基于智能溫控系統的蜂箱設計與實現

于慧 龔勛 黃培峰 趙海紅 李昂 │文

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

中國作為養蜂大國，蜂群數量和蜂產品產量多年來一直穩居世界首位。過去主要依靠人口紅利來發展，然而由于從業人員老齡化，生產方式落后，手工操作，設備陳舊等問題導致養蜂行業生產成本高、經濟效益低。在現代，科技創新為諸多行業帶來了前所未有的發展動力，養蜂行業也概莫能外。以蜜蜂生產生活中最重要的因素——溫度為例，蜂箱內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蜂人開箱觀察，低頻次不能及時發現溫度問題，過度開箱會對蜂王交尾及蜜蜂抗病能力產生不良影響。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節不夠精確、均勻。由此可知，人工看管傳統蜂箱溫度，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網技術對智能蜂箱關鍵問題進行探討，然而其科技含量較高，無法短時間內推廣；文獻[4-7]利用單片機、樹莓派等控制單元實現蜂箱內部不同季節、不同情況的全自動監控，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蜜蜂繁殖、健康問題的產生。文獻[8-9]從蜂箱材質結構方面討論不同形式蜂箱對箱內溫度的影響；湯厚文、林觀寶等[10,11]以太陽能替代傳統熱源進行蜂箱內溫度調節研究與設計，提升了智能溫控蜂箱的品質同時也降低成本。通過分析發現，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、溫度監測與溫度控制三部分對傳統蜂箱加以改進，使用水循環加熱代替傳統加熱設備，提升蜂箱加熱的均勻性，并利用多種隔板、管路、箱體結構優化溫度調節的及時性、效率與均勻性等的問題，在實際應用中的試驗情況表明，該設計較傳統蜂箱在溫度調節的均勻性、及時性等各方面有較好的性能提升。

一、智能溫控總體方案

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

二、智能控溫系統硬件設計

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采集蜂箱內及加熱箱內溫度，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、用于顯示當下狀態的發光二極管、用于開啟關閉系統及調整預設溫度的貼片按鍵、用于顯示溫度數據及當下狀態的LCD顯示屏、用于設備散熱的散熱風扇以及電阻、導線等。控制器工作前，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、加熱制冷時間等數據，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

傳統加熱往往采用加熱片的方式進行加熱，導致蜂箱內受熱不均，對蜜蜂在蜂箱內的活動產生影響。所以本設計采用水循環進行蜂箱加熱，所包含元件有附著在蜂箱內壁的內部循環水流管道、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，工作中，由加熱裝置加熱循環水，由加熱箱內溫度傳感器控制加熱狀態；由抽水泵在蜂箱入口處推動水流循環；水中熱量透過緊貼管路的散熱隔板傳遞到蜂箱內部，循環水由水管出口回到加熱器中加熱并進入儲水池，由此循環往復。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放置并與蓄電池連接。由制冷繼電器控制工作狀態，工作中由風扇進行送風，通過風冷吸收蜂箱內熱量，達到制冷效果。

3.供電裝置

供電裝置為整個系統提供能量，為節約能源，響應綠色發展號召，本設計采用太陽能供電代替傳統直流電源，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勢更好的發揮出來。

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。對蜂箱內部進行加熱行為時，循環水通過加熱裝置加熱后進入管道流入蜂箱內壁中的內部循環管道，為了使得水中的熱量能夠充分傳送到蜂箱內部，將內部循環管道均勻布設在蜂箱內部，內部循環管道側邊固定有能充分吸收熱量的散熱隔板。控制加熱狀態的溫度感應器放置在散熱隔板側邊。

該結構可以改良傳統加熱中加熱不均勻、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，內部設置有加熱裝置，加熱箱內部結構如圖3所示。

加熱箱內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通蜂箱內的循環管路。為加強水流循環，在儲水池和進入管道處設置微型自抽水泵。加熱箱內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

蜂箱內放置制冷裝置，結構如圖4所示。

對蜂箱內部進行制冷，在蜂箱內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孔的外部防塵隔板和內部防蜜蜂隔板，以防止塵土和蜜蜂進入，減少制冷過程中容易出現的集塵問題。

四、系統實踐及表現分析

按本文設計思路制作實用型蜂箱，在實驗環境下進行加熱、制冷測試。

第一項測試內容為調整無蜂蜂箱所處室內溫度，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，系統可以根據蜂箱內的溫度條件自動控制各元器件的啟停。

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

表2 試點測試結果

可以看出，智能溫控系統新型蜂箱在實踐中性能良好，加熱、制冷優于傳統方式。

五、結束語

本文設計一種基于智能溫控系統的新型蜂箱，從自動控制、加熱制冷裝置及箱體結構等方面對傳統蜂箱進行改進，并將其在真實環境中進行測試，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，為智能養蜂的溫度調節方面提供新思路。