一种基于分类模型的蜂箱远程监控系统及智能蜂箱的制作方法

本发明涉及养蜂设备技术领域，具体地说，涉及一种基于物联网技术与机器学习的蜂箱远程监控系统及用于构建该远程监控系统的智能蜂箱。

背景技术：

蜂箱作为养蜂过程中供蜜蜂繁衍生息的处所，是养蜂的最基本工具，其常见结构如公告号为cn206433579u等的专利文献所公开的结构，包括围成长方体结构的箱壳体及置于该箱壳体内的巢框，巢框用于支撑、固定和保护巢脾；由于箱壳体通常采用木板等不透明材料进行构建，若要观察箱内蜜蜂的活动情况，通常需要打开箱盖。此外，为了避免蜂箱淋雨而影响蜜蜂的正常活动，通常会在蜂箱上设置坡面状的遮雨盖，例如公告号为cn305599969s等的专利文献所公开的蜂箱结构。

通过对蜂箱的结构进行改进，能为蜜蜂酿蜜的过程提供较大的方便，但为了便于蜜蜂就近采蜜与减少人类活动对蜜蜂生活的影响，通常会将蜂箱集中地放置于远离人类生活的野外区域；导致在养蜂过程中，通常需要相关人员进行常规性的巡视，例如观察工蜂、雄蜂等不同蜜蜂种类分布情况，酿蜜进度，及蜂箱摆放位置是否正常等，导致所需人工工作量较大，且在出现台风、暴雨等异常天气时，会对工作人员造成危险。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种蜂箱远程监控系统，以基于物联网技术而便于对蜂箱及蜜蜂的状态进行远程监控，而能减少人工工作量的同时，及降低工作人员的危险系数；

本发明的另一目的是提供一种可用于构建上述蜂箱远程监控系统的智能蜂箱。

为了实现上述主要目的，本发明提供的蜂箱远程监控系统包括多个布设在野外的智能蜂箱，与智能蜂箱无线通信连接的远程服务器，及与远程服务器无线通信连接的移动终端；智能蜂箱包括防淋箱体及置于防淋箱体的容纳腔内的多个并排布置的巢框；容纳腔被沿竖向布置的透明隔板分隔成用于置放巢框的酿蜜腔室，及用于安装监控装置的监控腔室；监控装置包括控制单元、红外摄像头、行走机构、供电电池及无线通信模块；行走机构受控制单元控制而驱使红外摄像头做二维平面移动，以获取酿蜜腔室的场景图像，二维平面移动平行于透明隔板；无线通信模块为移动通信模块；防淋箱体的底板通过四个角部支脚而悬空地支撑在地板面上，在角部支脚与防淋箱体之间垫设有压力传感器，压力传感器向控制单元输出压力检测信号；控制单元按照预设时间点开启无线通信模块，以向远程服务器发送当前监测阶段内的监控数据，监控数据包括由红外摄像头所采集到的蜜蜂图像，及压力传感器的压力检测数据；控制单元依据压力检测数据，比较预定时长前后的总压力值的变化值，总压力值为四个压力传感器的检测数值之和；若变化值大于预设阈值，则开启无线通信模块，以向远程服务器发送当前异常监测阶段内的异常压力检测数据；当前异常监测阶段为上次发送压力数据的时间点至出现异常数据时间点之间的期间；远程服务器在接收到监控数据后，基于预先训练好的种类分类模型，从蜜蜂图像中获取蜜蜂种类及同一帧图像内不同种类蜜蜂的数量；及基于正常阶段压力检测数据计算四个压力值之和的变化数据，作为酿蜜速度数据；并通过无线通信线路将蜜蜂种类数据与酿蜜数据发送至移动终端；远程服务器在接收到异常压力检测数据后，基于预先训练好的异常分类模型识别出当前的异常情况结果，并通过无线通信线路将异常压力检测数据的统计数据与所识别出的异常情况结果发送至移动终端。

在上述技术方案中，利用红外摄像头采集蜜蜂活动图像信息与采用利用布设四个角部支脚上的压力传感器采集当前箱体的重量变化及四个角部支脚的压力变化情况，从而利用机器学习模型识别出蜜蜂种类、酿蜜进度与箱体是否出现异常情况等，从而能很好的对蜂箱进行远程监控。此外，可以通过对无线通信电源的管控，在确保正常监控的情况下，尽量地节约能源。

具体的方案为按公式f0＝a×k×t计算预设阈值；其中，a为历史统计倍率，其数值大于1；t为预定时长；k当前时间点之前预设时间段内的总压力值的平均变化率。有效利用邻近的历史统计数据预估当前变化阈值，更贴合实际情况，例如蜜蜂损耗与采蜜的季节性问题。

优选的方案为压力传感器为压电传感器；角部支脚包括用于支撑在地面上的底支撑套筒，及可滑动地套装在底支撑套筒内的外连杆；在外连杆的下端面与支撑套筒的底面之间垫设有压电传感器；外连杆与防淋箱体的底板面固连。压力传感器的布置结构简单，且便于安装固定。

优选的方案为防淋箱体在位于酿蜜腔室的顶侧板部上布设有两个间距布置的连通口，及用于择一地启闭一个连通口的启闭阀板；在顶侧板部的上方布设有两个顶侧箱体，在顶侧箱体内布设有多个巢框；顶侧箱体可拆卸地安装在防淋箱体上，且对应地通过一个连通口与酿蜜腔室连通；在防淋箱体上位于酿蜜腔室背离监控腔室一侧的箱侧壁板上设有沿横向布置的滑槽，启闭阀板通过固设在连通口下方侧的横向滑轨而可滑动地安装在防淋箱体上，在启闭阀板上固设有一个通过滑槽而伸出酿蜜腔室外的拨动把柄。可以在顶侧箱体内蜂蜜酿满时，利用启闭阀板关闭连通孔，以进行取蜜，降低风险。

优选的方案为监控装置包括蓝牙通信模块及布设在防淋箱体外的霍尔传感器，霍尔传感器向控制单元输出磁监测信号；在防淋箱体上用线条悬挂有永磁铁块；在霍尔传感器的监测信号显示有磁铁接触霍尔传感器时，开启无线通信模块发送询问信息，并在接收到针对询问信息的响应信息为正常访问确认信息后，控制红外摄像头开启获取酿蜜腔室内的场景图像；再控制蓝牙模块通信开启，并与最近的蓝牙设备通信连接，再通过蓝牙通信模块向蓝牙设备发送场景图像。便于现场观察与查看，且能节约能耗。

优选的方案为利用时间窗截取压力-时间曲线上的曲线图，作为异常分类模型的识别样本。

为了实现上述另一目的，本发明提供的智能蜂箱包括防淋箱体及置于防淋箱体的容纳腔内的多个并排布置的巢框；容纳腔被沿竖向布置的透明隔板分隔成用于置放巢框的酿蜜腔室，及用于安装监控装置的监控腔室；监控装置包括控制单元、红外摄像头、行走机构、供电电池及无线通信模块；行走机构受控制单元控制而驱使红外摄像头做二维平面移动，以获取酿蜜腔室的场景图像，二维平面移动平行于透明隔板；无线通信模块为移动通信模块；防淋箱体的底板通过四个角部支脚而悬空地支撑在地板面上，在角部支脚与防淋箱体之间垫设有压力传感器，压力传感器向控制单元输出压力检测信号；控制单元按照预设时间点开启无线通信模块，以向远程服务器发送当前监测阶段内的监控数据，监控数据包括由红外摄像头所采集到的蜜蜂图像，及压力传感器的压力检测数据；控制单元依据压力检测数据，比较预定时长前后的总压力值的变化值，总压力值为四个压力传感器的检测数值之和；若变化值大于预设阈值，则开启无线通信模块，以向远程服务器发送当前异常监测阶段内的异常压力检测数据；当前异常监测阶段为上次发送压力数据的时间点至出现异常数据时间点之间的期间。

具体的方案为按公式f0＝a×k×t计算预设阈值；其中，a为历史统计倍率，其数值大于1；t为预定时长；k当前时间点之前预设时间段内的总压力值的平均变化率。

优选的方案为压力传感器为压电传感器；角部支脚包括用于支撑在地面上的底支撑套筒，及可滑动地套装在底支撑套筒内的外连杆；在外连杆的下端面与支撑套筒的底面之间垫设有压电传感器；外连杆与防淋箱体的底板面固连；防淋箱体在位于酿蜜腔室的顶侧板部上布设有两个间距布置的连通口，及用于择一地启闭一个连通口的启闭阀板；在顶侧板部的上方布设有两个顶侧箱体，在顶侧箱体内布设有多个巢框；顶侧箱体可拆卸地安装在防淋箱体上，且对应地通过一个连通口与酿蜜腔室连通；在防淋箱体上位于酿蜜腔室背离监控腔室一侧的箱侧壁板上设有沿横向布置的滑槽，启闭阀板通过固设在连通口下方侧的横向滑轨而可滑动地安装在防淋箱体上，在启闭阀板上固设有一个通过滑槽而伸出酿蜜腔室外的拨动把柄。

优选的方案为监控装置包括蓝牙通信模块及布设在防淋箱体外的霍尔传感器，霍尔传感器向控制单元输出磁监测信号；在防淋箱体上用线条悬挂有永磁铁块；在霍尔传感器的监测信号显示有磁铁接触霍尔传感器时，开启无线通信模块发送询问信息，并在接收到针对询问信息的响应信息为正常访问确认信息后，控制红外摄像头开启获取酿蜜腔室内的场景图像；再控制蓝牙模块通信开启，并与最近的蓝牙设备通信连接，再通过蓝牙通信模块向蓝牙设备发送场景图像。

附图说明

图1为本发明实施例1中远程监控系统的网络结构示意图；

图2为本发明实施例1中监控装置的电路结构框图；

图3为本发明实施例1中智能蜂箱的立体结构示意图；

图4为图3中的a局部放大图；

图5为本发明实施例1中智能蜂箱在略去顶侧箱体与箱门后的结构示意图；

图6为本发明实施例1中智能蜂箱在略去箱门后的结构示意图；

图7为图6中的b局部放大图；

图8为本发明实施例1中角部支脚与布设在其上的压力传感器的结构示意图；

图9为本发明实施例1中压力数据的预处理过程示意图。

实施例1

参见图1至图7，本发明蜂箱远程监控系统包括布设在野外的智能蜂箱，与每个智能蜂箱无线通信连接的远程服务器1，及与该远程服务器1无线通信连接的移动终端。在本实施例中，智能蜂箱的数量为多个，根据实际养殖情况进行设置，具体配置有智能蜂箱31、智能蜂箱32、智能蜂箱33及智能蜂箱4等多个；移动终端为1个或多个，根据监控需求进行配置，可以采用手机、平板电脑等进行构建，具体配置有移动终端21、移动终端22等多个。

在本实施例中，所配置的多个智能蜂箱的结构相同，在下述描述中以智能蜂箱4的结构为例进行示例性说明。如图2至图7所示，智能蜂箱4包括为长方体结构的防淋箱体40，其容纳腔具有侧面敞口，该敞口由启闭门49所启闭，且该被沿竖向布置的透明隔板41分隔成用于置放巢框5的酿蜜腔室42，及用于安装监控装置6的监控腔室43。在酿蜜腔室42内布设多块平行布置的巢框5，即这些巢框5并排布置。

如图2所示，监控装置6包括控制单元60、红外摄像头67、行走机构、供电电池65、压力传感器61、压力传感器62、压力传感器63、压力传感器64及无线通信模块66。行走机构受控制单元60控制而驱使红外摄像头67做二维平面移动，以获取酿蜜腔室42的场景图像，该二维平面移动平行于透明隔板42，也平行于巢框5的矩形框面；在本实施例中，采用2g、3g、4g、5g等移动通信模块构建无线通信模块。在本实施例中，行走机构采用现有技术中三维打印机上用于驱使打印头进行二维移动的行走机构结构，具体结构可参照公开号为cn107031040a、cn108790159a等专利文献所公开的结构。

如图2至图6所示，防淋箱体40的底板通过四个角部支脚7而悬空地支撑在地板面上，具体角部支脚7的底端部埋设在土壤内，也可采用膨胀螺钉等固定在岩石上，或者利用混凝土而浇注地固定在土壤内；在角部支脚7与防淋箱体40之间垫设有压力传感器，具体为四个角部支脚7按顺时针对应地布设压力传感器61、压力传感器62、压力传感器63与压力传感器64；在使用过程中，压力传感器向控制单元60输出压力检测信号。

在本实施例中，压力传感器采用压电传感器进行构建；如图8所示，每个角部支脚7均包括用于支撑地固定在地面上的底支撑套筒70，及可滑动地套装在该底支撑套筒70内的外连杆71；以压力传感器41的位置布设为例进行示例性说明，具体为压力传感器41压于外连杆71的下端面与支撑套筒70的底面之间垫设有压电传感器；外连杆71的上端部用于与防淋箱体的底板面固连，即在角部支脚7与防淋箱体40之间垫设有用于检测所传递压力的压力传感器。当然了，还可采用其他应变类传感器对二者之间所传递的压力进行检测，具体连接结构可参照现有传感器安装结构进行设置。

防淋箱体40在位于酿蜜腔室42的顶侧板部47上布设有间距布置的连通口44与连通口45，及用于择一地启闭其中一个连通口的启闭阀板46。

在顶侧板部47的上方布设有顶侧箱体81与顶侧箱体82，在每个顶侧箱体内均布设有多个巢框，用于密封酿蜜；两个顶侧箱体均为可拆卸地安装在防淋箱体40上，且对应地通过一个连通口与酿蜜腔室42连通，在本实施例中，两个顶侧箱体下端敞口，顶侧箱体81的下敞口通过连通口44与酿蜜腔室42连通，顶侧箱体82的下敞口通过连通口45与酿蜜腔室42连通；在防淋箱体40上位于酿蜜腔室42背离监控腔室43一侧的箱侧壁板48上设有沿横向布置的滑槽480，启闭阀板46通过固设在连通口44与连通口45下方侧的横向滑轨而可滑动地安装在防淋箱体40上，在启闭阀板46上固设有一个通过滑槽480而伸出酿蜜腔室42外的拨动把柄460。

在工作过程中，即基于该远程监控系统的智能蜂箱的远程监控方法，控制单元60按照预设时间点开启无线通信模块66，以向远程服务器1发送当前监测阶段内的监控数据，该监控数据包括由红外摄像头67所采集到的蜜蜂图像，及四个压力传感器所输出的压力检测数据。其中，“当前监测阶段”被配置为上次发送监控数据的时间点至当前发送时间点之间的时间阶段，例如预设为上午6:00、9:00、11:00、13:00、15：00、18:00、24:00这几个时间节点发送监控数据；对于预设时间节点的分布，可以在密封采蜜频繁的白天设置成较为密集，而晚上休息时间可以设置成较为稀疏，以节约电池电量。此外，可以通过配置太阳能电池板与向供电电池65充电的电路，以延长电池的供电时长，并在电池电量剩余值或电压降低至预设值之下时，开启无线通信模块66，以向远程服务器1发送电池更换提醒；此外，可以在监控到无线通信模块66开启时，通过该无线通信模块66向控制单元发送信息发送时间节点的临时性修改，例如出现刮台风天气时，可以将时间节点设置成每个一个小时发送一次监控数据，即发送间隔时长比正常天气情况下要短，以监控封箱是否出现倾倒、损坏等问题。

控制单元60依据所接收到四个压力传感器所输出的压力检测数据，比较预定时长前后的总压力值的变化值，该总压力值为四个压力传感器的检测数值之和；若变化值大于预设阈值，则认为存在异常情况，并开启无线通信模块，以向远程服务器1发送当前异常监测阶段内的异常压力检测数据；其中，当前异常监测阶段为上次发送压力数据的时间点至出现异常数据时间点之间的时间阶段。预设阈值可以根据历史统计数据或经验数据进行设置，在本实施例中，为按公式f0＝a×k×t计算预设阈值；其中，a为历史统计倍率，其数值大于1，其为统计值或经验值，即作为调节比例，以是计算出的数值更符合时间情况，例如需要预留波动空间等；t为预定时长；k当前时间点之前预设时间段内的总压力值的平均变化率；在本实施例中，预定时长通常设置为10分钟，而预设时间段可以设置为1小时甚至半天以上。

远程服务器1在接收到监控数据后，基于预先训练好的种类分类模型，从蜜蜂图像中获取蜜蜂种类及同一帧图像内不同种类蜜蜂的数量；在本实施例中，使用支持向量机(svm)算法建立的种类分类模型，例如可采用python的scikit-learn库。在训练阶段，使用近400张自然光环境下拍摄的中华蜜蜂照片，将照片进行去色处理，并覆盖深红色填充图层，混合模式为滤色，模拟黑暗环境中红外摄像头拍摄的画面。将经过预处理的图片使用百度easydl平台进行标注，并使用机器学习物体检测模型进行训练；训练完成后，将模型发布并通过公有云api部署到树莓派上。具体识别过程为，当蜂箱内红外摄像头拍摄到画面后，通过树莓派联网上传到云端，模型可以识别出画面中的所有蜂王及工蜂，并将结果用方框标注在图像中。经训练之后的模型平均准确率达到80.7％，精确率达到84.2％。

控制单元60基于正常阶段压力检测数据计算四个压力值之和的变化数据，作为酿蜜速度数据；并通过无线通信线路将蜜蜂种类数据与酿蜜数据发送至移动终端。即在本实施例中，四个压力传感器的检测数据可以作为酿蜜进度的检测工具，以便于监控人员根据需要进行蜂蜜收取。

远程服务器1在接收到异常压力检测数据后，基于预先训练好的异常分类模型识别出当前的异常情况结果，并通过无线通信线路将异常压力检测数据的统计数据与所识别出的异常情况结果发送至移动终端。

其中异常分类模型使用支持向量机(svm)算法建立的种类分类模型，例如可采用python的scikit-learn库。如图9所示，利用时间窗91截取压力-时间曲线90上的曲线段图；在本实施例中，异常情况主要为箱子出现倾斜、倾倒等严重影响密封生活的情况，作为异常分类模型的识别样本，通过测试在箱子出现倾倒过程中压力的变化曲线，并基于此进行标注；此外，还可采用对曲线段图进行平均值、方差等统计数据值计算作为识别样本。

在本实施例中，基于能对箱子情况与酿蜜进度等监控人员所关系的数据进行远程采集，从而能对蜂箱进行远程监控。

实施例2

作为对本发明实施例2的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

参照图1至图8所示的结构，监控装置6包括蓝牙通信模块及布设在防淋箱体40外的霍尔传感器，该霍尔传感器向控制单元60输出磁监测信号；在防淋箱体40上用线条悬挂有永磁铁块；在霍尔传感器的监测信号显示有磁铁接触霍尔传感器时，开启无线通信模块向远程服务器1发送询问信息，并在接收到针对询问信息的响应信息为正常访问确认信息后，控制红外摄像头67开启获取酿蜜腔室内的场景图像；再控制蓝牙模块通信开启，并与最近的蓝牙设备通信连接，再通过蓝牙通信模块向蓝牙设备发送场景图像。从而能工现场提供密封酿蜜监控图像，可以用于观察或者观光等用途。

具体为远程服务器1在收到问询信息后，向移动终端发送确认信息，就是寻求监控人员的确认，以免非正常的启用摄像头与外连蓝牙而造成电池电能损耗。

在上述实施例中，可以略去顶侧箱体与连通口而按照现有技术进行蜂蜜收取。

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