如何制作电子蜜蜂计数器

苏然/编译

如何制作电子蜜蜂计数器

苏然/编译

●原来你可以测出一只蜜蜂的电容。

蜜蜂很重要：它们给数十种农作物授粉，包括杏仁、可可和咖啡。由于蜂群衰竭失调（colony collapse disorder）现象，西方蜜蜂已经受到了很多关注，不过这种特殊疾病及其类似疾病只有当一个蜂群衰竭时才真正可测。而且无论如何，蜜蜂并不是蜜蜂科中唯一的重要授粉者。我们需要的是对蜜蜂的活动进行实时监测的能力。

过去，这样的监测是拿着写字夹板的大学生的工作范围。近来，光学传感器允许对进出蜂箱的蜂群进行自动探测，但是把光学传感器放置在堆积了花粉、泥土及蜂箱其他碎屑物的环境中，大幅降低了传感器的有效性。如果有一种更好的监测方法呢？

当我们两个人(亚德诺半导体公司（Analog Devices）的现场应用工程师保罗·佩罗（Paul Perrault）和业余爱蜂者迈克·蒂奇曼（Mike Teachman）)一起研究之前一个与电容传感有关的项目时，一个解决方案自动显现。蒂奇曼向佩罗评论道，AD7746电容—数字转换芯片的灵敏度比他原来预期的要好，他好奇地问，“你认为我们能用这个来测量蜜蜂吗？”在其他条件相同的情况下，两个电极之间的电容取决于它们之间介质的介电常数，空气的介电常数大致是1，而水的介电常数在80左右。因为活细胞的成分大部分是水，蜜蜂应该具有可探测的介电特性。受到这个灵感的启发，我们研制了一种用于测量蜜蜂的介电特性的定制传感器。

蜜蜂感知

我们把4块AD7746芯片用金属导线连到8个石蜂巢的箔片上，以收集在蜂巢里的蜜蜂的相关数据。

我们集中精力研究石巢蜂（mason bee），它们是重要的授粉昆虫（特别是对果树授粉）。不像蜜蜂，石巢蜂是孤栖的类型：每只雌蜂单独筑巢产卵，它们在管状物中筑巢，比如芦苇或空心枝杈，而且一般是一只雌蜂在一根管状物上筑巢。从蜂巢的后部开始，雌蜂会用一系列蜂窝填满管状物，在每个蜂窝中产一颗卵，然后用花粉和花蜜这些形式的食物把卵密封起来。

之前，加拿大爱德华王子岛大学的一个研究团队利用电容传感器测量通过蜂箱入口的蜂群。但是，我们意识到石巢蜂的筑巢偏好不仅提供了监测蜂群进出蜂巢的机会，同时也提供了监测蜂群在蜂巢里面的活动的机会。我们可以把每只蜜蜂的整个蜂巢放到一个电容传感器里面。

我们在一根长13.5厘米、直径1.27厘米的丙烯酸塑料管的两边放置了两片宽1.27厘米的铜带条，然后封住了塑料管的一端。我们已经把铜条连接到了屏蔽导线。通过给整个塑料管而不只是入口安装监测设备，我们能测量蜂群在蜂巢中的活跃程度，并得知它们带进来建造蜂窝的材料的相关信息。

我们用一些木块，把8根安装了监测设备的塑料管嵌在一起，并把石巢蜂茧放在木块的顶端，以确保一旦蜂群出现，空蜂巢会迅速被占满。

一个AD7746芯片能处理两个信道，所以我们在一个定制分线板上安装了4个芯片，并用I2C串行协议把分线板和一个Arduino微控制器连起来。我们用Adafruit TSL2561、MCP9808、HTU21D-F和BMP180传感器板收集关于当地光照水平、温度、湿度和压力的信息，我们也用I2C串行协议把这些传感器板连到了Arduino。Arduino每10秒钟记录数据并继续传输给SD存储卡，我们还用第二个具有Wi-Fi功能的Arduino把数据发送给SparkFun公司的免费云服务器。这些电子器件的总费用大约是200美元。

把原始的电容数据转换为关于蜜蜂活动的有意义信息是很大挑战。对新手来说，在24小时的监测过程中，温度和湿度的变化会导致蜂巢基准电容的大幅波动。我们没有试图从温度和湿度测量中分析出这些变化对基准电容的准确影响，只是简单堵住了8根塑料管的其中一根的入口，以防它被蜂群占据。然后，我们从其他塑料管接收的信号中，减去在空塑料管中测到的基准电容变化值。我们还拍摄了塑料管的视频，与记录的电容数据进行时间对准，从而创建一个“学习”的数据集。这让我们确信我们能够正确识别蜂群进出蜂巢。

当蜜蜂把材料带进蜂巢建造蜂窝时，蜂窝的基准电容会发生永久的改变。尽管我们只是刚刚开始提取数据，我们相信：不但能确定添加到每个蜂窝中的材料的体积，还能确定涉及的材料的类型（泥土、卵、花粉等等）。当蜜蜂在塑料管中移动时，也会产生电容的波动。把这些变化综合起来，我们能测算出蜂群在蜂巢外待多久，返回蜂巢时有多活跃，以及这些测量值如何根据白天时间或当地其他条件的变化而变化。

通过更严格的分析（可能是利用机器学习来处理一年的过程中产生的数据集）应该可能预测每只蜜蜂传授多少花粉和蜂群整体健康状况，有可能更好理解重要授粉昆虫的动态。在下一个生长季节，我们计划进一步发展该技术，看看能否扩展到其他种类的蜜蜂。

[资料来源：IEEE Spectrum][责任编辑：岳峰]