜂箱内蜜蜂产生的温度、湿度和CO₂气体浓度水平。印刷电路板的核心组件是Particle Argon^TM，这是一个强大的Wi-Fi开发套件。大多数传感器通过Particle Argon^TM上可用的行业标准SPI和I²C总线连接。该系统设计考虑了低功耗，可通过9V电池实现自持运行。

3. 无线传感器网络与模型开发

无线传感器数据采集和处理旨在监测蜜蜂对非生物胁迫源（即外部干扰）的应激水平。该系统基于微控制器平台，将数据存储在微型SD卡中，每个节点获得的测量数据通过Wi-Fi协议传输到本地服务器，然后传输到云数据库服务器。这样，养蜂人可以在不打扰蜜蜂的情况下，以非侵入方式监测和下载蜂箱内的温度、湿度和CO₂传感器数据。在开发用于蜂箱生态系统内实时环境监测的传感器系统过程中，进行了四个不同版本的印刷电路板迭代。每个版本都反映了针对养蜂研究特定要求而在功能、精度和实用性方面的逐步改进。

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  3.1 基准测试印刷电路板*
  基准测试版本的印刷电路板设计有两个Adafruit传感器——SCD30和SCD41，以比较这些传感器的性能。这个基准测试印刷电路板被部署在我们对活蜂箱的实地研究中。

整个系统架构由印刷电路板、Wi-Fi通信、云存储和数据处理组成。该系统由ARM Cortex-M4F 32位处理器64 MHz微处理器控制，与微控制器通信并启动数据收集，这些数据通过Wi-Fi转发到云系统和网络数据库。数据也写入本地存储器。Particle Argon^TM平台包括用于对粒子设备进行编程的IDE（集成开发环境）。这个IDE提供了一系列功能库，用于轻松控制不同的外围设备，如微型SD卡、RTC、UART和数字I/O。构建的印刷电路板套件安装在蜂巢框架结构和地板上的几个点。为了测量蜂箱外的环境条件，一个印刷电路板被放置在蜂箱盒的外部。

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  3.2 CO₂、温度和湿度传感器*
  使用Adafruit NDIR SCD-30传感器测量蜂箱内的CO₂、温度和湿度。该传感器因其出色的可靠性、稳定性及低功耗而被选用。温度通过带隙传感器模块测量，相对湿度通过电容传感器模块测量，两个模块都集成在此传感器——NDIR SCD-30中。CO₂使用CMOSense^?红外技术测量。传感器根据双通道CO₂浓度测量原理自动补偿长期偏差。传感器相对较小的尺寸（35 x 23 x 7 mm）最小化了所设计印刷电路板的整体尺寸。根据工厂对SCD30传感器连续测量的建议（采样间隔从2秒到1800秒），数据采集速度设置为两秒。这是将传感器信号测量并传输到智能设备的最快速限制。该传感器的精度为：CO₂浓度从400到40,000 ppm时为±30 ppm，CO₂浓度高于10,000 ppm时为±50 ppm。

Sensirion SCD41光声NDIR CO₂传感器嵌入到我们最新的印刷电路板版本中，用于监测蜂箱内的CO₂、温度和相对湿度。该传感器支持连续和单次测量模式，并提供400–5000 ppm的CO₂测量范围。典型的CO₂精度为±50 ppm，根据条件为测量值的±2.5–5.0%（最佳情况±40 ppm）。本研究中，我们以5秒的间隔对SCD41读数进行采样，以与采集栈的其余部分保持一致。

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  3.3 实验设置*
  蜂箱通常可容纳10到12个巢框，这些巢框占据了蜂箱的整个内部空间。蜂箱内部蜜蜂巢脾之间的空间非常狭窄，框间距离大约为17毫米。因此，监测设备及其分配空间的设计必须足够小，以适应蜂箱的有限尺寸。原型被安装在蜂箱的中央，那里是大多数蜜蜂集中的地方。对于在蜂箱内安装配备3D盒的印刷电路板系统，我们从蜂箱的每一侧取出了一个空巢框，并在蜂箱中央留出了足够的空间来容纳该系统。

三个带有印刷电路板主单元的活蜂箱，其中嵌入了Adafruit NDIR SCD-30传感器和Sensirion SCD41光声NDIR CO₂传感器，用于本研究的数据收集。印刷电路板在安装到蜂箱内部之前被放入3D打印的外壳中。印刷电路板的外壳被放置在有足够空间的蜂箱中央。

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  3.4 电压降分析*
  电池放电（电压降）估计值V(t)在不同数据采样率下印刷电路板运行期间的模型基于总衰减时间t_d作为时间的函数。电池放电过程分为三个区域：区域1——开始时的短暂非线性电压降；区域2——长时间的线性中期放电；区域3——电池电荷完全耗尽前的指数衰减结束。模型精度通过将V(t)与实测电压降值进行比较，在线性放电区域使用均方根误差和R²进行评估。

4. 结果与讨论

所开发系统的实验研究结果显示了所构建传感器板的适用性。对外部施加的刺激（敲击），蜂群反应显示蜂箱内温度升高超过5°C，CO₂浓度增加3000至超过10,000 ppm，同时相对湿度下降约10%。这些参数的变化反映了蜂群的应激反应和行为变化。例如，CO₂水平的升高可能反映了蜂箱通风不良、拥挤或蜂群的应激反应。温度和湿度的变化可能是由于蜜蜂集体肌肉活动和气流增加（由翅膀扇动增加或蜂群聚集反应引起）所致。观察这些参数在干扰后如何波动以及它们恢复到基线水平的速度，可以深入了解蜂群的恢复力、应激耐受性和恢复动态。长期处于应激或健康状况不佳的蜂群可能表现出恢复延迟或减弱，这可以作为整体蜂群生命力的一个有价值的指标。

本研究还对SCD30和SCD41传感器在活蜂箱中的性能特征进行了基准分析。在2024年和2025年夏季以及2025年冬季，在三个不同的蜂箱中进行的实验确保了在两种对比鲜明的环境条件下（夏季觅食和冬季冬眠）对设计印刷电路板性能的验证。测试和验证了所开发的印刷电路板在全年不同季节活蜂箱中的准确性和能耗。此外，还对所开发印刷电路板的电池放电过程进行了建模。

5. 结论

本研究成功地设计、构建并验证了一种用于蜂箱监测的新型低功耗无线传感器系统。该系统能够实时、非侵入性地监测蜂箱内部的温度、相对湿度和CO₂水平的关键变化。实验表明，该系统能够有效检测外部扰动引起的蜂群应激反应，包括温度显著升高、CO₂浓度急剧上升和相对湿度下降。所开发的系统具有低成本、高可靠性和节能的特点，克服了现有许多监测方案成本高、能效低、对蜜蜂干扰大等局限性。通过集成SCD30和SCD41传感器并进行性能比较，为传感器选择提供了依据。该系统架构支持无线数据传输和云存储，便于养蜂人和研究人员进行远程监测。电池放电模型有助于优化系统功耗和延长部署时间。这项工作为蜜蜂健康管理、应激因素研究和可持续农业实践提供了一个实用且可扩展的工具，有助于应对蜂群衰退的挑战，保障全球粮食安全和生物多样性。