基于智能溫控系統(tǒng)的蜂箱設計與實現(xiàn)

于慧 龔勛 黃培峰 趙海紅 李昂 │文

1 葫蘆島市工業(yè)信息化發(fā)展中心，125105；2 沈陽理工大學材料科學與工程學院，110159；3 葫蘆島市龍港區(qū)人民政府，125105；4 渤海船舶職業(yè)學院基礎部，125105

中國作為養(yǎng)蜂大國，蜂群數(shù)量和蜂產(chǎn)品產(chǎn)量多年來一直穩(wěn)居世界首位。過去主要依靠人口紅利來發(fā)展，然而由于從業(yè)人員老齡化，生產(chǎn)方式落后，手工操作，設備陳舊等問題導致養(yǎng)蜂行業(yè)生產(chǎn)成本高、經(jīng)濟效益低。在現(xiàn)代，科技創(chuàng)新為諸多行業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展動力，養(yǎng)蜂行業(yè)也概莫能外。以蜜蜂生產(chǎn)生活中最重要的因素——溫度為例，蜂箱內(nèi)的溫度影響著蜜蜂健康、繁殖與采蜜等。蜂箱溫度通常通過養(yǎng)蜂人開箱觀察，低頻次不能及時發(fā)現(xiàn)溫度問題，過度開箱會對蜂王交尾及蜜蜂抗病能力產(chǎn)生不良影響。另外，大部分蜂場仍在使用人工灑水、撒石灰、通熱氣、陰涼處放置等方式控制溫度，這類粗放的方式也使得溫度調(diào)節(jié)不夠精確、均勻。由此可知，人工看管傳統(tǒng)蜂箱溫度，不僅浪費人力物力，還會干擾蜜蜂正常的采蜜與繁殖。為擺脫這種困境，多款智能溫控系統(tǒng)的新型蜂箱應運而生。

近年來學者針對“智能+蜂箱”相關技術與應用開展了諸多研究，楊選將、程巍、張江毅等[1-3]從軟件方向結合物聯(lián)網(wǎng)技術對智能蜂箱關鍵問題進行探討，然而其科技含量較高，無法短時間內(nèi)推廣；文獻[4-7]利用單片機、樹莓派等控制單元實現(xiàn)蜂箱內(nèi)部不同季節(jié)、不同情況的全自動監(jiān)控，這克服了人工觀察的滯后性，也提升了控制效果和精度。而除去控制單元外，蜂箱內(nèi)部結構、設備的陳列與管路鋪設都會影響溫控設備的效果，不良的布置也會導致蜂箱內(nèi)蜜蜂繁殖、健康問題的產(chǎn)生。文獻[8-9]從蜂箱材質(zhì)結構方面討論不同形式蜂箱對箱內(nèi)溫度的影響；湯厚文、林觀寶等[10,11]以太陽能替代傳統(tǒng)熱源進行蜂箱內(nèi)溫度調(diào)節(jié)研究與設計，提升了智能溫控蜂箱的品質(zhì)同時也降低成本。通過分析發(fā)現(xiàn)，雖然諸多學者在智能控溫方向有顯著的研究成果，但鮮有綜合全方位的智能控溫設計。針對這一問題，本文提出一種可以智能控溫的新型蜂箱，該蜂箱以單片機為控制核心，從結構、溫度監(jiān)測與溫度控制三部分對傳統(tǒng)蜂箱加以改進，使用水循環(huán)加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱設備，提升蜂箱加熱的均勻性，并利用多種隔板、管路、箱體結構優(yōu)化溫度調(diào)節(jié)的及時性、效率與均勻性等的問題，在實際應用中的試驗情況表明，該設計較傳統(tǒng)蜂箱在溫度調(diào)節(jié)的均勻性、及時性等各方面有較好的性能提升。

一、智能溫控總體方案

智能溫控系統(tǒng)包括安裝在蜂箱內(nèi)的嵌入式設備、供電裝置、加熱制冷裝置。在智能溫控系統(tǒng)工作時，由在加熱箱內(nèi)的兩處智能傳感器采集位置溫度，將得到的溫度數(shù)據(jù)傳遞單片機，與預設溫度范圍數(shù)值進行比較，按結果執(zhí)行相應加熱、制冷操作，并通過屏幕展示溫度與狀態(tài)信息，以高頻率重復采集溫度，循環(huán)整個過程，同時人工指令可啟動、停止加熱及制冷狀態(tài)。整體流程如圖1所示。

二、智能控溫系統(tǒng)硬件設計

硬件部分主要包含控制器，加熱、制冷裝置，供電裝置等。

1.控制器模塊

控制器負責溫度采集、顯示及加熱制冷狀態(tài)的判斷。為提升控制模塊性能，采用功能性強且功耗較低的msp430型單片機作為控制器核心，采用智能溫度傳感器DS18B20采集蜂箱內(nèi)及加熱箱內(nèi)溫度，另配備用以維持控制器工作的直流電源、控制制冷加熱裝置的繼電器、用于顯示當下狀態(tài)的發(fā)光二極管、用于開啟關閉系統(tǒng)及調(diào)整預設溫度的貼片按鍵、用于顯示溫度數(shù)據(jù)及當下狀態(tài)的LCD顯示屏、用于設備散熱的散熱風扇以及電阻、導線等?？刂破鞴ぷ髑?，在單片機中設定處理程序、預設溫度范圍與加熱箱溫度范圍，并結合蜂箱結構安裝硬件。在工作中，通過溫度傳感器采集蜂箱內(nèi)溫度并與預設溫度進行比較，當溫度低于設定溫度時，單片機控制發(fā)光二極管綠燈明亮，連接加熱裝置繼電器閉合，進行加熱，通過溫度傳感器監(jiān)測溫度，利用單片機約束加熱箱溫度；當溫度高于設定溫度時，發(fā)光二極管紅燈明亮，連接制冷裝置繼電器閉合，進行制冷。管理人員可通過顯示屏觀測當下溫度、預設溫度、加熱制冷時間等數(shù)據(jù)，可通過按鍵改變預設溫度及打開、關閉主程序。

2.加熱、制冷裝置

傳統(tǒng)加熱往往采用加熱片的方式進行加熱，導致蜂箱內(nèi)受熱不均，對蜜蜂在蜂箱內(nèi)的活動產(chǎn)生影響。所以本設計采用水循環(huán)進行蜂箱加熱，所包含元件有附著在蜂箱內(nèi)壁的內(nèi)部循環(huán)水流管道、用于直接接觸水進行加熱的加熱板、為水提供動能的12V微型自抽水泵、儲水池、用于散熱的散熱隔板以及隔離進水出水的防水隔板。工作前，將加熱裝置結合新型蜂箱結構進行鋪設，保證蓄電池有可用電量。由加熱繼電器控制工作狀態(tài)，工作中，由加熱裝置加熱循環(huán)水，由加熱箱內(nèi)溫度傳感器控制加熱狀態(tài)；由抽水泵在蜂箱入口處推動水流循環(huán)；水中熱量透過緊貼管路的散熱隔板傳遞到蜂箱內(nèi)部，循環(huán)水由水管出口回到加熱器中加熱并進入儲水池，由此循環(huán)往復。當溫度達到設定要求或通過按鍵指令停止加熱時，加熱繼電器斷開，加熱工作停止。

另一方面，采用風扇進行蜂箱內(nèi)制冷，所包含元件有用于風冷的風扇、封裝風扇的散熱片。工作前，將制冷裝置在蜂箱內(nèi)放置并與蓄電池連接。由制冷繼電器控制工作狀態(tài)，工作中由風扇進行送風，通過風冷吸收蜂箱內(nèi)熱量，達到制冷效果。

3.供電裝置

供電裝置為整個系統(tǒng)提供能量，為節(jié)約能源，響應綠色發(fā)展號召，本設計采用太陽能供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電源，供電模塊主要元件有太陽能電池板、蓄電池、連接線路以及各模塊所需變壓線路。

三、蜂箱結構設計

1.箱體內(nèi)結構

圖2為蜂箱結構，此結構可以將智能控溫設備效率及優(yōu)勢更好的發(fā)揮出來。

控制模塊處在控制箱體中，而加熱裝置處在蜂箱底部的加熱箱中，制冷裝置放置在蜂箱內(nèi)部，在蜂箱頂部固定有頂部支撐板，太陽能板固定在頂部支撐板端，蓄電池固定在相鄰頂部支撐板之間。對蜂箱內(nèi)部進行加熱行為時，循環(huán)水通過加熱裝置加熱后進入管道流入蜂箱內(nèi)壁中的內(nèi)部循環(huán)管道，為了使得水中的熱量能夠充分傳送到蜂箱內(nèi)部，將內(nèi)部循環(huán)管道均勻布設在蜂箱內(nèi)部，內(nèi)部循環(huán)管道側邊固定有能充分吸收熱量的散熱隔板?？刂萍訜釥顟B(tài)的溫度感應器放置在散熱隔板側邊。

該結構可以改良傳統(tǒng)加熱中加熱不均勻、加熱效果差、加熱時間長、溫度控制精度低等問題。

2.加熱箱結構

蜂箱底部固定加熱箱，內(nèi)部設置有加熱裝置，加熱箱內(nèi)部結構如圖3所示。

加熱箱內(nèi)部排列的加熱板對流入和流出的水分別進行加熱，保證儲水池中循環(huán)水有一定溫度，以提升加熱效率；其旁邊固定有分離進出水的中間隔板，以保證出水不會降低進水的熱量；上方設置有進入管道和流出管道以分別聯(lián)通蜂箱內(nèi)的循環(huán)管路。為加強水流循環(huán)，在儲水池和進入管道處設置微型自抽水泵。加熱箱內(nèi)部頂端固定溫度傳感器以控制加熱啟停。

該結構有效提升了加熱效率，縮短了啟動到提供熱量的等待時間。

3.制冷裝置結構

蜂箱內(nèi)放置制冷裝置，結構如圖4所示。

對蜂箱內(nèi)部進行制冷，在蜂箱內(nèi)部穿孔處設置用于送風的進風扇，由蓄電池提供電力，進風扇兩側分別固定有網(wǎng)孔的外部防塵隔板和內(nèi)部防蜜蜂隔板，以防止塵土和蜜蜂進入，減少制冷過程中容易出現(xiàn)的集塵問題。

四、系統(tǒng)實踐及表現(xiàn)分析

按本文設計思路制作實用型蜂箱，在實驗環(huán)境下進行加熱、制冷測試。

第一項測試內(nèi)容為調(diào)整無蜂蜂箱所處室內(nèi)溫度，考察各模塊啟動情況。表1展示各裝置啟停情況。將蜂箱內(nèi)的正常溫度范圍定義為 15℃～25℃，下表為實驗結果。

表1 啟停情況測試結果

可以看出，系統(tǒng)可以根據(jù)蜂箱內(nèi)的溫度條件自動控制各元器件的啟停。

第二項測試內(nèi)容為將有蜂蜂箱置于養(yǎng)蜂項目試點（葫蘆島市白馬石鄉(xiāng)智蜂小鎮(zhèn)），在10天測試期內(nèi)，定期觀察蜂箱內(nèi)部情況及蜜蜂總體狀況，觀察智能系統(tǒng)穩(wěn)定性，在加熱狀態(tài)下感受蜂箱內(nèi)溫度均勻性。表2展示測試結果。

表2 試點測試結果

可以看出，智能溫控系統(tǒng)新型蜂箱在實踐中性能良好，加熱、制冷優(yōu)于傳統(tǒng)方式。

五、結束語

本文設計一種基于智能溫控系統(tǒng)的新型蜂箱，從自動控制、加熱制冷裝置及箱體結構等方面對傳統(tǒng)蜂箱進行改進，并將其在真實環(huán)境中進行測試，結果表明該設計能有效提升加熱制冷的及時性，同時縮減時間，提升加熱時受熱的均勻性，為智能養(yǎng)蜂的溫度調(diào)節(jié)方面提供新思路。