Včely jsou nejpočetnější a nejdůležitější opylovač na světě. Oplodí 1/3 všech spotřebovaných potravin. V posledních letech však jejich populace v Severní Americe a Evropě postupně klesá. Tento jev je nyní znám jako porucha kolapsu kolonií (CCD) a vědci stále nemají jasné vysvětlení tohoto jevu. Cílem projektu bylo vytvořit systém na měření hmotnosti úlu, který by pomohl vědcům a včelařům dálkově sledovat zdraví kolonií a více porozumět CCD.
Obrázek 1: Snížení počtu včelích kolonií za posledních 50 let
Proč vážit úly?
Lidé chodí do práce / školy ráno a vracejí se zpět domů odpoledne či večer. Ekvivalentní chování vidíme u včel. Ty opouštějí úl v ranních hodinách, aby hledali nektar a pyl (obrázek 2). Poté, co se den blíží k závěru, vrátí se domů k zasloužilému odpočinku. To znamená, že přes den se váha úlu bude lišit. Když jsou včely napadeni roztočem varroa, který je považován za jednu z příčin CCD, jejich rychlost reprodukce klesá. To znamená, že zdravotní stav včelstva se dá odvodit od změny hmotnosti úlu. Pokud by existovalo zařízení, které by měřilo hmotnost úlu v reálném čase, šlo by odhalit potíže se včelstvem včas, včelař může zasáhnout a včelstvo zachránit.
Obrázek 2: Denní rytmus úlu
Problémem je, že kontinuální měření hmotnosti je složité. Běžně dostupné váhy nejsou vyrobeny pro kontinuální měření. Pokud se vloží na osobní váhu 5 kilové závaží a přijdete za dvě hodiny, zjistíte, že na váze nebude hodnota 5.00 Kg, ale jiná hodnota. Je to způsobeno vlastností materiálu nazývaného tečení(creep). Materiály mají tendenci deformovat se při stálém namáhání. To je problém při měření elektronické hmotnosti, protože toto měření je založeno na zaznamenání drobných deformací materiálů pomocí tenzometrů(strain gauges).
Pro měření hmotnosti byla zakoupena váha, která v sobě obsahuje 4 tenzometry. Veškeré informace o vlastnostech tenzometru jsou na stránkách „NI whitepaper on strain gauges“. V projektu bylo zvoleno zapojení tenzometru do Wheatstonůva polovičního můstku, který je vhodný pro měření malých změn odporu. Signál z můstku je v milivoltovém rozsahu, takže je zapotřebí ho nejdříve zesílit na požadovanou úroveň. K tomuto účelu se hodí programovatelný zesilovač HX711 PGA. Používá vlastní sériový komunikační protokol, který se podobá komunikaci SPI.Toto rozhraní je snadné naprogramovat pomocí myRIO FPGA. HX11 PGA zesiluje analogový signál z můstku a převede ho na 24bitové data, které se posílají do myRIO k dalšímu zpracování. Naměřená data je nutné převést na hmotnost podle následujícího vzorce:
Weight = ADC Reading / Conversion Coefficient x Resolution Factor
Pro tento projekt je ADC Reading 16 000, Conversion Coefficient je 80 a Resolution Factor 0,005.
Obrázek 3: Poloviční můstek a Obrázek 4: Schéma připojení
Jak bylo řečeno v úvodu, váhy nejsou přizpůsobeny trvalému měření hmotnosti. Na obrázku 5 je vidět měření 1 kg kontinuálně během určité doby. Modrá čára je váha a používá levou osu, zatímco oranžová je teplota a ta je na pravé ose. Mezi zaznamenanou hmotností a teplotou existuje jasný vztah. Pro zmírnění následků musíme aktivně kompenzovat změny teploty. Pro měření teploty byl zvolen termistor. Kapitola 8 příručky NI myRIO Embedded Systems pokrývá vše o měření teploty pomocí termistoru. Celé problematice se věnuje také série videí od NI na Youtube. Výsledek kompenzace je patrný ze srovnání níže uvedených grafů.
Obrázek 5: Zatížení 1 kg bez teplotní kompenzace
Obrázek 6: Zatížení 1 kg s teplotní kompenzací
Před ostrým nasazením v přírodě je důležité celé zařízení řádně otestovat. Na začátku sezóny, kdy je v zimních měsících málo medu, úl váží cca 25 kg a včely uvnitř váží pouze asi 1 kg. Během léta, když včely sbírají pyl a vyrábějí med, váha úlu pomalu roste až na špičkovou hodnotu asi 50 kg. Současně se populace včel také zvýšila přibližně na 10 kg. Pro testovaní byly použity dva 2 hasicí přístroje, 2 překližkové desky a skleněná nádoba s kohoutkem. Voda v nádobě představuje včely. Tím, že pomalu odkapává, je simulováno, jak včely opouštějí úl. Po otestování přišlo na řadu měření na skutečném úlu v reálném provozu. Systém má rozlišení 10 gramů v rozsahu 50kg, což je uspokojivé.
Obrázek 7: Simulace úlu a Obrázek 8: Nasazení v praxi
Výhody nástrojů NI
LabVIEW umožňuje rychlé vytváření prototypů kódu, což výrazně sníží dobu vývoje. Jedinečná komunita je plná užitečných příkladů, které pomohou v začátku, kdy se člověk někdy zasekne a neví jak dál. Možnosti měřící karty Wi-Fi myRIO a jeho množství vstupních / výstupních portů jsou plně dostačující pro měření jakýchkoliv veličin. Níže najdete screenshot hlavního vi, které běží v procesu Real Time v myRIO. Software zaznamenává váhu a teplotu, provádí aktivní kompenzaci a poté zaznamenává data do volné paměti.
Obrázek 9: Hlavní přední panel
Obrázek 10: Schéma hlavního bloku
Zaznamenané změny hmotnosti včel poskytují omezené informace o celkovém chování včel. Proto by bylo vhodné jej doplnit o záznamy teploty, vlhkosti a zvuku uvnitř úlu. Tyto data pomohou vytvořit obrázek o životě uvnitř úlu. Zvukový záznam uvnitř úlu je nejslibnější výzkumnou cestou, protože je dokázáno, že včely vydávají různý zvuk při různých situacích. Vytvoření zvukových profilů úlu trpících různými nemocemi, jako jsou např. roztoči varroa, může pomoci k včasné detekci a umožnit úspěšnější léčbu.
Více informací naleznete na https://forums.ni.com/t5/LabVIEW-Student-Design/Weight-my-Bees-Measuring-Beehive-Weight-to-Monitor-Colony-Health/ta-p/3787134
