曹如玥，侯開虎，包迪，楊道清，姬思陽

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

蜂箱的溫度和濕度是蜜蜂生產(chǎn)生活最重要的兩個因素?，F(xiàn)如今，我國蜂農(nóng)獲取蜂箱內蜜蜂的狀況和溫濕度主要通過開箱觀察，對于蜂箱溫濕度的控制依然停留在人工灑水、撒石灰、開窗等方法。這樣做不僅浪費人力物力，可能會對人造成傷害，還會干擾蜜蜂正常的工作和生活。

研究表明，蜂箱內最適宜蜜蜂生活的溫度為15～25℃，蜂巢核心蜜蜂會自我調節(jié)溫度在35℃左右[1]，產(chǎn)子期的相對濕度在90%～95%最為適宜，蜂卵在相對濕度低于50%時不會孵化[2]。越冬期最適宜的空間相對濕度是75%～80%[3]。蜜蜂生產(chǎn)生活的不同時期有不同的溫濕度要求，因此針對蜜蜂生產(chǎn)生活的不同時期，要將溫濕度控制在不同的范圍之內。若想實現(xiàn)自動控制蜂箱內的溫濕度，首先需要實時獲取蜂箱內的溫濕度數(shù)據(jù)；之后，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，采用自動化的方法控制蜂箱內的溫濕度，以降低溫濕度變化對蜜蜂造成的影響，并減少人工投入。近年來，國內基于樹莓派的溫濕度自動采集被廣泛運用于各個領域[4-6]，但主要應用于溫室大棚或室內這種大環(huán)境，卻鮮有人將樹莓派作為控制器對蜂箱的溫濕度進行監(jiān)測、控制。對于蜂箱的溫濕度監(jiān)測大多是使用單片機[7-9]，但是單片機的擴展性和功能完善性遠不及樹莓派，許多功能實現(xiàn)起來較為復雜。國外有學者將樹莓派用于蜂箱的溫濕度、二氧化碳含量、重量和噪音監(jiān)測[10]，并詳細記錄了1 年時間的各項數(shù)據(jù)，證實了應用樹莓派對蜂箱內溫濕度監(jiān)測的可行性和穩(wěn)定性，為樹莓派作為主控制器對蜂箱的溫濕度進行控制提供了基礎。但無論國內還是國外，對于蜂箱溫濕度的探究還只停留在單純的監(jiān)測層面上，并沒有利用采集到的溫濕度數(shù)據(jù)對蜂箱的溫濕度進行自動控制。

本文提出一種基于樹莓派的智能蜂箱。該蜂箱具有自動監(jiān)測及上傳蜂箱內和周圍環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)自動控制各元器件的啟停以調節(jié)蜂箱溫濕度的功能。在對該蜂箱的降溫方法進行實驗后，對實驗結果進行比較分析，從而得出各種降溫方式的應用條件及利弊。

1 總體結構及溫濕度控制系統(tǒng)設計

總體結構由PC 端和嵌入式設備端兩部分組成，如圖1 所示。嵌入式設備端指的是安裝在蜂箱內的樹莓派及樹莓派上安裝的溫濕度傳感器和各執(zhí)行元器件（包括風扇、加濕霧化模塊、加熱模塊和制冷模塊）。溫濕度傳感器將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)由樹莓派通過WiFi 傳到PC 端的數(shù)據(jù)庫中。當數(shù)據(jù)不滿足設定的范圍時，由樹莓派自動控制各執(zhí)行元器件的啟動和關閉實現(xiàn)蜂箱溫濕度的自動控制。流程如圖2 所示。

圖1 總體結構圖Fig.1 Overall structure diagram

圖2 溫濕度控制流程圖Fig.2 Temperature and humidity control flow chart

2 蜂箱嵌入式設備設計

2.1 主控制器

主控制器采用樹莓派4B。樹莓派是一款基于ARM 的微型電腦主板，體積雖小，但具有計算機的所有基本功能。芯片采用BCM2711，頻率是1.5 GHz；主板上有2 個USB2.0 接口、2 個USB3.0 接口、2 個 Micro HDMI 視頻輸出接口，40 個GPI0 接口，1 個Micro SD 卡插槽，并配有WiFi 模塊和藍牙模塊可以和上位機直接通訊?？梢园惭b看門狗，死機自動恢復，提高了其穩(wěn)定性和可靠性。樹莓派的功耗不高，適合放置在經(jīng)常移動、需用電池供電的設備上。并且樹莓派不僅可以對溫濕度信號進行處理，還可以對視頻、定位信息等多種信號進行處理[11]，為以后蜂箱的功能擴展留有余地。

2.2 溫濕度采集模塊設計

溫濕度采集模塊負責實時采集蜂箱內的溫濕度數(shù)據(jù)。溫濕度采集使用DHT11 數(shù)字型溫濕度傳感器，可以同時采集溫度和濕度信息，并且自帶模數(shù)轉換芯片，可以直接輸出數(shù)字信號。濕度量程，濕度測量誤差 ±5%RH；溫度測量范圍0～50 ℃，溫度測量誤差為 ±2 ℃。

2.3 供電模塊設計

由于蜂箱經(jīng)常放置于偏僻無人的地方，所以電力是智能蜂箱面臨的一大難題。本文的蜂箱采用太陽能供電，供電模塊主要由太陽能電池板和12 V 充電式鋰電池組成，再根據(jù)樹莓派和各執(zhí)行元器件的電壓要求選擇適合的DC-DC 模塊，以滿足各元器件不同的電壓要求。

2.4 執(zhí)行元器件設計

執(zhí)行元器件由4 個部分組成。第1 部分是加熱片，如圖3（a）所示，額定電壓5 V，起到給蜂箱升溫的作用；第2 部分是風扇，如圖3（b）所示。采用5 V 的靜音小風扇，主要負責蜂箱的機械通風；第3 部分是霧化加濕器模塊，如圖3（c）所示。電壓DV 5 V，功率2 W，通過將水霧化起到增加蜂箱濕度的作用。以上3 個模塊和樹莓派的5 V 供電需要供電模塊處增加一個12 V 轉5 V的降壓模塊。第4 部分是半導體制冷模塊，如圖3（d）所示。制冷模塊由2 個風扇、2 個鋁制散熱片和1 個半導體制冷片組成，其型號為TEC1-12 706，制冷模塊中的風扇和半導體制冷片的額定電壓為12 V，可以使用蓄電池直接供電，在正常使用中，其功率大概為48 W。一組制冷模塊的功率大概為50 W。各執(zhí)行元器件需要通過繼電器與樹莓派相連，從而實現(xiàn)由樹莓派控制其開啟或關閉的目的。

圖3 執(zhí)行元器件Fig.3 Executive components

2.5 蜂箱結構及各傳感器與元器件的安裝

蜂箱四周及底部采用保溫泡沫板，上下邊框由輕薄的鋁型材制成，并用筋板相連，在減輕重量的同時，又使其強度不發(fā)生改變，保證蜂箱不會因重物導致保溫泡沫板被壓垮。上蓋采用折疊式結構，用合頁相連，在兩層中間配有一個支架。下層為普通的蜂箱蓋子，上層為太陽能電池板，支架的支撐角度為40°，以便更好地接收太陽光照。蜂箱正面擋板上設有2 個巢門。樹莓派放置在蜂箱左側的防水盒子中，并且左側擋板下部還設有一個制冷模塊。右側擋板上設有充電式鋰電池和另一組制冷模塊。制冷模塊的制冷片要置于蜂箱擋板的泡沫中間，以防止環(huán)境因素干擾，且外側是散熱的一面，內側為制冷面，并且制冷面的風扇要用罩子保護，以避免對蜂箱內的蜜蜂造成傷害。風扇及加濕器水箱置于后方擋板上，風扇同樣放于風扇罩內。DHT11 溫濕度傳感器及霧化加濕器放置于后側擋板的箱內一側靠近底板的位置，避免對巢脾安裝造成影響。加熱片隱于底板表面之下。以上所介紹的結構及傳感器和各元器件的安裝工藝如圖4 所示。

圖4 蜂箱結構及傳感器與各元器件的安裝工藝示意圖Fig.4 Beehive structure and installation process of sensor and various components

3 系統(tǒng)測試

將蜂箱內的正常溫度范圍定義為25～30 ℃，正常相對濕度范圍定義為大于50%。溫度低于25 ℃時，啟動加熱模塊；高于30 ℃時，啟動風扇；濕度不符合正常范圍時啟動霧化加濕模塊。表1 中內容是幾種蜂箱內實測溫濕度情況下，各元器件的啟停情況（√表示開啟，×表示關閉）?？梢钥闯觯到y(tǒng)可以根據(jù)蜂箱內的溫濕度條件自動控制各元器件的啟停。

表1 測試結果Tab.1 Test results

4 降溫實驗方案及實驗結果分析

由于在蜂箱內有蜜蜂的情況下對蜂箱進行實驗操作可能會影響到蜜蜂的生活，并可能會對人造成傷害，所以實驗在無蜂條件下的蜂箱進行。在蜂箱外部氣溫高于蜂箱內部的氣溫時，使用自然通風或者機械通風（風扇）的效果可能會微乎其微，因此實驗的基本流程是先啟動加熱片，將蜂箱內部升溫至高于蜂箱外溫度10 ℃左右，之后分別開啟不同的元器件進行降溫試驗并記錄數(shù)據(jù)。除了蜂箱內部需要安裝一個溫濕度傳感器，在蜂箱外部同樣需要安裝一個溫濕度傳感器用于監(jiān)測室溫。用于降溫的執(zhí)行元器件風扇、制冷器和加濕器可以分別進行降溫，也可以組合進行降溫，因此共有8 種組合方式需要進行降溫實驗。8 種模式分別為：①利用風扇降溫；②利用加濕器降溫；③利用制冷片降溫；④風扇和加濕器組合降溫；⑤風扇和制冷片組合降溫；⑥加濕器和制冷器組合降溫；⑦風扇、加濕器和制冷片組合降溫；⑧自然通風（各元器件關閉）。最后對這8 種模式下的降溫數(shù)據(jù)繪制曲線并進行分析。實驗所得的溫濕度數(shù)據(jù)曲線如圖5、圖6 所示。

圖5 降溫階段各組實驗的溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve of each group of experiments in cooling stage

圖6 降溫階段各組實驗的濕度變化曲線Fig.6 Humidity curve of each group of experiments in cooling phase

由圖5 溫度變化圖中可以看出，自然降溫、利用風扇和加濕器降溫的方式無法將溫度降至室溫以下，并且用風扇進行降溫和自然降溫的速率相仿，達到的穩(wěn)定溫度同樣相仿，雖然用加濕器對蜂箱進行降溫的效果優(yōu)于自然降溫和風扇降溫，但是在圖6 濕度圖中我們可以明顯看到，用加濕器進行降溫，濕度會在短時間內快速升高，甚至超過傳感器的量程，濕度過大同樣不利于蜜蜂的健康生存。所以單獨使用加濕器的方法應主要用于短時間內提高蜂箱內的濕度，進行長時間的降溫并不可取。

除了單獨使用加濕器降溫以外，制冷片和加濕器的組合降溫也會在短時間內將相對濕度提升到較高水平，其降溫效果優(yōu)于其他幾組實驗，如果蜂箱處于溫度非常高且濕度較低的溫濕度環(huán)境中，可以為這種降溫方式設置濕度的閾值，用來短時間內快速降低蜂箱的溫度。在其他兩組有加濕器參與的實驗中，風扇和加濕器的組合實驗及風扇、加濕器和制冷片的組合實驗中，由于多了風扇的參與，濕度雖然會上升，但是卻不會在短時間內提升至極高水平，可以在一段時間內達到穩(wěn)定，這表明風扇的機械通風對于蜂箱內濕度高于蜂箱外濕度的情況具有很好的除濕效果。所以，在蜂箱溫度正常而濕度大且高于外界環(huán)境時可以選擇風扇單獨運轉對蜂箱進行除濕。對于溫度略高于正常水平、濕度低于正常水平的情況，不需要使溫度快速下降，可以選擇風扇和加濕器的組合，風扇、加濕器和制冷片的組合中的一種，這兩組實驗雖然后者的降溫效果優(yōu)于前者，但是能耗遠高于前者，所以選擇風扇和加濕器的組合。

如果在箱內濕度正常的情況下就不能選擇用加濕器參與降溫的方式進行降溫，可以選擇的降溫方式有單獨用制冷片進行降溫和制冷片與風扇組合進行降溫的方式，這兩種方式的降溫效果相仿。但是用風扇和制冷片組合降溫存在一個問題，在箱外濕度低于箱內濕度而箱內濕度處于正常水平時，打開風扇會使箱內濕度逐漸達到與箱外同一水平，從而使箱內的濕度變得不正常，因此此時應該選擇單獨使用制冷片進行降溫。同理風扇和制冷片的組合降溫適用于溫度高濕度也高的情況下。

5 結束語

本文設計的基于樹莓派的智能蜂箱可以實時采集蜂箱內外的環(huán)境數(shù)據(jù)并儲存到數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)利用各執(zhí)行元器件實現(xiàn)了蜂箱溫濕度的自動控制，很好地利用了樹莓派擴展性強的特性，為蜂箱實現(xiàn)了溫濕度自動調節(jié)的功能。對涉及到的幾種降溫方法進行了實驗分析，總結出了不同溫濕度條件下應該選擇怎樣的降溫方式對蜂箱進行降溫，之后只需在蜜蜂生產(chǎn)生活的不同階段將溫濕度的閾值調整到合適范圍即可，操作簡便，可以為蜂場減少大量的人力物力。在以后的研究中，還可以在蜂箱上添加攝像頭、定位模塊、稱重模塊等，繼續(xù)完善智能蜂箱的功能，使養(yǎng)蜂變得更加便捷。