構(gòu)建一個(gè)智能蜂窩監(jiān)視器
蜜蜂每年為全球經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)5770億美元。然而，大多數(shù)養(yǎng)蜂人(尤其是業(yè)余愛好者)直到打開蜂箱才知道蜂巢里發(fā)生了什么。到那時(shí)，蜂群已經(jīng)離開，或者蟻群已經(jīng)餓死了。
商業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的成本為每個(gè)蜂箱500歐元以上。它們是為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的，不是為后院有八個(gè)蜂箱的人設(shè)計(jì)的。
我們需要一些不同的東西：一個(gè)可以在冬天生存的系統(tǒng)，部件成本低于50美元，并提供實(shí)際的洞察，而不僅僅是每小時(shí)上傳的溫度讀數(shù)。
解決方案
HappyBees直接在Raspberry Pi Pico 2w上運(yùn)行edge ML。它會(huì)傾聽蜂群的聲音特征，區(qū)分正常的嗡嗡聲和蜂群前的管道，只在有重要事情發(fā)生時(shí)提醒你。
關(guān)鍵觀點(diǎn)是：我們不會(huì)將原始音頻流傳輸?shù)椒?wù)器。我們在本地處理所有內(nèi)容，6秒的音頻變成20個(gè)特征，通過TFLite模型運(yùn)行，并在200毫秒內(nèi)生成分類。本地web服務(wù)器只看到結(jié)果。
技術(shù)規(guī)格:
?通過DMA捕獲16kHz音頻(每次推斷96000個(gè)樣本)
?自定義DSP：二階巴特沃斯高通(100Hz)，三階低通(6kHz)
?512點(diǎn)FFT， Hanning窗口，每次捕獲平均187個(gè)窗口
?TensorFlow Lite微推理RP2350
?WiFi遙測FastAPI + TimescaleDB后端
?實(shí)時(shí)儀表盤
硬件
組件
為什么是Pico 2w ?RP2350具有520KB SRAM。我們的音頻緩沖區(qū)是192KB。ESP32的320KB是不夠的。Pico也有比ESP32-S3更好的ML部署文檔和社區(qū)工具。
布線
Pico連接:
麥克風(fēng)前置放大器:
SPW2430輸出微弱信號(hào)。我們通過一個(gè)非反相放大器輸入它：
?Mic輸出→10μF交流耦合→運(yùn)算放大器(+)輸入
?R1/R2分壓器設(shè)置1.65V直流偏置
?增益= 1 + (100k/5k) = 21倍
?通過1kΩ→GP26過濾輸出
這種收獲很重要。該模型在不同的麥克風(fēng)數(shù)據(jù)上進(jìn)行了訓(xùn)練。我們的運(yùn)放電路產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度為3-4倍。我們在軟件中使用增益因子(默認(rèn)為0.35)進(jìn)行補(bǔ)償。
固件
建造
Flashing
?Hold BOOTSEL on Pico
?插入U(xiǎn)SB
?beewatch_firmware副本。uf2到掛載的RP2350磁盤
配置
通過串口連接：
配置WiFi和服務(wù)器：
串行命令
DSP管道
信號(hào)處理鏈很重要。以下是每個(gè)音頻樣本的情況：
DC去除：減去平均值(對于以1.65V為中心的12位ADC，通常為~2048)
增益補(bǔ)償：縮放0.35以匹配訓(xùn)練數(shù)據(jù)的幅度
高通濾波器(100Hz，二階巴特沃斯)：
低通濾波器(6kHz，三階巴特沃斯)：兩個(gè)級(jí)聯(lián)biquads
FFT：使用Hanning窗口時(shí)的512點(diǎn)，平均每6秒捕獲187個(gè)非重疊窗口。
我們關(guān)心的頻率箱：指數(shù)4-19，對應(yīng)125-594 Hz。這是蜜蜂的聲音特征所在。
ML模型
Anete使用Edge Impulse的BYOM (Bring Your Own Model)工作流程開發(fā)了夏季和冬季模型。這讓我們可以用Python進(jìn)行訓(xùn)練，并自動(dòng)為Pico生成優(yōu)化的c++。
夏季模型(蜂群探測)
?輸入：20個(gè)功能
?溫度、濕度、小時(shí)
?尖峰比(關(guān)鍵特征)
?16個(gè)FFT頻倉
架構(gòu)：Dense 64→Dense 32→Softmax 2 (Normal/Event)
關(guān)鍵洞察：通過系統(tǒng)測試，我們發(fā)現(xiàn)該模型主要使用尖峰比-電流音頻能量除以滾動(dòng)平均值。FFT箱的影響最小。
?峰值< 0.7：活動(dòng)減少→正常
?spike≈1.0：穩(wěn)態(tài)→模棱兩可(默認(rèn)為Event)
?峰值> 1.3：活動(dòng)增加→事件
這解釋了為什么新啟動(dòng)總是預(yù)測“事件”，沒有歷史記錄，峰值比率為1.0。5-6個(gè)讀數(shù)后，滾動(dòng)平均值趨于穩(wěn)定。
冬季模型(異常檢測)
在健康冬季簇?cái)?shù)據(jù)上訓(xùn)練的自動(dòng)編碼器：
?輸入：5個(gè)功能
?溫度、濕度
?溫度穩(wěn)定性(超過12個(gè)讀數(shù)的變化)
?加熱器功率(183Hz, 213Hz， 244Hz的總和-“集群嗡嗡聲”)
?加熱器比(加熱器功率/總音頻密度)
輸出：輸入的重構(gòu)
異常評(píng)分：輸入和重建之間的MSE。高M(jìn)SE意味著模型不能識(shí)別模式：潛在的群體死亡、饑餓或集群不穩(wěn)定。
后端
堆棧
?用于API的FastAPI (async, auto-documented)
?用于時(shí)間序列存儲(chǔ)的TimescaleDB(帶超級(jí)表的PostgreSQL)
?Dash/ plot用于實(shí)時(shí)儀表板
為什么不是Grafana?我們認(rèn)為它增加了部署的復(fù)雜性，而Dash則為我們提供了簡單、純粹的端到端Python。
快速啟動(dòng)
1. 啟動(dòng)數(shù)據(jù)庫:
2. 開始后端:
3. 開始指示板:
4. 用模擬裝置測試：
API端點(diǎn)
命令隊(duì)列使用輪詢(每隔2s)而不是WebSockets。更簡單的固件，通過NAT工作，2秒的延遲對我們的用例來說很好。
故障排除
“總是預(yù)測事件”
?正常，重新開始。運(yùn)行5-6次推理來構(gòu)建歷史。
?或者：在一次捕獲過程中制造噪音，然后安靜下來。尖峰比會(huì)下降。
“FFT箱子太高”
?低增益：g0.25
?目標(biāo)：安靜房間的箱子0.02-0.06
“Pico無法連接WiFi”
?必須是2.4GHz (Pico不支持5GHz)
?檢查SSID/密碼拼寫
本文編譯自hackster.io
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