Легкий счетчик пчел: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Легкий счетчик пчел, версия 1, 2019

Для вопросов или проблем !! Пожалуйста, разместите их на сайте github здесь!

Эта версия счетчика пчел проста в пайке и сборке (все сквозные отверстия). Он был протестирован и работает * с предоставленным образцом кода.

Текущий протестированный дизайн прост в программировании и доступен для начинающих программистов. Печатная плата поддерживает несколько платформ Arduino от Adafruit, включая их линейку микроконтроллеров типа Adafruit Feather и микроконтроллеров Adafruit ItsyBitsy. Перья Adafruit включают Wi-Fi и функции дальнего радиосвязи (esp8266 *, esp32 и LoRA). Все модели ItsyBitsy 3V (M0, M4 и 32u4) должны работать нормально.

* У пера esp8266 отсутствует A5. Если вы используете этот uController, вам нужно перейти на другой доступный контакт.

Шаг 1. Анализ данных - зачем считать пчел?

Возможное использование

• скорость увеличения или уменьшения количества пчелиных полетов может указывать на здоровье улья
• увеличение или уменьшение количества ориентировочных полетов в течение нескольких дней может свидетельствовать о здоровье королевы
• временной сдвиг между пиками ухода пчел и возвращением может указывать на количество собирателей и расстояние до источника пыльцы / нектара.

• сравнение двух или переносных ульев для проверки на манипуляции; Такие как,

  • добавление / удаление меда
  • внутреннее кормление сахарным сиропом
  • лечение клещей щавелевой кислоты
• введение в электронику, пайку и программирование микроконтроллеров
• образование медоносных пчел или инсталляция музейного типа

Здоровье улья

Кажется возможным приравнять данные полета пчел и ориентировочные полеты к общему здоровью улья или здоровью матки. Ориентировочные полеты - это поведение пчел среднего возраста около 20 дней. Перед тем, как начать добычу пищи, пчелы этого возраста покинут улей группой примерно в полдень, что приведет к легкому наблюдению ~ 45-минутного пика данных.

Если наблюдается снижение ориентировочных полетов, это может указывать на сокращение яйценоскости за ~ 42 дня до вылупления (22 дня вылупления + 20 дней до кормления).

Расстояние кормления

В данных легко увидеть небольшие, но отчетливые сдвиги между пчелами ВЫХОДИТЬ и пчелами ВХОДИТ. Это указывает как количество пчел, которые уходят и возвращаются вместе, так и приблизительное расстояние или время до места кормления.

Шаг 2: Улучшения в предыдущем дизайне

• Все компоненты со сквозными отверстиями для легкой пайки
• Стандартные стандартные устройства uControllers => Feather и ItsyBitsy с двумя посадочными местами, с сокетами
• Программа на Arduino, Lua и microPython - всего 24 ворот, 48 датчиков, 6 регистров сдвига.
• ~ 14,75 дюйма в длину, растягивая все отверстие улья лангстротов для легкого размещения
• использование двух печатных плат для создания сэндвича - недорогое быстрое решение. Печатные платы должны быть заказаны черными (см. Инструкции), чтобы излучатель ИК-светодиода был поглощен материалом.
• использование 6-контактных заголовков для создания поворотных стилей или ворот
• ИК-светодиоды, управляемые N-Ch mosfet, позволяют управлять включением светодиодов на короткие периоды во время измерения (~ 75 мкс). Позволяет снизить мощность до менее 1 мА (плюс uController).

Шаг 3: Общие операции

Инфракрасные (ИК) датчики

Медоносные пчелы проходят через 24 ворот, где оптические датчики (48 датчиков) определяют, присутствует ли пчела, и определяют направление движения пчелы. У каждого оптического датчика есть ИК-светодиод и ИК-датчик. Если пчелы нет, ИК-свет поглощается черной поверхностью. Если рядом присутствует пчела, инфракрасный свет отражается от пчелы и запускает датчик.

48 светодиодов разделены на два набора по 24, каждый из которых управляется N-канальным МОП-транзистором. Нормальное прямое напряжение каждого ИК-светодиода составляет 1,2 В и около 20 мА, как показано в паспорте. Два светодиода соединены последовательно резистором 22 Ом. На плате есть перемычки, позволяющие светодиодам обходить токоограничивающие резисторы. Не припаивайте перемычку до полной проверки! См. Инструкции по сборке.

Регистры сдвига

Имеется 6 регистров сдвига. Вот отличное описание того, как подключать и программировать регистры сдвига. Контакты SPI микроконтроллера читают регистры сдвига. Все шесть регистров сдвига считываются одновременно. Датчики обычно имеют низкий уровень и показывают 3,3 В или ВЫСОКИЙ, когда срабатывает транзистор и присутствует пчела.

Конструкция печатной платы соединяет вывод питания USB от микроконтроллера с регулятором 3,3 В, так что кабель USB, подключенный к микроконтроллеру, может обеспечивать питание всего проекта.

Шаг 4: Инструкции по сборке

Эта версия счетчика пчел состоит из сквозных компонентов. Паять и собирать несложно. Это вторая версия платы (V1), завершенная в марте 2020 года. Если у вас есть плата версии 0 (январь / февраль 2020 года), вам просто нужно исправить некоторые из моих предыдущих ошибок, включая добавление перемычки, показанной здесь.

1) Установить ИК-датчики - QRE1113 или ITR8307

2) установить сдвиговые регистры (6), светодиодные резисторы SIP 22R и понижающие резисторы 100 кОм.

- Регистры сдвига, кол-во (6) 74HC165- Резисторы 22 Ом, подключенные к шине, кол-во (4) SIP в корпусе, подключенные к шине - Резисторы 100 кОм подключены к шине, кол-во (6) SIP-9, 8 резисторов, 9 контактов

3) установите силовые МОП-транзисторы (2), - N-канальный МОП-транзистор FQP30N06

4) установить малогабаритные конденсаторы

5) поставить / припаять регулятор мощности 3,3 В

- Регулятор 3,3 В, (вход, земля, выход - IGO, распиновка), кол-во (1)

6) установить большой конденсатор

- 560 мкФ, конденсатор 6,3 В

7) установите зеленые винтовые клеммы, кол-во (3)

- винтовые клеммы Два контакта, 0,1 , кол-во (3)

8) установить заголовки для микропроцессора

9) установите кол-во (4) резисторов 10 кОм (изображение неверное.. показано только 2 резистора) - подтягивающие резисторы i2c - подтягивающие резисторы для мощных МОП-транзисторов

Шаг 5: начальное тестирование

ПРОВЕРЬТЕ датчики Прежде чем идти дальше, проверьте все свои светодиоды / датчики! Их гораздо проще протестировать, прежде чем двигаться дальше. Запустите пример кода Blink_IR_Leds.ino

ИК-светодиоды невидимы для человеческого глаза, но многие телефоны и камеры позволяют видеть ИК-светодиоды. Смотрите картинку. (к сожалению, у большинства iPhone есть ИК-фильтры, поэтому попробуйте другой телефон, пока не увидите ИК-светодиоды). Этот шаг очень важен, поэтому убедитесь, что вы видите все светодиоды.

Светодиоды хорошо смотрятся? Если светодиоды не мигают? Убедитесь, что у вас есть 3,3 В на контактном разъеме 3,3 В. Если один или два светодиода не горят, переставьте контакты и / или замените светодиоды, пока светодиоды не станут на 100% мигать вместе. Светодиоды хороши, отлично, дальше тестируем регистры сдвига с помощью примера кода test_shift_registers.ino

Используйте белый лист бумаги, чтобы активировать датчики. Если некоторые датчики не работают, проверьте свои контакты, нагрейте и при необходимости припаяйте контакты оплавлением.

Шаг 6: Окончательная сборка

Завершите сборку после проверки всех датчиков. Установите разъемы, которые соединяют верхнюю плату с нижней платой. !

Хорошо, как только все будет проверено, можно припаять эти перемычки…. Пайка 24 перемычек увеличивает дальность действия ИК-датчиков за счет увеличения прямого напряжения и тока светодиода. Это нормально, если мы поддерживаем время включения светодиодов менее 100 мкс. Это описано в техническом паспорте.

Два предоставленных сценария, test_shift_registers.ino и bee_counting.ino удовлетворяют этому требованию, включая светодиоды только на 75 мкс. Это показано в строке 68 (регистр сдвига) и строке 158 (bee_counting). После времени включения есть задержка ~ 15-20 мс перед их повторным включением, что продлевает срок службы светодиода.

Припаиваем все 24 перемычки.

Шаг 7: Выводы микроконтроллера с двумя посадочными местами

Печатная плата поддерживает два микроконтроллера Adafruit. Микроконтроллеры типа Adafruit Feather и микроконтроллеры Adafruit ItsyBitsy. Перья Adafruit включают Wi-Fi и функции дальнего радиосвязи (* esp8266, esp32 и LoRA). Все модели ItsyBitsy 3V (M0, M4 и 32u4) должны работать нормально.

К сожалению, регистры сдвига, которые мы используем (самая популярная микросхема регистров сдвига!), Не являются устройствами с полным SPI и не разделяют SPI с другими устройствами … Они похожи на худшие устройства SPI! … поэтому некоторые платы, такие как Adalogger или LoRa просто не будет работать из коробки. Вы все еще можете сделать это, вырезав некоторые следы и исправив линии SPI, чтобы освободить линии SPI, и подключив SPI к регистрам сдвига, но это немного сложно объяснить в инструкциях.

Аппаратный SPI

Пример кода написан для Feather ESP32 и itsybitsy M0 / M4, но должен нормально работать с другими. Аппаратные выводы SPI используются как для MISO, так и для SCK.

Контакт A5 на ESP32 и itsyBitsy является регистром сдвига. ЗАГРУЗКА * Контакт A5 не существует на ESP8266. Если вы используете эту плату, вам необходимо установить перемычку на другой вывод (скажем, вывод RX свободен).

Силовые МОП-транзисторы

Два контакта подключены к силовым МОП-транзисторам, управляющим ИК-светодиодами.

• Булавки с перьями

  • Пин 15 для ворот 0-11
  • Пин 33 для ворот 12-23

• Булавки ItsyBitsy

  • Пин 10 для ворот 0-11
  • Пин 11 для ворот 12-23

Дополнительные контакты

Есть винтовые клеммы (зеленые) для подключения дополнительных датчиков к контактам i2C (SDA и SCL). Также имеется аналоговый контакт A4, подключенный к одной из винтовых клемм.

Шаг 8: Код Arduino

Прилагаются три скрипта Arduino.

• Blink_IR_leds.ino - используется для визуального контроля работы светодиодов
• test_shift_registers.ino - используется для функционального тестирования датчиков
• bee_counting.ino - раньше считал пчел!

Предупреждение

Пайка 24 перемычек увеличивает дальность действия ИК-датчиков за счет увеличения прямого напряжения и тока светодиода. Это нормально, если мы сохраним время включения светодиодов менее 100 мкс.

Два приведенных выше сценария, test_shift_registers.ino и bee_counting.ino, удовлетворяют этому требованию, включая светодиоды только на 75 мкс. Это показано в строке 68 (регистр сдвига) и строке 158 (bee_counting).

Калибровка счетчика пчел

За эти годы я собрал потрясающие данные. Счетчик пчел можно откалибровать для достижения необходимой повторяемости. Существуют разные способы калибровки счетчика пчел в зависимости от желаемого эффекта. Один из методов - измерить скорость движения пчел и подсчитать только известные движения и исключить все ложные срабатывания. Этот метод пропускает много пчел, но может дать стабильные значения. Пчеле требуется около 180-350 мс, чтобы пересечь область датчика.

Пример кода bee_counting.ino измеряет скорость пчел, проходящих через датчик, и подсчитывает, что пчелы движутся быстрее 650 мс, и требует, чтобы время между завершением одного датчика и завершением второго датчика было менее 150 мс.

Некоторые из препятствий для калибровки включают:

• хотя пчелы не добавляют прополис в датчики, они потратят несколько дней на заполнение пустот прополисом при первоначальной установке.
• бороды летними вечерами и размышления сторожевых пчел дают ложные срабатывания.
• прямой солнечный свет под низким углом будет ложным срабатыванием датчиков (это можно довольно легко устранить)

Шаг 9: Спецификация материалов

Микроконтроллер

Код был протестирован с пером esp32 Huzzah и itsyBitsy M0, но будет работать со всеми этими платами.

• перо Huzzah от Mouser российская федерация
• перо esp8266 от Mouser российская федерация
• перо LoRa 900mhz от Mouser российская федерация
• ItsyBitsy M0 от Mouser российская федерация
• ItsyBitsy M4 от Mouser российская федерация

Печатная плата от JLCPCB ~ 16-25 $ с доставкой.

Закажите черные печатные платы. См. Инструкции по заказу печатной платы.

Детали и детали

Вот краткий список цен от mouser. См. Альтернативные цены ниже для более дешевых вариантов, в частности датчиков отражательной способности.

QRE1113 Датчики отражения, кол-во (48)

6-контактные гнездовые разъемы высотой 7 мм, расстояние 0,1 дюйма, кол-во (~ 36)

Резисторы 22 Ом, подключенные к шине, кол-во (4) в корпусе SIP, 9 резисторов, 10 контактов

Резисторы 100 кОм соединены шиной, кол-во (6) SIP-9, 8 резисторов, 9 выводов

Регистры сдвига, кол-во (6) 74HC165

Регулятор 3,3 В, (вход, земля, выход - IGO, распиновка), кол-во (1)

винтовые клеммы Два контакта, 0,1 , кол-во (3)

Керамический конденсатор 0,1 мкФ, сквозное отверстие, кол-во (6)

Керамический конденсатор 1 мкФ, сквозное отверстие, кол-во (1)

560 мкФ, 6,3 В конденсатор low esr, расстояние между выводами 3,5 мм, диаметр 8 мм

N-канальный Mosfet FQP30N06, количество (2)

Резисторы 10 кОм, кол-во (4), стандартный 1/4 Вт

штекерные разъемы 6 контактов, ~ кол-во (32) или… 12 контактов (17) и разъединяются по мере необходимости

Альтернативная цена от китайского дистрибьютора LCSC

Кто-то указал на альтернативные цены, которые действительно могут снизить стоимость.

• Датчики отражения ITR8307 ~ 0,13 долл. США за штуку @ 48 шт. (Такие же, как QRE1113)
• 6-контактные розетки высотой 8,5 мм. ~ 0,05 $ / за штуку @ кол-во (36+)
• Резистор SIP 8 22 Ом, 9 пин, подойдет. 0,44 доллара США за количество (4)
• 100к SIP Резисторы 8 резистор, 9pin, подойдет. 0,44 доллара США за количество (6)

Шаг 10: заказ печатной платы

Есть много разных производителей печатных плат на выбор. Эти инструкции показывают JLCPCB. Вам нужен производитель, который может делать черные печатные платы. ИК-светодиоды / датчики должны указывать на черную поверхность, чтобы предотвратить ложные срабатывания, поэтому нижняя плата должна быть черной. Минимальное количество JLCPCB - это количество (5) плат, и вам понадобится 2 платы, чтобы собрать один счетчик пчел.

1. Загрузите репозиторий целиком … нажмите большую зеленую кнопку с надписью "клонировать или загрузить" на github … перейдите к файлу gerbers.zip в папке PCB.

2. Перейдите на JLCPCB.com, создайте учетную запись и нажмите кнопку ЗАКАЗАТЬ СЕЙЧАС.

3. Нажмите «Добавить файл Gerber» и загрузите заархивированные файлы.

4. Выберите «Черный» в качестве цвета печатной платы. Также для «Удалить номер заказа» выберите ДА.

Стоимость минимального заказа из 5 (кол-во) печатных плат составляет около 8 долларов плюс доставка от 9 до 16 долларов в зависимости от метода.

Второй приз в конкурсе PCB Design Challenge