CN108594678A - 一种基于人工神经网络的蜂群监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工神经网络的蜂群监控系统，属于信息化蜜蜂养殖领域。所述蜂箱监控装置基于太阳能供电，自动采集蜂箱温度、湿度、声音、重量、蜜蜂出入情况以及地理方位信息等多维数据上传远程服务器。远程服务器将数据自动存储于数据库中，并调用通过标注数据训练而成的多个人工神经网络对蜂箱数据进行实时诊断。基于诊断结果，远程服务器自动下发控制指令至蜂箱监控装置，用于控制电控通道的开度和声音模块发出特定频率的声音，从而实现自动干预蜂群活动和提示人工介入的目的，最终实现监控蜂箱状态、抑制蜂群分蜂、飞逃、病虫入侵，优化蜂群生存环境的效果。

Description

一种基于人工神经网络的蜂群监控系统

技术领域

本发明属于智能蜜蜂养殖领域，具体涉及一种基于人工神经网络的蜂群监控系统。

背景技术

蜜蜂饲养是一种历史悠久的养殖业，距今已有几千历史。其目的是为了获取蜂蜜、蜂王浆、蜂胶、花粉、蜂蜡等蜂产品。由于工蜂个体的寿命很短，通常只有几十天，所以蜂群始终处于新老交替的动态平衡之中。而面对气候变化，花季交替等自然环境变化时，蜂群要通过不断调整自身结构来保持种群的繁衍。为了确保收成，蜂农需要定期打开蜂箱视察蜂群的繁育情况从而实施恰当的人工干预，如保温、增减巢脾、清理虫害等。然而，频繁的开箱会惊扰蜜蜂的正常作息和破坏蜂箱内部的微环境，从而导致减产、飞逃甚至是种群消亡，这使得蜜蜂饲养是一种任务繁重且技术含量高的工作。

发明内容

为了减少人工干预和降低作业难度，进而实现精益饲养，本发明提出了一种基于人工神经网络的蜂群监控系统。该系统包含蜂箱监控装置和远程服务器。其中，蜂箱监控装置包含控制器、太阳能电池、无线通信模块、电控通道、声音传模块、温度传感器、湿度传感器、称重传感器和出入传感器九个基本组件，以及显示模块、卫星定位模块、地磁方向模块、运动感知模块、二氧化碳传感器和氧含量传感器六个可配置组件。通过选择不同的可配置组件可以满足不同的作用要求，其结构如图1所示。其中，

控制器，设置在蜂箱上，用于采集蜂箱地理方位信息、运动信息以及所有传感器信息，并通过无线通信模块将数据传输至远程服务器，获取服务器指令对电控通道进行调节；

太阳能电池，设置在蜂箱外侧，用于给监控系统供电；

无线通信模块，设置在蜂箱上，用于上传采集数据到远程服务器，并且获取服务器指令；

电控通道，贯穿于蜂箱侧板，采用电机或电磁铁作为驱动元件，用于控制蜜蜂和其他虫害出入蜂箱以及调节蜂箱通风保温性能；

声音模块，设置于蜂箱内部，用于获取蜂群活动的声音，通过根据需要发出特定的声音用于提示用户和对蜜蜂活动实施干预；

温度传感器，设置在蜂箱内部，用于获取蜂箱内部温度；

湿度传感器，设置在蜂箱内部，用于获取蜂箱内部湿度；

称重传感器，设置于蜂箱内部，用于测量巢脾的重量；

出入感应器，设置于蜂箱出口处，采用电-磁场感应原理，用于获取蜜蜂的出入次数；

显示模块，设置在蜂箱外侧，用于显示系统的状态信息以及传感器信息；

卫星定位模块，设置在蜂箱上，用于获取蜂箱所在的地理位置；

地磁方向模块，设置于蜂箱上，用于获取蜂箱放置的方位角度；

运动感知模块，设置于蜂箱上，用于获取蜂箱运动状态；

二氧化碳传感器，设置于蜂箱内部，用于获取蜂箱内部的二氧化碳浓度；

氧含量传感器，设置于蜂箱内部，用于获取蜂箱内部的氧含量。

远程服务器的程序框架如图2所示，其包含数据库和基于人工神经网络的训练程序和多个诊断程序。其中，

数据库，用于存储蜂箱监控装置上传的实时数据；

训练程序，通过选取不同的训练数据，建立数据与标定状态之间的关联，提取标定状态的特征和阈值，从而获得一个可以区分状态的人工神经网络；

诊断程序，通过训练获得的人工神经网络对上传的数据进行实施监控，并形成诊断结果下发控制指令。

本发明的优点是：

(1)采用太阳能电池独立供电，能够灵活的部署蜂箱。

(2)采用传感器获取多种信息，能够有效的提高蜂群的状态识别准确率，减少不必要的人工干预。

(3)具备无线通信功能，可以将本地数据上传到远程服务器，并获取服务器指令，便于实现规模化监控。

(4)采用电控通道能够根据传感器信息和服务器指令，智能的控制通道敞开程度，用于抑制分蜂、飞逃、虫害入侵和疾病传播。

(5)采用声音模块能够获取蜂群活动的声音的同时根据需要发出特定的声音对蜜蜂活动实施干预，因此能够建立监控系统与蜂群之间的信息交互；

(6)将称重传感器设置于蜂箱内部，用于直接测量巢脾的重量，能够更精确的了解蜂蜜的重量变化。

(7)采用电-磁场感应原理的出入感应器，能够获取蜜蜂外出的活动情况。

(8)通过选择不同的可配置组件，能够灵活的满足不同作业要求。

(9)采用人工神经网络对蜂箱状态进行诊断，诊断精度能够随数据量的增大而不断提升。

附图说明

图1是本发明的蜂箱监控装置功能框图；

图2是本发明的远程服务器功能框图；

图3是本发明的实施例示意图，其中1表示蜂箱箱体，2表示巢脾，3表示称重传感器，4表示太阳能电池、5表示电控通道、6表示系统主体组件；

图4是本发明的工作流程图；

图5是本发明的诊断网络框架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明。本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

如图3所示，基于太阳能的蜂箱监控装置包含称重传感器3、太阳能电池4、电控通道5、系统主体6。其中，系统主体6包含上诉控制器、无线通信模块、声音模块、温度传感器、湿度传感器和出入传感器六个基本组件，以及显示模块、卫星定位模块、地磁方向模块、运动感知模块、二氧化碳传感器和氧含量传感器六个可配置组件。

其中，太阳能电池4安装在侧板上，将太阳能转化为电能供给监控系统；称重传感器3安装在侧板上，起到支撑巢脾的作用，同时能够测量巢脾的重量，便于更直接的获取蜂蜜增长情况，减少由于温湿度导致蜂箱质量变化所引入的干扰；电控通道5和系统主体6贯穿与箱体侧板，从而构成蜂箱的出入口，可以根据需要自动调节通道的开度。出入传感器设置在电控通道5中，基于电-磁场感应原理，当蜜蜂进出通道时会触发传感器记录进出次数，以便了解蜂群的规模以及活动情况。声音模块设置在系统主体6中，不仅能采集蜂群的声音同时能够发出多种声音，相关研究表明蜜蜂的触角和后腿具有振动感受其，特定频率的声音能够有效的干预蜜蜂的活动，如600Hz左右的声音能够有效的暂停蜜蜂当前的活动，因此声音模块能够对蜂群的活动进行有效干预。

本发明提及的监控系统的工作流程图，如图4所示。控制器定时依次采集蜂箱的声音、温度、湿度、蜜蜂进出的次数和巢脾的重量，并获取蜂箱的方位和运动信息，将这些数据显示于显示模块上并上传至远程服务器，同时获取服务器指令，再根据服务器指令控制电控通道5的开度和系统主体6中的声音模块发出特定声音。相应地，服务器接收到数据后将数据储存于服务器的数据库中，将当前数据输入一个已经训练好的多层人工神经网络进行诊断，如图5所示，输出的结果为各种人工定义的状态的可能概率，将依据最大概率状态下发控制指令实施干预。为了获得一个可用的诊断网络，需要对数据进行人工分析。首先，将观察到的蜂群状态或事件对当前数据进行标注。其次，将带有标注作为正例和将无标注的数据作为反例对网络进行训练，使得诊断网络能够依据数据区分正例和反例，即诊断网络识别了标注状态的特征，并且确定了区分状态阈值，因此将新数据输入诊断网络时，能够进行诊断。最后将训练好的网络参数更新服务器中的诊断网络，由此就形成了一个完整的监控系统。

结合蜂群分蜂过程对监控系统的操作进行介绍，分蜂发生早期，少量侦查蜂外出寻找适合的巢穴，当找到巢穴的侦查蜂回到蜂箱中通过摇摆舞将新巢的位置告诉其他工蜂，随后部分获得信息的工蜂外出考察巢穴并回到蜂群中进一步散播新巢的位置，由于摇摆舞的强度与巢穴适合程度正相关，因此如此反复经过1个小时左右会形成一个统一且最优的结果。这时蜜蜂会吸食大量蜂蜜，通过扇动翅膀加热身体，在巢穴附件的高低集结，等待蜂王出巢后一起飞向新巢穴。显然，分蜂的过程，会在本系统采集的数据中体现，首先是分蜂早期会有一定量蜜蜂出入，但是巢脾的质量并无明显变化。随着分蜂的发展，出入次数大量增加，由于决策使得蜂箱内部的噪音也大幅增加，特别是跟摇摆舞相关的频率幅值显著增大。当分蜂实质发生时，由于蜜蜂吸食蜂蜜和加热身体会导致巢脾的质量减轻和蜂箱内部的温度升高，并且分蜂短时间大量外出。依据这些显著的数据特征，本发明提及的诊断网络能够基于若干次分蜂的数据，找到分蜂与正常状态之间的阈值，从而能够有效的识别分蜂状态，从而下发关闭通过的指令，控制器接收到指令后执行相应操作从而阻止蜜蜂分蜂。

蜂群的状态识别根本上是从数据中提取状态的特征并找到适合的阈值，从而将该状态区分与其他状态。本发明提出一种监控系统用于蜜蜂的饲养，依据如上事例的相同操作，可以对蜜蜂飞逃、失王、病虫入侵、过冷/过热等多种状态进行识别，最终实现对蜂群的有效干预。例如，当蜂群有分蜂或飞逃迹象时，控制器立即关闭电控通道，起到防止分蜂和飞逃的作用；当虫害或疫情爆发时，通过远程服务器结合地理分布信息统一规划各蜂箱电控通道5的状态，例如以受感染蜂箱为中心3公里以内的正常蜂箱与受感染蜂箱分时打开电控通道，从而实现虫害或疫情的控制和避免大规模的传播；当蜂群过冷或过热时，可以对蜂箱的覆盖物进行相应的增减，起到优化蜂群内部温度的作用；当蜂群处于特定的状态时，控制器可以控制声音模块发出特定声音对蜂群施加干预。

此外，可配置组件可以根据实际需求进行选配。例如，增加显示模块可以便于现场观察和操作；增加卫星定位模块和地磁方向模块，可以便于将实时的追踪部署在移动载具上的蜂箱的位置和姿态；增加运动感知模块可以实时监测蜂箱的运动，可以实现防盗报警；增加二氧化碳传感器和氧含量传感器，可以用于精确干预培育蜂王和繁殖蜂群过程。

Claims (8)

1.一种基于太阳能的蜂群监控系统。该系统包含控制器、太阳能电池、无线通信模块、电控通道、声音传模块、温度传感器、湿度传感器、称重传感器和出入传感器九个基本组件，以及显示模块、卫星定位模块、地磁方向模块、运动感知模块、二氧化碳传感器和氧含量传感器六个可配置组件。通过选择不同的可配置组件可以满足不同的作用要求，其结构如图1所示。其中，

控制器，设置在蜂箱上，用于采集蜂箱地理方位信息、运动信息以及所有传感器信息，并通过无线通信模块将数据传输至远程服务器，获取服务器指令对电控通道进行调节；

太阳能电池，设置在蜂箱外侧，用于给监控系统供电；

无线通信模块，设置在蜂箱上，用于上传采集数据到远程服务器，并且获取服务器指令；

电控通道，贯穿于蜂箱侧板，采用电机或电磁铁作为驱动元件，用于控制蜜蜂和其他虫害出入蜂箱以及调节蜂箱通风保温性能；

声音模块，设置于蜂箱内部，用于获取蜂群活动的声音，同时根据需要可以发出特定的声音用于提示用户和对蜜蜂活动实施干预；

温度传感器，设置在蜂箱内部，用于获取蜂箱内部温度；

湿度传感器，设置在蜂箱内部，用于获取蜂箱内部湿度；

称重传感器，设置于蜂箱内部，用于测量巢脾的重量；

出入感应器，设置于蜂箱出口处，采用电场或磁场感应原理，用于获取蜜蜂的出入次数；

显示模块，设置在蜂箱外侧，用于显示系统的状态信息以及传感器信息；

卫星定位模块，设置在蜂箱上，用于获取蜂箱所在的地理位置；

地磁方向模块，设置于蜂箱上，用于获取蜂箱放置的方位角度；

运动感知模块，设置于蜂箱上，用于获取蜂箱运动状态；

二氧化碳传感器，设置于蜂箱内部，用于获取蜂箱内部的二氧化碳浓度；

氧含量传感器，设置于蜂箱内部，用于获取蜂箱内部的氧含量。

2.根据权利要求1所述的蜂群监控系统，其特征在于系统采用太阳能供电，并且太阳能电池可根据需要位于蜂箱的四个侧板中的一个或多个。

3.根据权利要求1所述的蜂群监控系统，其特征在于无线通信模块能够实时的上传蜂箱数据，同时获取服务器指令，实现与远程服务器的双向通讯。

4.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于所述的电控通道采用电机或电磁铁作为驱动元件，并贯穿于蜂箱侧板，构成蜂箱出入口。控制器可以依据采集的传感器数据和服务器指令智能的控制通道敞开程度，用于抑制分蜂、飞逃、虫害入侵和疾病传播。

5.根据权利要求1所述的蜂群监控系统，其特征在于所示声音模块能够采集蜂群活动的声音，同时也能够根据需要发出特定的声音用于提示用户和对蜜蜂活动实施干预。

6.根据权利要求1所述的蜂群监控系统，其特征在于所述的称重传感器设置于蜂箱内部，起到支撑巢脾的作用，从而能够直接测量巢脾重量。

7.根据权利要求1所述的蜂群监控系统，其特征在于所述的出入感应器设置于蜂箱出口处，采用电场或磁场感应原理对蜜蜂的出入进行检测，数据用于分析种群状态和发展趋势。

8.根据权利要求1所述的蜂群监控系统，其特征在于具有显示模块、卫星定位模块、地磁方向模块、运动感知模块、二氧化碳传感器和氧含量传感器六个可配置组件，通过配置不同的组件，满足不同的场景需求，如实时追踪、防盗、培育蜂王和繁殖种群等。