熊蜂智能氣候箱的研制

陳敏佳 徐翌翔 布佳鑫 鐘天慈 王 班 趙博光 蘇 峻

（南京林業(yè)大學，南京210037）

熊蜂智能氣候箱的研制

陳敏佳 徐翌翔 布佳鑫 鐘天慈 王 班 趙博光 蘇 峻

（南京林業(yè)大學，南京210037）

研制一種可以幫助歐洲地熊蜂（Bombus terrestris）度過極端溫度的可精確調(diào)控溫度的智能氣候箱，提高其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用時效。在山東壽光番茄大棚內(nèi)進行氣候箱控溫效果實驗，結(jié)果表明，大棚溫度在18～38℃變化時，氣候箱內(nèi)的溫度控制在21～28℃;箱內(nèi)溫度變化平穩(wěn)，且與大棚溫度維持在一定的溫度差。

熊蜂；氣候箱；單片機；伯爾帖元件

熊蜂屬于膜翅目（Hymenoptera）蜜蜂科（Apidae）熊蜂屬（Bombus），其具有進化程度低、趨光性差、活動起點溫度低等生物學特性。比家養(yǎng)蜜蜂更容易適應(yīng)溫室的環(huán)境，從而成為溫室果菜傳粉的理想昆蟲[1]。利用熊蜂為溫室果菜傳粉，不僅能夠促進坐果率，提高產(chǎn)量，還避免了傳統(tǒng)生產(chǎn)中應(yīng)用植物生長調(diào)節(jié)劑等處理花朵而帶來的激素污染，能夠顯著改善果實籽粒品質(zhì)。20世紀80年代，德國科學家突破了地熊蜂（Bombus terrestris）的人工周年繁育技術(shù)[2]，熊蜂商業(yè)化飼養(yǎng)逐步開展。目前商品化生產(chǎn)的熊蜂群已被推廣至世界各地，每年繁育上百萬群熊蜂蜂群（主要有B．terrestris和B．impatiens）[3]。商業(yè)化繁育的熊蜂有5種，其中主要為歐亞B．terrestris蜂種，據(jù)估計，2006時B．terrestris蜂群在全世界的銷售量已達900萬群/年[4]。

熊蜂一般在5～35℃下活動，在濕度為50～60%左右、溫度為26～27℃的環(huán)境條件下發(fā)育狀況較好[5]。在中國的北方地區(qū)冬季（11月～次年3月），最低溫度低于5℃，南方地區(qū)的夏季（6～9月），最高溫度高于35℃，都無法利用熊蜂進行授粉，這使得熊蜂授粉技術(shù)在我國的推廣造成了很大的困難。因此，為熊蜂提供一個局部存活環(huán)境，以保護其順利度過個別惡劣環(huán)境條件，并在外界環(huán)境適宜時仍能進行授粉提供保障，即研制出一種智能化的熊蜂氣候箱是解決這一問題的可行方法。

日本學者Masahiro Yoneda利用半導體制冷技術(shù)制成的熊蜂空調(diào)，將其置于風箱上部，在溫度較高時向風箱內(nèi)吹冷風，幫助熊蜂度過高溫。該裝置已產(chǎn)品化，并已在日本國內(nèi)銷售。但是其控制過程較為簡單，當箱內(nèi)溫度高于30℃時，空調(diào)開始全功率制冷，當溫度低于25℃時停止工作，溫度僅僅是開關(guān)量，控制不夠精確，會造成溫度較大幅度的波動（圖1）。此外，其只能制冷，不能加熱，不適用于低溫環(huán)境。本文研制了一種氣候箱，能自動精確控制箱體內(nèi)溫度處于熊蜂存活適宜溫度范圍，而非上下起伏波動。且保證箱體內(nèi)與外界溫差保持在一定范圍內(nèi)，不僅保證了熊蜂的正常存活，還可使熊蜂保持較佳的生理和授粉狀態(tài)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

1.1 裝置結(jié)構(gòu)與功能

熊蜂智能氣候箱（下簡稱本裝置）主要由溫濕度傳感器、單片機(MCU)控制電路、半導體制冷及加熱模塊、直流電源、溫度顯示報警電路、熱管散熱器、保溫箱體等部分組成（圖2）。

圖1 日本熊蜂空調(diào)的箱內(nèi)外溫度比較[6]

圖2 熊蜂智能氣候箱實物圖

本裝置采用伯爾帖元件（TEC12706）進行箱體內(nèi)溫度的調(diào)控，該器件在通上直流電壓時，可分別在其兩端吸收和放出熱量，而且僅需改變電壓極性，即可互換其冷端和熱端。因此利用該器不僅可以對箱內(nèi)進行制冷控制，亦可進行加熱控制，其特點是無運動部件，可靠性較高，控制過程方便等。伯爾帖元件的冷端和熱端利用熱管散熱器（圖2中5）進行散熱或傳熱，以增加其散熱或傳熱效果。溫度傳感器采用負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻（25℃時阻值為10K，B值為3950），分別裝于箱體內(nèi)和外部散熱器中，箱體內(nèi)的熱敏電阻（圖2中2）采集箱體內(nèi)溫度，并通過裝置外殼上的數(shù)碼管顯示，外部散熱器中的熱敏電阻用于控制外部風扇的轉(zhuǎn)速。箱內(nèi)風扇（圖2中4）用于增加傳熱效果并降低箱內(nèi)溫度梯度。

氣候箱箱體部分采用的是無味、抗菌、不易老化且具有保溫性能的發(fā)泡材料，箱體內(nèi)部設(shè)計綜合考慮風道、通風排濕出口及熊蜂出入口。

1.2 電路與程序

圖3 熊蜂智能氣候箱電路系統(tǒng)框圖

本裝置電路控制系統(tǒng)（圖3）利用51單片機（STC15F2K32S2）作為主控芯片，通過熱敏電阻采集溫度數(shù)據(jù)，并通過四只場效應(yīng)管構(gòu)成的H橋電路和脈寬調(diào)制（PWM）模式調(diào)控伯爾帖元件的功率和極性。裝置利用數(shù)碼管顯示箱內(nèi)溫度，利用蜂鳴器對溫度異常情況進行報警提示，同時設(shè)置單片機電子狗程序以防止程序出錯或死機。

伯爾帖元件功率和極性與箱體內(nèi)溫度（℃）有關(guān)，程序中的關(guān)系設(shè)定為：

式中，P為當前加熱或制冷功率，PHmax為伯爾帖元件工作在加熱狀態(tài)的加熱功率，PCmax為伯爾帖元件工作在制冷狀態(tài)的最大功率，T為蜂箱內(nèi)溫度。在溫度處于低于14℃時對蜂箱進行全功率加熱；在溫度處于14～17℃間時，對蜂箱進行可控功率加熱，且隨著溫度的增加，加熱功率線性減小；在溫度處于17～22℃之間時，因箱內(nèi)溫度適宜，不加熱也不制冷；在溫度處于22～28℃之間時，進行可控功率制冷，且隨著溫度的增加，制冷功率線性增加；在溫度高于28℃時全功率制冷。此外，當溫度大于45℃或小于5℃時，強行斷開電源，以防止溫度檢測異?；蚩刂瞥绦蝈e誤危及箱內(nèi)蜂群的安全。

2 實驗與分析

2.1 實驗材料與方法

將熊蜂（購自碧奧特生物科技有限公司）蜂箱置于本裝置箱體內(nèi)，將本裝置放置在番茄大棚內(nèi)（山東壽光）。將一支溫濕度記錄儀放置在本裝置的蜂箱內(nèi)，另一支放置在箱外，使用幾天后收集兩支溫濕度記錄儀，讀取其溫濕度數(shù)據(jù)。

圖4 熊蜂智能氣候箱內(nèi)外溫度比較

2.2 實驗結(jié)果與分析

（1）實驗中，大棚內(nèi)溫度在18～38℃之間變化，氣候箱內(nèi)溫度則穩(wěn)定在21～28℃之間（圖4）；且箱內(nèi)的溫度變化明顯比大棚內(nèi)溫度變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)日本熊蜂空調(diào)出現(xiàn)的溫度大幅波動（圖1），由此可見，本裝置實現(xiàn)了對氣候箱內(nèi)溫度的精確調(diào)控。

（2）實驗中，箱內(nèi)未出現(xiàn)熊蜂死亡的現(xiàn)象，熊蜂出蜂箱后能正常采集花蜜，箱體結(jié)構(gòu)也未影響熊蜂的正常進出蜂箱。但實驗中也發(fā)現(xiàn)，在大棚溫度過高時出現(xiàn)多例熊蜂撞大棚膜且不歸蜂箱的現(xiàn)象。

3 討論與結(jié)論

（1）國內(nèi)外除日本學者制作的熊蜂空調(diào)以外，未見相類似產(chǎn)品。本裝置可延長熊蜂授粉技術(shù)的使用時間，擴大其使用地域范圍。我國和國外的大部分地區(qū)，采用本裝置可以避免因極端溫度或者溫度差異過大導致的熊蜂授粉技術(shù)的棄用。

（2）本裝置利用了單片機程序和脈寬調(diào)制的方式來精確控制伯爾貼元件的加熱或制冷功率，與熊蜂空調(diào)相比，溫度控制更加精確，避免了溫度出現(xiàn)大幅波動。同時，在箱內(nèi)保持較適溫度范圍的基礎(chǔ)上，減小了箱內(nèi)外的溫差。這些措施為熊蜂提供了更為適宜的溫度環(huán)境，保證其處于較好的生理和授粉狀態(tài)。

（3）本裝置能較好的保護熊蜂蜂群在蜂箱內(nèi)的存活，但當外界出現(xiàn)極端高溫或低溫時，熊蜂仍出蜂箱活動，可能會導致其撞膜、出蜂箱后不歸，甚至死亡等異常情況。因此可以增加一個能夠檢測外界溫度和光強，進而自動控制蜂箱出口開關(guān)的裝置。本裝置仍有待進一步實驗改進。

[1]安建東,吳杰,彭文君等.明亮熊蜂和意大利蜜蜂在溫室桃園的訪花行為和傳粉生態(tài)學比較.[J]應(yīng)用生態(tài)學報,2007,18(5): 1071-1076.

[2]Peter.Frank Roseler.A technique for year round rearing of bombus terrestris (Apidea,bombini)colonies in capitivity.[J]Apidologie, 1985,16(2):165～170.

[3]蓋琴寶.地熊蜂蜂群發(fā)育性狀評價及其飼料花粉配比優(yōu)化.碩士學位論文.北京.中國農(nóng)業(yè)科學院,2015，1-2.

[4]耿金虎,王鳳鶴,徐希蓮.熊蜂的商業(yè)化繁育.全國蜂產(chǎn)品市場信息交流會.中國重慶,2006,46-52.

[5]道里剛.川渝地區(qū)熊蜂地理分布與重要環(huán)境因素之間的關(guān)系.碩士學位論文.四川.四川大學,2004，8-9.

[6] Masahiro Yoneda,Instruction of bumblebee air condition, Japan.

The development of the bumble bee intelligent climate box

Chen Minjia，Xu Yixiang,Bu Jiaxin,Zhong Tianci,Wang Ban，Zhao Boguang，Su Jun
（Nanjing Forestry University,Nanjing210037,China）

To develop an intelligent climate box,which can precisely regulate temperature to help Bombus terrestris surviving in extreme weather and improve its application time in agricultural producing.The temperature controlling effect of the climate box was tested in a tomato greenhouse in Shouguang City,Shandong Province.Results showed that, the temperature in the climate box was between 21℃ and 28℃while the temperature in the greenhouse was between 18℃ and 38℃.The temperature of the greenhouse and climate box was maintained at a certain temperature difference.

Bumblebee;climate box;MCU;peltier element

國家級大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目（201410298002Z）；江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃一般項目（201610298069Y）

陳敏佳，（1996-)，女，本科，生物技術(shù)專業(yè)，E-mail：1204192588@qq.com.

趙博光，教授，昆蟲化學生態(tài)學，E-mail：zhbg596@126.com；蘇峻，講師，生物物理學，E-mail：sujunphysics@126.com.