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蜜蜂背上传感器助力农场数据收集

2019/12/05 来源:金昌信息港

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蜜蜂背上传感器助力农场数据收集华盛顿大学的研究人员研发出一款传感器“背包”,小到可以“骑”在大黄蜂上据麦姆斯咨询报道,如今农民们已经

蜜蜂背上传感器助力农场数据收集

华盛顿大学的研究人员研发出一款传感器“背包”,小到可以“骑”在大黄蜂上

据麦姆斯咨询报道,如今农民们已经可以使用无人机巡视农场,从而监测温度、湿度或农作物健康状况。但是要使这些机器长时间地飞行,需要非常大的电力,因此如果中途不充电,它们就飞不了多远,这使得无人机巡视的范围和时间受到了极大的限制。近日,华盛顿大学的工程师们发明了一种小到能够“骑”在大黄蜂身上的传感系统。因为此类昆虫可以自己飞行,所以该“背包”只需要一节微型充电电池,就可以维持7小时的飞行时间。科学家们指出,当蜜蜂回到蜂巢时,电池也相应地回到蜂巢中,他们就可以通过无线方式对电池进行充电,6小时内即可充满。他们还表示,太阳能电池可能有一天会取代目前设计中所使用的电池。该研究小组于12月11日在新德里举行的MobiCom会议上详细介绍了他们的研究结果。“无人机飞行10~20分钟就需要充电

,而我们的蜜蜂可以进行数小时的数据收集。”华盛顿大学保罗·艾伦计算机科学与工程学院副教授、该研究作者Shyam Gollakota说,“实验证明,用蜜蜂来完成其它无人机所做的计算和传感任务是可行的。”

虽然用蜜蜂代替无人机解决了供电问题,但该技术仍存在着许多问题有待解决:首先,蜜蜂的体型较小,携带能力非常有限;第二,gps接收器在定位方面具有优势,但对于该应用来说,会需要消耗不少电量。为了开发适合蜜蜂携带同时还能感知其位置的传感器“背包”,团队必须解决这两个问题。科学家们用三种大黄蜂做了实验,发现健康的工蜂可以携带大约105毫克的物体飞行和盘旋。“我们终决定使用大黄蜂,因为它们足够大,有能力携带为我们系统供电的微型电池,而且它们每天晚上都会回到蜂巢,在那里我们可以通过无线方式给电池充电。”论文的共同作者、华盛顿大学电气和计算机工程系的博士生VikRam Iyer说道,“在此项研究中,我们采用了照顾和护理这些生物的方法。”

Vikram Iyer观察安装传感器“背包”的大黄蜂(在集装箱内飞行)是否有异常

之前,其他研究小组已经通过超粘小型追踪器,比如射频识别(rfid),给大黄蜂配备了简单的“背包”,用来跟踪它们的活动。对于此类实验,研究人员先将蜜蜂放置在冰箱里几分钟,以便在将“背包”粘在它们身上之前降低它们的速度。实验完成后,团队再通过类似的过程移除“背包”。然而,这些先前的研究只是简单地追踪蜜蜂在近距离内(大约25厘米)位置的“背包”数据,却没有任何有关蜜蜂周边环境的数据。因此,Gollakota、Iyer以及他们的团队重新设计了一款传感器“背包”,它可以“骑”在蜜蜂的背上,仅重102毫克,大约是7粒生米的重量,尺寸仅为6.1 x 6.4毫米。“为‘背包’供电的可充电池重量约为70毫克,所以我们还有30毫克多一点的剩余重量给其它产品,比如传感器和追踪蜜蜂位置的定位系统。”艾伦学校的博士生、该研究共同作者RajalakshMI Nandakumar说道。

传感器“背包”重102毫克

因为蜜蜂不会在飞行所到之处做标记,同时也因为GPS接收器太耗电,无法放置在一只小昆虫身上,该团队想出了一种无需电力即可定位蜜蜂的方法。研究人员在农场内设置了多根天线组成的基站,通过特定区域发射来自基站的信号。而蜜蜂“背包”中的接收器能识别这些信号的强度和角度,通过三角定位法得出蜜蜂的位置信息并将其记录下来。“为了测试该方法是否可行,我们在足球场上做了一个实验。”共同作者、艾伦学校博士生Anran Wang说,“我们在场地的一侧设置了四根天线组成的基站,然后让一只蜜蜂背着‘背包’在远离天线的罐子里飞来飞去。我们依然能够探测到蜜蜂的位置,只要它在天线周围80米的范围内(大约足球场长度的四分之三)。”接下来,该团队又在“背包”中增加了一系列小型传感器,用来监测温度、湿度和光照强度等。这样,蜜蜂就可以收集这些数据,并将这些信息连同它们的位置一起记录下来,终就能够收集到整个农场的信息。“观察蜜蜂是否更喜欢农场的某个区域,而不太经常去其它区域,这将会很有趣。”共同作者之一、华盛顿大学机械工程系助理教授Sawyer Fuller说道,“或者,如果你想知道某个特定区域发生了什么,你也可以对‘背包’进行编程,告诉它:‘嘿,蜜蜂,如果你去这个地方,顺便测量一下温度吧。’”当蜜蜂完成了一天的觅食后,回到蜂巢,“背包”可以通过一种叫做反向散射的方法上传收集到的数据,通过这种方法,设备可以通过反射从附近天线发射过来的无线电信号来共享信息。

带着“背包”的蜜蜂仍然可以采蜜、控制飞行和正常进行其它活动

目前,该“背包”只能存储大约30千字节的数据,所以它们只携带能产生少量数据的传感器。此外,只有当蜜蜂回到蜂巢时,“背包”才能上传数据。该团队希望终能够开发出带有摄像头的“背包”,这样就可以将有关植物健康的信息实时反馈给农民。“让蜜蜂携带这些传感器系统对农场是有益的,因为蜜蜂可以感知物体,但电子产品,比如无人机,就不能。”Golakota说道,“无人机只是随意地飞行,而蜜蜂会被特定的东西吸引,比如它喜欢授粉的植物。除了了解环境,你还可以学习并研究蜜蜂的行为。”

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