蘇然/編譯

如何制作電子蜜蜂計(jì)數(shù)器

蘇然/編譯

●原來你可以測(cè)出一只蜜蜂的電容。

蜜蜂很重要：它們給數(shù)十種農(nóng)作物授粉，包括杏仁、可可和咖啡。由于蜂群衰竭失調(diào)（colony collapse disorder）現(xiàn)象，西方蜜蜂已經(jīng)受到了很多關(guān)注，不過這種特殊疾病及其類似疾病只有當(dāng)一個(gè)蜂群衰竭時(shí)才真正可測(cè)。而且無論如何，蜜蜂并不是蜜蜂科中唯一的重要授粉者。我們需要的是對(duì)蜜蜂的活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力。

過去，這樣的監(jiān)測(cè)是拿著寫字夾板的大學(xué)生的工作范圍。近來，光學(xué)傳感器允許對(duì)進(jìn)出蜂箱的蜂群進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)，但是把光學(xué)傳感器放置在堆積了花粉、泥土及蜂箱其他碎屑物的環(huán)境中，大幅降低了傳感器的有效性。如果有一種更好的監(jiān)測(cè)方法呢？

當(dāng)我們兩個(gè)人(亞德諾半導(dǎo)體公司（Analog Devices）的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師保羅·佩羅（Paul Perrault）和業(yè)余愛蜂者邁克·蒂奇曼（Mike Teachman）)一起研究之前一個(gè)與電容傳感有關(guān)的項(xiàng)目時(shí)，一個(gè)解決方案自動(dòng)顯現(xiàn)。蒂奇曼向佩羅評(píng)論道，AD7746電容—數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的靈敏度比他原來預(yù)期的要好，他好奇地問，“你認(rèn)為我們能用這個(gè)來測(cè)量蜜蜂嗎？”在其他條件相同的情況下，兩個(gè)電極之間的電容取決于它們之間介質(zhì)的介電常數(shù)，空氣的介電常數(shù)大致是1，而水的介電常數(shù)在80左右。因?yàn)榛罴?xì)胞的成分大部分是水，蜜蜂應(yīng)該具有可探測(cè)的介電特性。受到這個(gè)靈感的啟發(fā)，我們研制了一種用于測(cè)量蜜蜂的介電特性的定制傳感器。

蜜蜂感知

我們把4塊AD7746芯片用金屬導(dǎo)線連到8個(gè)石蜂巢的箔片上，以收集在蜂巢里的蜜蜂的相關(guān)數(shù)據(jù)。

我們集中精力研究石巢蜂（mason bee），它們是重要的授粉昆蟲（特別是對(duì)果樹授粉）。不像蜜蜂，石巢蜂是孤棲的類型：每只雌蜂單獨(dú)筑巢產(chǎn)卵，它們?cè)诠軤钗镏兄?，比如蘆葦或空心枝杈，而且一般是一只雌蜂在一根管狀物上筑巢。從蜂巢的后部開始，雌蜂會(huì)用一系列蜂窩填滿管狀物，在每個(gè)蜂窩中產(chǎn)一顆卵，然后用花粉和花蜜這些形式的食物把卵密封起來。

之前，加拿大愛德華王子島大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用電容傳感器測(cè)量通過蜂箱入口的蜂群。但是，我們意識(shí)到石巢蜂的筑巢偏好不僅提供了監(jiān)測(cè)蜂群進(jìn)出蜂巢的機(jī)會(huì)，同時(shí)也提供了監(jiān)測(cè)蜂群在蜂巢里面的活動(dòng)的機(jī)會(huì)。我們可以把每只蜜蜂的整個(gè)蜂巢放到一個(gè)電容傳感器里面。

我們?cè)谝桓L(zhǎng)13.5厘米、直徑1.27厘米的丙烯酸塑料管的兩邊放置了兩片寬1.27厘米的銅帶條，然后封住了塑料管的一端。我們已經(jīng)把銅條連接到了屏蔽導(dǎo)線。通過給整個(gè)塑料管而不只是入口安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，我們能測(cè)量蜂群在蜂巢中的活躍程度，并得知它們帶進(jìn)來建造蜂窩的材料的相關(guān)信息。

我們用一些木塊，把8根安裝了監(jiān)測(cè)設(shè)備的塑料管嵌在一起，并把石巢蜂繭放在木塊的頂端，以確保一旦蜂群出現(xiàn)，空蜂巢會(huì)迅速被占滿。

一個(gè)AD7746芯片能處理兩個(gè)信道，所以我們?cè)谝粋€(gè)定制分線板上安裝了4個(gè)芯片，并用I2C串行協(xié)議把分線板和一個(gè)Arduino微控制器連起來。我們用Adafruit TSL2561、MCP9808、HTU21D-F和BMP180傳感器板收集關(guān)于當(dāng)?shù)毓庹账?、溫度、濕度和壓力的信息，我們也用I2C串行協(xié)議把這些傳感器板連到了Arduino。Arduino每10秒鐘記錄數(shù)據(jù)并繼續(xù)傳輸給SD存儲(chǔ)卡，我們還用第二個(gè)具有Wi-Fi功能的Arduino把數(shù)據(jù)發(fā)送給SparkFun公司的免費(fèi)云服務(wù)器。這些電子器件的總費(fèi)用大約是200美元。

把原始的電容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為關(guān)于蜜蜂活動(dòng)的有意義信息是很大挑戰(zhàn)。對(duì)新手來說，在24小時(shí)的監(jiān)測(cè)過程中，溫度和濕度的變化會(huì)導(dǎo)致蜂巢基準(zhǔn)電容的大幅波動(dòng)。我們沒有試圖從溫度和濕度測(cè)量中分析出這些變化對(duì)基準(zhǔn)電容的準(zhǔn)確影響，只是簡(jiǎn)單堵住了8根塑料管的其中一根的入口，以防它被蜂群占據(jù)。然后，我們從其他塑料管接收的信號(hào)中，減去在空塑料管中測(cè)到的基準(zhǔn)電容變化值。我們還拍攝了塑料管的視頻，與記錄的電容數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，從而創(chuàng)建一個(gè)“學(xué)習(xí)”的數(shù)據(jù)集。這讓我們確信我們能夠正確識(shí)別蜂群進(jìn)出蜂巢。

當(dāng)蜜蜂把材料帶進(jìn)蜂巢建造蜂窩時(shí)，蜂窩的基準(zhǔn)電容會(huì)發(fā)生永久的改變。盡管我們只是剛剛開始提取數(shù)據(jù)，我們相信：不但能確定添加到每個(gè)蜂窩中的材料的體積，還能確定涉及的材料的類型（泥土、卵、花粉等等）。當(dāng)蜜蜂在塑料管中移動(dòng)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電容的波動(dòng)。把這些變化綜合起來，我們能測(cè)算出蜂群在蜂巢外待多久，返回蜂巢時(shí)有多活躍，以及這些測(cè)量值如何根據(jù)白天時(shí)間或當(dāng)?shù)仄渌麠l件的變化而變化。

通過更嚴(yán)格的分析（可能是利用機(jī)器學(xué)習(xí)來處理一年的過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集）應(yīng)該可能預(yù)測(cè)每只蜜蜂傳授多少花粉和蜂群整體健康狀況，有可能更好理解重要授粉昆蟲的動(dòng)態(tài)。在下一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)，我們計(jì)劃進(jìn)一步發(fā)展該技術(shù)，看看能否擴(kuò)展到其他種類的蜜蜂。

[資料來源：IEEE Spectrum][責(zé)任編輯：岳峰]