Elektronikus kézi készülék tervezése házi méh kaptár állapotának elemzéséhez c. önálló laboratórium dolgozat készítette: Fenyvesi Tamás, PPKE-ITK MI BSc 2015. má jus
Tartalomjegyzék
1. Bevezetés
3
2. Méhészet mint mérnöki terület
3
2.1.
A méhészet története, jelent®sége . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.
Méhek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.3.
Kaptár, lépek, sejtek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3. Folyamatos monitorozás
3
5
3.1.
Mérhet® jellemz®k a kaptárban
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.
Komplex kaptárvizsgáló rendszer
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. Szenzorfejlesztés: útkeresés és els® eredmények
6 8
8
4.1.
Elektronikus kézi készülék speci kációja
. . . . . . . . . . . . . .
9
4.2.
Akusztikus méhszámláló . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4.3.
Mérések és mérési eredmények . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
5. Összefoglalás és továbblépési lehet®ségek
2
10
1. Bevezetés A méhek virágbeporzó munkájának nagy jelent®sége van a mez®gazdaságban, az ember természetformáló tevékenysége viszont nagy mértékben módosította a méhek életkörülményeit: a méhek repülési útvonalát átszel® autóutak zikailag veszélyeztetik a munkába induló illetve nektárt gy¶jt® egyedeket.
A földeket
kizsigerel®, nyomelemeket nélkülöz® mez®gazdasági termelés hozzájárul a méhek ellenálló képességének csökkenéséhez[].
A mez®gazdasági rovarirtó szerek
méhekre gyakorolt hatása pár éve lett aktív tudományos vita tárgya.[1] A nemzetközi szállítás hozzájárul a méhbetegségek terjesztéséhez.
Példának okáért,
Amerikában komoly gondot okoz az eddig ismeretlen eredet¶ kaptárelhagyási szindróma[2]. Magyarországon a nehezen gyógyítható atka-fert®zés és a gyógyíthatatlan nyúlós költésrothadás okozza a legtöbb gondot a méhészeknek, akik a kaptárak gyakoribb, részletesebb átvizsgálásával tudnak válaszolni az új kihívásokra. Mivel a méhcsaládokat nem szabad túl gyakran megbolygatni, elektronikus érzékel®ket lenne célszer¶ alkalmazni, amelyekkel beavatkozás nélkül, folyamatosan nyomon követhet® a kaptár állapota. A digitális jelfeldolgozás és a gépi mintázatfelismerés lehet®séget ad arra, hogy a méhcsaládok életét meghatározó jelenségeket észleljük. A folyamatos monitorozást lehet®vé tev® rendszerek kifejlesztése viszont még nem tart ott, hogy széles körben elterjedhessen a használatuk: drágák, és nem elég sokrét¶en használhatóak. Dolgozatom következ® fejezetében bemutatom a méhek és a méhészek világát, hogy érthet® legyen az a terület, amit mérnöki szempontból vizsgálok. Ezután szemlézem a témában írt legfrissebb publikációkat, és kritikailag értékelek néhány kereskedelmi forgalomban kapható elektronikus kaptárvizsgáló eszközt. Ezt követ®en javaslatot teszek egy hangminta felismerést is magában foglaló rendszerre, végül beszámolok az els® mérési eredményekr®l, és felvázolom a továbblépési lehet®ségeket.
2. Méhészet mint mérnöki terület Ebben a fejezetben megindoklom, hogy miért van értelme foglalkozni a házi méhekkel, mérnöki szemmel mutatom be, milyen egy kaptár felépítése, és hogyan él benne egy méhcsalád.
2.1. A méhészet története, jelent®sége A méhészet tudománya több ezer évre nyúlik vissza. Az els® tervezett mézelvételre utaló lelet egy spanyolországi barlangrajz, a Kr.e. 7. évezredb®l[3].
3
1. ábra. mézgy¶jt® ember egy spanyolországi barlangrajzon A legfontosabb méhészeti termékek a méz és a viasz. A cukor elterjedéséig a gyümölcsök mellett a méz volt az egyetlen édesít®szer.
Méhviaszból készí-
tett gyertyákkal világítottak, amit a k®olajból nyerhet® para n és petróleum, majd a villanykörte használata váltott fel.
Ma is népszer¶ az az Einsteinnek
tulajdonított állítás, amely szerint "Ha kipusztulnak a méhek, azt az emberiség legfeljebb négy évvel éli túl." Bár ez a mondat valószín¶leg nem Einsteint®l származik[4], annál inkább igaz a mondanivalója. A házi méhek mez®gazdasági jelent®sége gyelmet érdemel: élelmiszereink egyharmadát olyan gyümölcsök teszik ki, amelyeknek virágait ®k porozzák be.[] Ilyenek az alma, a körte, a cseresznye, a meggy, a szilva, a barack, a mandula, a napraforgó, a tökfélék stb. Bár Magyarországon elég nagy a méhs¶r¶ség, egy-két méhcsalád jelent®sen tudja növelni például egy dinnyeföld hozamát. Észak-Amerikában a mandulatermel®k jó pénzt zetnek azért, ha egy méhész az ültetvényükhöz telepíti a méheit.
2.2. Méhek A méheknek több ezer faja létezik, a házi méh virágbeporzó tevékenysége viszont ma már messze felülmúlja vadon él® társainak hatását.[mta-hír] A következ®kben saját tapasztalataim alapján mutatom be a házi méhet (Apis mellifera, a továbbiakban: méh).
A méhek közösségben él® rovarok, az ember kaptárban
vagy kasban tartja ®ket, ahol lépeket építenek. az éléskamra.
[kép!]
Ez lesz számukra a bölcs® és
Szerepkör szerint háromféle méhet különböztetünk meg:
anyaméhet (más néven méhkirályn®t), hereméhet és dolgozó méhet. Egy családban egy királyn® körül párszáz here és 40-60 ezer dolgozó méh él. A herék és a dolgozók nyáron néhány hétig élnek, míg a királyn® 3 éves kort is megérhet. Az anyaméh petéket rak, naponta akár több ezret. A hereméhek más, távolabbi családok heréivel közösen látogatnak egy párzóhelyet, ahol megtermékenyítik az életükben egyszer oda látogató terméketlen anyákat. A dolgozók gy¶jtik a nektárt, amit a mézgyomrukban érlelnek, majd lépekbe töltik, és s¶rítik. Gy¶jtik a virágport is, amelyet mézzel keverve tejsavas erjesztéssel savanyítanak: ez a méhkenyérnek is nevezett eledel a méhek egyetlen fehérjeforrása, és tele van vitaminnal.
4
2.3. Kaptár, lépek, sejtek Egy kaptár, típustól függ®en, 10-40 keretet tartalmazhat.
A keretekre lépet
építenek a méhek. A lépek hatszöglet¶ viasz sejtekb®l állnak. A frissen épített lép világossárga, és id®vel bebarnul. A sötétbarna lépeket a méhész lecseréli. A lépen lehet anyabölcs®, aminek elhelyezkedése és mérete alapján következtethetünk a család állapotára:
•
a lép szélén jellemz®en rajbölcs® van. Ez rendszerint nagyobb, és azt jelzi, hogy nincs elég hely a kaptárban a növekedésre.
•
a lép közepén vagy fels® harmadában jellemz®en kisebb váltóbölcs® van, ami a család anyaváltási szándékát jelzi.
•
meglév® bepetézett dolgozó sejtekre sok pótbölcs®t húznak a méhek, ha hirtelen elpusztul a királyn®.
A királyn® már az építés kezdetén bepetézi a bölcs®t, a dolgozók pedig egy különleges eledellel töltik meg, amit méhpemp®nek vagy királyi pépnek nevezünk. Ezzel a tejszín¶, savanykás anyaggal etetik kés®bb a kifejl®dött királyn®t is.
2. ábra. leszálló méh - kaptár - lép vizsgálata - különböz® tartalmú sejtek Mérnöki szempontból izgalmas, hogy a sejtek min®sége és tartalma vizuálisan könnyen meghatározható:
•
méret szerint:
•
dolgozó sejt: kisebb, szabályos hatszög alakú here sejt nagyobb, szabadabb formájú
tartalom szerint:
méz / fedett méz, virágpor, pete / lárva / fedett asítás
3. Folyamatos monitorozás Az Apidologie folyóiratban idén megjelent áttekint® cikk de nícióját használva, méhcsalád folyamatos monitorozásának tekintjük az óránkénti vagy gyakoribb, legalább két napig tartó adatgy¶jtést.[5] Erre a cikkre támaszkodva mutatom be a kutatásokban használt mérési és adatfeldolgozási módszereket, majd kitérek a kereskedelmi forgalomban kapható eszközök képességeire.
5
3.1. Mérhet® jellemz®k a kaptárban Tudományos szempontból a méhcsaládokat mint él® organizmusokat vizsgálják a kutatók. A méhcsaládok ugyanis úgy is felfoghatók, mint egy nagy szervezet, amelynek a méhek a sejtjei. Egy méhcsalád születhet, fejl®dhet, lehetnek betegségei, és elpusztulhat. Az egészséges méhcsaládok sok szempontból állandó környezetet igyekeznek fenntartani a kaptárban, vagy legalább annak egy részén. Ezt a környezetet azonban biológiai és zikai tényez®k is módosítják, amit gyelembe kell venni, amikor például egy gyógyszeres kezelés hatását vizsgáljuk a kaptár zikai állapotának tükrében. Az alábbiakban, az Apidologie cikke és saját tapasztalataim alapján, sorra veszem a különböz® mérhet® jellemz®ket, a mérési módszereket és az adatok kiértékelésének módszereit.
•
Tömeg
A kaptár tömegét gyelve, egy napon belül tanúi lehetünk annak, ahogy a kijáró méhek hajnalban nektárért indulnak, nap közben behordják, végül éjjel a víztartalom elpárologtatásával s¶rítik a mézet. Mi a méhészetünkben egy-két reprezentatív kaptár alá szoktunk mérleget rakni, és ezeket naponta mérni, amib®l a nap közben behordott méz mennyiségére tudunk következtetni, és döntést hozni a következ® mézpörgetés idejér®l, vagy a méhészet jobb helyre szállításáról, ha sokáig nem gyarapodnak a méhcsaládok. A mérleg lehet mechanikus vagy elektronikus. Kereskedelmi forgalomban kapható, használata elterjedt.
•
H®mérséklet, páratartalom, gáz koncentrációk
Ezek a jellemz®k a kaptáron belül eltér® értékeket mutatnak, mert azzal vannak összefüggésben, hogy mennyi méh van az adott térfogatban.
A
kaptár közepe, vagyis a fészek van a legkevésbé kitéve a küls® változásoknak. A fészek állandó h®mérsékleten tartása azért is fontos, mert a méhek egy bizonyos h®mérsékleten tudnak asítást nevelni.
Hidegben f¶tenek
(összebújnak), melegben h¶tenek (szell®ztetnek) a méhek. Ha nincs elég méh a asítás f¶tésére, az csökkenti a fejl®d® egyedek betegségekkel szembeni ellenálló-képességét. A h®mérséklet, a páratartalom és a gáz koncentrációk mérésének a méhészeti gyógyszerkutatásokban lehet szerepe. A gyakorlati méhészek (akik nem kutatási, hanem termelési célból tartanak méheket), a kaptár felnyitásakor, 2-3 hetente tájékozódnak a méhek elhelyezkedésér®l, és a asítás sikerességér®l.
Szemmel látható például, ha egy kaptárban olyan kevés
méh van, hogy nem képesek a fejl®d® egyedek melegen tartására.
•
Rezgések és hang
A kaptáron belül és kívül is lehet longitudinális rezgéseket mérni az id®ben. Egy kaptárban, a méhek tevékenységéb®l ered®en, 10 Hz-t®l 1000 Hz-ig terjed® rezgéseket lehet meg gyelni. Egy amerikai cég ultrahang mérésével is kísérletezik, mert azt sejtik, hogy a kaptárban él® egyéb rovarok ilyen hangot bocsájtanak ki [6]. Két példát hoznak fel: egyes molylepkék ultrahanggal próbálják megtéveszteni a denevéreket; az Egyesült Államokban 1996-ban felfedezett, és azóta terjed® kis kaptárbogár (Aethina tumida) rágásának hangja az ultrahang tartományba esik. A méhek alacsony, 300
6
Hz-nél kisebb frekvenciájú rezgésekkel kommunikálnak. Repülésük hangja 300 Hz körüli.
Lézeres interferometriával lehetséges akár egy méh züm-
mögését is felvenni, míg a mikrofonnal vagy gyorsulásmér®vel rögzített id®beli jelek több egymástól független frekvencián és különböz® fázisban zümmög® egyed hangját is tartalmazzák. Ezt a jelet digitális jelfeldolgozási módszerekkel lehet elemeire bontani. Diszkrét Fourier transzformációval megkapjuk a kijelölt id®ablak frekvencia összetev®it. Az ablak eltolásával el®áll egy spektrogram, amin meg gyelhet®k az id®beli frekvencia mintázatok. A vizsgálatra érdemes frekvenciasávokat több kutatásban is PCA (Principal Component Analisys) algoritmussal választották ki. Az elemzések alapján van különbség az egészséges és a beteg méhcsaládok hangja között [5]. S®t, a méhészek hallgatni is szokták a kaptár hangját: megkocogtatják a kaptár oldalát, amire a bent lakók felzúdulnak. Ha hamar elhalkulnak, akkor egészségesek, ha hosszabb id® (>10s) alatt csendesednek le, akkor betegségre vagy egy rágcsáló zaklatására lehet gyanakodni.
Bár a hangfelvétel technológiája régóta rendelkezésre állt, a hosszú,
több hónapos mérésekhez szükséges nagy tárkapacitás csak mostanában lett meg zethet®:
egy percnyi 16 bites felvétel 48kHz-es mintavétellel,
veszteségmentesen tárolva körülbelül 5 megabájtot foglal. Két nap tehát 2*24*60*5=14400MB = 14,4GB. Így számolva, 120 napnyi felvétel fér el egy 1TB-os merevlemezen.
•
Járás - forgalom a kaptár kijáratánál
A nektár, virágpor és propolisz gy¶jtését az id®sebb dolgozó méhek végzik. A kijáró méhek számát ezért a méhlegel® jósága, a család táplálékigénye és korfája is befolyásolja, így a kijáró méhek mennyiségében történt hirtelen változások a család állapotának jelent®s változását jelezhetik. Pham-Delègue és társai szerint a kijáró méhek aktivitása fontos jellemz® a rovarirtó szerek hatásának vizsgálatánál [7]. A kijáró méhek több napon át történ® számlálását a kutatók eleinte stopperórával oldották meg. Bár egy ember elég jó meg gyel®, nyilvánvalóan nem tud folyamatosan ott lenni, és igen költséges.
Ezért már 1925-ben
el®álltak egy mechanikus számlálóval, ami úgy m¶ködött, hogy a kirepül® és a leszálló méhek a bejáratnál elmozdítottak egy kart, ami elektromos impulzussal m¶ködtetett egy nyomtatót.
Ezt a módszert a XX. század
végéig több alkalommal továbbfejlesztették. Újabban, elektronikus számlálóval ellátott infravörös érzékel®ket használnak, amik robusztusak, és alkalmasak a kültéri használatra. Pham-Delègue és társai egy olyan, kereskedelmi forgalomban kapható eszközt is leírnak, ami lépcs®vel lassítja a méhek áthaladását, így nagyobb pontosságot ér el. Ez a belgiumi Lowland Electronics terméke, a BeeSCAN, amit kutatók számára fejlesztettek ki. Az el®bbi cég a gyakorlati méhészek számára is fejlesztett egy eszközt, az ApiSCAN-t. Ezeket a termékeket soros porton számítógépre lehet csatlakoztatni, és le lehet tölteni a mérési eredményeket további feldolgozásra. Egy újabb megközelítés a videó alapú, nem-invazív méhszámlálás, ami napjainkban kezd meg zethet®vé válni. Az Intel err®l szóló jelentésében megemlítik, hogy a repülési aktivitást olyan küls® és bels® tényez®k is befolyásolják mint: populáció, termékeny anya jelenléte, nektár és virágpor elérhet®sége, betegség, mérgezés [8]. érzékel®vel is ki lehet mutatni.
7
Ezt a tényt feltehet®en akusztikus
3.2. Komplex kaptárvizsgáló rendszer Több jellemz®t egyszerre mérve, és több kaptárat összehasonlítva, pontosabb képet kaphatunk a méhcsalád állapotáról. Bár még nincs kereskedelmi forgalomban ilyen rendszer, a technológia, amivel vezeték nélküli szenzor hálózatot építhetünk, már készen áll: Bluetooth vagy ZigBee használható a kaptárak közti vezeték nélküli kommunikációhoz, a számítási feladatok GSM kapcsolaton keresztül kiszervezhet®k egy távoli szerverre ("felh®be"), végül mobil alkalmazással részletgazdag információt lehet megjeleníteni az adott kaptárról. 2014-ben nyert "IEEE/IBM Smarter Planet Challenge" díjat egy ilyen rendszeren dolgozó írországi egyetemi csoport [9].
3. ábra. az ír kutatócsoport rendszerének terve [9]
A projektben most azon dolgoznak, hogy érzékel®k különböz® kombinációit kapcsolják össze.
4. Szenzorfejlesztés: útkeresés és els® eredmények Az el®z® fejezetben láthattuk, hogy már vannak er®feszítések több érzékel® együttes használatára a méhcsaládok állapotának nem-invazív meg gyelése céljából. Konzulenseimmel együtt, több ötletünk is volt, hogy mit és hogyan mérjünk. Végül két úton indultam el: a méhkirályn® feromonjainak érzékelését és a kijáró méhek akusztikus számlálását t¶ztem ki célul. A feromonról kiderült, hogy nem elég illékony és túl bomlékony ahhoz, hogy analitikusan felismerhet® legyen egy olyan, illatokkal túltelített közegben mint a kaptár.
Ezeket a
méréseket dr. Molnár Péter Béla végezte, az MTA Növényvédelmi Kutatóintézetében. Szintetikus méhkirályn® feromont (QMP) vizsgáltunk, gázkromatográf és tömegspektrométer segítségével. A GC magas h®mérséklete miatt a feromon molekulák szétbomlottak. Erre van megoldás, szililezéssel kémiailag stabilizálhatók a molekulák, az Intézetben viszont erre nem volt lehet®ség. Ment® ötletként a nektár illatának felismerése megoldható feladatnak t¶nik, az akusztikus méhszámlálás terén pedig már sikerült eredményeket elérni. A következ®kben speci kálom a több szenzorból álló kaptárelemz® rendszert, majd bemutatom az els® mérési eredményeket.
8
4.1. Elektronikus kézi készülék speci kációja A készülék legalább a következ® három érzékel®t tartalmazza: mérleg, akusztikus méhszámláló, virágillat-érzékel®. A mérleg legyen elektronikus és mérjen 0,1 kg pontossággal 10 és 100 kg között. A készülék legyen képes tárolni és kijelezni a kaptár tömegét és kijáratának forgalmát, amit tudjon összehasonlítani a többi kaptár forgalmával.
Hirtelen forgalomcsökkenés esetén vizsgálja meg,
hogy a többi kaptár forgalma is csökkent-e. Ha igen, akkor id®járás változást feltételezhetünk, különben küldjön értesítést a méhésznek GSM kapcsolaton keresztül. A virágillat-érzékel® legyen képes megállapítani, hogy milyen virágról milyen arányban hordanak mézet a méhek.
Ez abban segíti a méhészt, hogy
minél tisztább virágmézet tudjon pörgetni. Például akácvirágzás elején hajlamosak inkább repcére járni a méhek, mivel a két virágzás ideje összeér. Ha el®bb pörgetjük ki a repcét, akkor az akác nem lesz tiszta, így csak olcsóbban, virágmézként lesz eladható. A következ® alfejezetben az elektronikus kézi készülék részét képez® akusztikus méhszámlálóról írok.
4.2. Akusztikus méhszámláló Az akusztikus méhszámláló ötlete nem új: egy 2010-es szabadalom [10] egyik igénypontja szerint, a felszálló méhek szárnycsapásai által keltett hang frekvenciája körülbelül 260 Hz-r®l körülbelül 180 Hz-re csökken.
Olyan ez, mint
amikor egy repül® felpörgeti a motorját felszállás el®tt. A szabadalom szerint ez a frekvenciaváltás nagyjából 0,1 másodpercig tart, amit az els® méréseim alapján helyesnek látok.
4.3. Mérések és mérési eredmények A méréseket ZOOM H1 mikrofonnal és webkamerával illetve egy mobiltelefon kamerájával készítettem. A videók alapján, Audacity-ben címkéztem fel a hangrészleteket, amiket ezután külön fájlokba exportáltam. Március 1. és május 1. között 5 alkalommal mértem, aminek eredményeképpen van 40-40 felcímkézett fel- és leszállás hang, valamint nagyjából tízszer ennyi jelöletlen mérésem.
A
leszálló méhek hangjának frekvenciája szintén csökken, de lassabban, körülbelül 0,3 másodperc alatt.
4. ábra. Felszálló méh hangjának spektrogramja. Látszanak a felharmonikusok, és a gyors frekvenciacsökkenés.
(vízszintes tengely:
frekvencia)
9
id®, függ®leges tengely:
5. ábra. Lézeng® majd leszálló méh hangjának spektrogramja.
Látszanak a
felharmonikusok, és a lassú frekvenciacsökkenés. (vízszintes tengely: id®, függ®leges tengely: frekvencia)
5. Összefoglalás és továbblépési lehet®ségek A méhészetben, a változó körülmények miatt, egyre fontosabb a kaptárak folyamatos meg gyelése. Napjainkban, a vezeték nélküli érzékel®hálózatok már kell®en fejlettek ahhoz, hogy méhcsaládok folyamatos monitorozására használjuk ®ket.
Az ilyen irányú rendszerfejlesztés viszont még csak pár éve folyik,
egyetemi projektek formájában, kereskedelmi forgalomban pedig egyáltalán nem kapható még olyan rendszer, ami a hivatásos méhészeknek is hasznos, nem csak a kutatóknak.
Dolgozatomban bemutattam a méhcsalád zikai jellemz®it és
ezek mérési módszereit. Egy választott érzékel®vel méréseket végeztem, biztató eredményekkel: a kaptár kijáratánál készült hangfelvétel spektrogramján szemmel láthatóan elkülöníthet®ek a leszálló és felszálló méhek. A téma folytatásaként érdemes lenne gépi felismerést implementálni, elkészíteni egy prototípust az érzékel®b®l, újabb méréseket végezni, és az eredményeket összevetni a szakirodalommal. A mérleg és a forgalomszámláló adatait kombinálva, becslést lehetne adni a méhlegel® távolságára. Továbbá tanulmányoznám a nektár illatának felismerésére vonatkozó szakirodalmat.
Kés®bb kifejleszt-
hetnék egy nektárfelismer® érzékel®t, amit mérleggel kombinálva meg lehetne becsülni a kaptárba behordott nektár összetételét.
10
Hivatkozások [1] D. Cressey, Bee studies stir up pesticide debate, 2015. [2] J. S. Pettis, Colony collapse disorder: A descriptive study, 2009. [3] E. Crane,
The Archaeology of Beekeeping. 1983.
[4] marinov, Einstein és a méhek | urbanlegends.hu, 2013. [5] W. G. Meikle, Application of continuous monitoring of honeybee colonies, 2015. [6] C. H. J.J. Bromenshenk, beealert.com, 2013. [7] Pham-Delegue, Behavioural methods to assess the eects of pesticides on honey bees, 2002. [8] R. S. Jason Campbell, Lily Mummert, Video monitoring of honey bee colonies at the hive entrance, 2008. [9] Libelium, Reading beehives: Smart sensor technology monitors bee health and global pollination, 2015. [10] T. Brundage, Acoustic sensor for beehive monitoring, 2010.
11
