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(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)院基礎(chǔ)部，125105

中國(guó)作為養(yǎng)蜂大國(guó)，蜂群數(shù)量和蜂產(chǎn)品產(chǎn)量多年來(lái)一直穩(wěn)居世界首位。過(guò)去主要依靠人口紅利來(lái)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(shè)備陳舊等問(wèn)題導(dǎo)致養(yǎng)蜂行業(yè)生產(chǎn)成本高、經(jīng)濟(jì)效益低。在現(xiàn)代，科技創(chuàng)新為諸多行業(yè)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展動(dòng)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(guò)養(yǎng)蜂人開(kāi)箱觀察，低頻次不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度問(wèn)題，過(guò)度開(kāi)箱會(huì)對(duì)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(chǎng)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(lèi)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(fèi)人力物力，還會(huì)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(yīng)運(yùn)而生。

近年來(lái)學(xué)者針對(duì)“智能+蜂箱”相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用開(kāi)展了諸多研究，楊選將、程巍、張江毅等[1-3]從軟件方向結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)智能蜂箱關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討，然而其科技含量較高，無(wú)法短時(shí)間內(nèi)推廣；文獻(xiàn)[4-7]利用單片機(jī)、樹(shù)莓派等控制單元實(shí)現(xiàn)蜂箱內(nèi)部不同季節(jié)、不同情況的全自動(dòng)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(jié)構(gòu)、設(shè)備的陳列與管路鋪設(shè)都會(huì)影響溫控設(shè)備的效果，不良的布置也會(huì)導(dǎo)致蜂箱內(nèi)蜜蜂繁殖、健康問(wèn)題的產(chǎn)生。文獻(xiàn)[8-9]從蜂箱材質(zhì)結(jié)構(gòu)方面討論不同形式蜂箱對(duì)箱內(nèi)溫度的影響；湯厚文、林觀寶等[10,11]以太陽(yáng)能替代傳統(tǒng)熱源進(jìn)行蜂箱內(nèi)溫度調(diào)節(jié)研究與設(shè)計(jì)，提升了智能溫控蜂箱的品質(zhì)同時(shí)也降低成本。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，雖然諸多學(xué)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(shè)計(jì)。針對(duì)這一問(wèn)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(jī)為控制核心，從結(jié)構(gòu)、溫度監(jiān)測(cè)與溫度控制三部分對(duì)傳統(tǒng)蜂箱加以改進(jìn)，使用水循環(huán)加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱設(shè)備，提升蜂箱加熱的均勻性，并利用多種隔板、管路、箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度調(diào)節(jié)的及時(shí)性、效率與均勻性等的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中的試驗(yàn)情況表明，該設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)蜂箱在溫度調(diào)節(jié)的均勻性、及時(shí)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(shè)備、供電裝置、加熱制冷裝置。在智能溫控系統(tǒng)工作時(shí)，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(jī)，與預(yù)設(shè)溫度范圍數(shù)值進(jìn)行比較，按結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)加熱、制冷操作，并通過(guò)屏幕展示溫度與狀態(tài)信息，以高頻率重復(fù)采集溫度，循環(huán)整個(gè)過(guò)程，同時(shí)人工指令可啟動(dòng)、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(shè)計(jì)

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(fù)責(zé)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(qiáng)且功耗較低的msp430型單片機(jī)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(dāng)下?tīng)顟B(tài)的發(fā)光二極管、用于開(kāi)啟關(guān)閉系統(tǒng)及調(diào)整預(yù)設(shè)溫度的貼片按鍵、用于顯示溫度數(shù)據(jù)及當(dāng)下?tīng)顟B(tài)的LCD顯示屏、用于設(shè)備散熱的散熱風(fēng)扇以及電阻、導(dǎo)線(xiàn)等?？刂破鞴ぷ髑?，在單片機(jī)中設(shè)定處理程序、預(yù)設(shè)溫度范圍與加熱箱溫度范圍，并結(jié)合蜂箱結(jié)構(gòu)安裝硬件。在工作中，通過(guò)溫度傳感器采集蜂箱內(nèi)溫度并與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)控制發(fā)光二極管綠燈明亮，連接加熱裝置繼電器閉合，進(jìn)行加熱，通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度，利用單片機(jī)約束加熱箱溫度；當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，發(fā)光二極管紅燈明亮，連接制冷裝置繼電器閉合，進(jìn)行制冷。管理人員可通過(guò)顯示屏觀測(cè)當(dāng)下溫度、預(yù)設(shè)溫度、加熱制冷時(shí)間等數(shù)據(jù)，可通過(guò)按鍵改變預(yù)設(shè)溫度及打開(kāi)、關(guān)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(jìn)行加熱，導(dǎo)致蜂箱內(nèi)受熱不均，對(duì)蜜蜂在蜂箱內(nèi)的活動(dòng)產(chǎn)生影響。所以本設(shè)計(jì)采用水循環(huán)進(jìn)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(jìn)行加熱的加熱板、為水提供動(dòng)能的12V微型自抽水泵、儲(chǔ)水池、用于散熱的散熱隔板以及隔離進(jìn)水出水的防水隔板。工作前，將加熱裝置結(jié)合新型蜂箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪設(shè)，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(dòng)水流循環(huán)；水中熱量透過(guò)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(jìn)入儲(chǔ)水池，由此循環(huán)往復(fù)。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定要求或通過(guò)按鍵指令停止加熱時(shí)，加熱繼電器斷開(kāi)，加熱工作停止。

另一方面，采用風(fēng)扇進(jìn)行蜂箱內(nèi)制冷，所包含元件有用于風(fēng)冷的風(fēng)扇、封裝風(fēng)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(fēng)扇進(jìn)行送風(fēng)，通過(guò)風(fēng)冷吸收蜂箱內(nèi)熱量，達(dá)到制冷效果。

3.供電裝置

供電裝置為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，為節(jié)約能源，響應(yīng)綠色發(fā)展號(hào)召，本設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)能供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電源，供電模塊主要元件有太陽(yáng)能電池板、蓄電池、連接線(xiàn)路以及各模塊所需變壓線(xiàn)路。

三、蜂箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.箱體內(nèi)結(jié)構(gòu)

圖2為蜂箱結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以將智能控溫設(shè)備效率及優(yōu)勢(shì)更好的發(fā)揮出來(lái)。

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(yáng)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(duì)蜂箱內(nèi)部進(jìn)行加熱行為時(shí)，循環(huán)水通過(guò)加熱裝置加熱后進(jìn)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(shè)在蜂箱內(nèi)部，內(nèi)部循環(huán)管道側(cè)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(yīng)器放置在散熱隔板側(cè)邊。

該結(jié)構(gòu)可以改良傳統(tǒng)加熱中加熱不均勻、加熱效果差、加熱時(shí)間長(zhǎng)、溫度控制精度低等問(wèn)題。

2.加熱箱結(jié)構(gòu)

蜂箱底部固定加熱箱，內(nèi)部設(shè)置有加熱裝置，加熱箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

加熱箱內(nèi)部排列的加熱板對(duì)流入和流出的水分別進(jìn)行加熱，保證儲(chǔ)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(jìn)出水的中間隔板，以保證出水不會(huì)降低進(jìn)水的熱量；上方設(shè)置有進(jìn)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(qiáng)水流循環(huán)，在儲(chǔ)水池和進(jìn)入管道處設(shè)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(jié)構(gòu)有效提升了加熱效率，縮短了啟動(dòng)到提供熱量的等待時(shí)間。

3.制冷裝置結(jié)構(gòu)

蜂箱內(nèi)放置制冷裝置，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

對(duì)蜂箱內(nèi)部進(jìn)行制冷，在蜂箱內(nèi)部穿孔處設(shè)置用于送風(fēng)的進(jìn)風(fēng)扇，由蓄電池提供電力，進(jìn)風(fēng)扇兩側(cè)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(jìn)入，減少制冷過(guò)程中容易出現(xiàn)的集塵問(wèn)題。

四、系統(tǒng)實(shí)踐及表現(xiàn)分析

按本文設(shè)計(jì)思路制作實(shí)用型蜂箱，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行加熱、制冷測(cè)試。

第一項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容為調(diào)整無(wú)蜂蜂箱所處室內(nèi)溫度，考察各模塊啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 啟停情況測(cè)試結(jié)果

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

第二項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容為將有蜂蜂箱置于養(yǎng)蜂項(xiàng)目試點(diǎn)（葫蘆島市白馬石鄉(xiāng)智蜂小鎮(zhèn)），在10天測(cè)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(cè)試結(jié)果。

表2 試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

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

五、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于智能溫控系統(tǒng)的新型蜂箱，從自動(dòng)控制、加熱制冷裝置及箱體結(jié)構(gòu)等方面對(duì)傳統(tǒng)蜂箱進(jìn)行改進(jìn)，并將其在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能有效提升加熱制冷的及時(shí)性，同時(shí)縮減時(shí)間，提升加熱時(shí)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。