智能蜂箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李鵬程

成都師范學(xué)院，四川成都

0 引言

智能蜂箱是一種將智能技術(shù)（包括傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等）運(yùn)用到養(yǎng)蜂過(guò)程中的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂箱環(huán)境與蜜蜂活動(dòng)的智能監(jiān)測(cè)，具體來(lái)說(shuō)就是通過(guò)對(duì)蜂箱內(nèi)溫濕度采集與控制對(duì)蜂蜜產(chǎn)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過(guò)所采集的蜂箱數(shù)據(jù)對(duì)蜜蜂行為進(jìn)行分析以及對(duì)蜂群智能養(yǎng)殖進(jìn)行指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以STC15W4K56S4單片機(jī)為核心，主要由電源模塊、溫濕度傳感器模塊、時(shí)鐘模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成。其中，電源模塊用鋰電池供電，通過(guò)DC-DC 直流穩(wěn)壓5.0 V 供電；時(shí)鐘模塊采用DS1302 芯片進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)；溫濕度傳感器采用DTH11 芯片進(jìn)行蜂箱內(nèi)的溫度和濕度檢測(cè)并顯示在LCD1602 顯示屏；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，通過(guò)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)給蜂箱送風(fēng)達(dá)到降溫效果；當(dāng)溫度較低時(shí)，通過(guò)發(fā)熱電阻絲導(dǎo)通發(fā)熱，轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇送熱風(fēng)使蜂箱溫度均勻升高。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

2 主要電路原理

2.1 單片機(jī)控制電路

STC15W4K56S4 單片機(jī)具有高速、高可靠、寬電壓、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特性，擁有8 通道10 位高速AD，高精度PWM 輸出等特點(diǎn)。該單片機(jī)的工作電壓為2.5～5.5 V，內(nèi)存大、運(yùn)行速度快。單片機(jī)電路如圖2所示。

2.2 溫濕度模塊

本研究設(shè)計(jì)的智能蜂箱溫濕度數(shù)據(jù)采集終端采用了DHT11 溫濕度傳感器，該傳感器是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其內(nèi)部含有一個(gè)NTC 測(cè)溫元件與一個(gè)電阻式測(cè)濕元件，使之擁有檢測(cè)溫度和濕度的功能，濕度的量程范圍為20%～90% RH（精度為±5%RH），溫度的檢測(cè)范圍為0～50 ℃（精度為±2 ℃），供電范圍為3.3～5.5 V，具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等特點(diǎn)。DHT11溫濕度傳感器如圖3所示。

DHT11 具有單總線接口，僅需要占用一個(gè)I/O 端口，使得DHT11 與主控制器STC15W4K56S4 單片機(jī)之間的通信變得十分簡(jiǎn)易快捷。傳感器一次的通訊時(shí)間為4 ms 左右，DHT11發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，送出40 Bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，將溫度和濕度的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，如果沒有接受到MCU 發(fā)送的開始信號(hào)，DHT11 不會(huì)進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集。

圖2 單片機(jī)電路

圖3 DHT11溫濕度傳感器實(shí)物

DHT11溫濕度傳感器電路如圖4所示，該部分主要由溫濕度傳感器DHT11、一節(jié)4.7kΩ 電阻、一節(jié)220μF電容等組成。其中，DHT11 芯片的引腳1 接VCC，引腳2 接電阻R2 并接到VCC，引腳2 與單片機(jī)的引腳7 相連，引腳4接地，電容C4具有穩(wěn)壓的作用并接VCC和GND。

2.3 時(shí)鐘模塊電路

DS1302是一種高性能、低功耗、帶RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，工作電壓為2.0～5.5 V。該芯片可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM 數(shù)據(jù)。本電路采用5.0 V 供電，芯片的RST、SCLK、I/O 端口分別與單片機(jī)的P2.7、P2.5、P2.6相連，X1、X2 端口接32.768 kHz 的晶振。通過(guò)該時(shí)鐘芯片對(duì)蜂箱進(jìn)行定時(shí)、計(jì)時(shí)等功能來(lái)使蜂箱更加智能化。DS1302芯片電路如圖5所示。

2.4 顯示模塊

本設(shè)計(jì)的顯示模塊采用的是LCD1602 液晶顯示屏，LCD1602 是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣式LCD，可以顯示兩行，每行16 個(gè)字符（一個(gè)漢字占用兩個(gè)字符）共32 個(gè)字符。LCD1602 芯片的工作電壓為4.5～5.5 V，其最佳工作電壓為5.0 V。LCD1602 芯片的RS、RW、EN 引腳分別與單片機(jī)的P1.2、P1.3、P1.4 相連，數(shù)據(jù)引腳D0～D7 連接單片機(jī)的P0 端。LCD1602 顯示電路如圖6所示。

2.5 DC-DC直流穩(wěn)壓模塊

DC-DC 直流穩(wěn)壓模塊是用開關(guān)電源的原理實(shí)現(xiàn)的，DC-DC 內(nèi)部有振蕩器和斬波模塊，而在輸出端有一個(gè)電容進(jìn)行濾波，只要電容足夠大，其結(jié)果就等于將中間的那個(gè)脈沖波形進(jìn)行微積分，從而輸出一個(gè)5.0 V 的直流波形，這樣就可以給單片機(jī)供電從而驅(qū)動(dòng)舵機(jī)達(dá)到送風(fēng)降溫和升溫等功能。DC-DC直流穩(wěn)壓模塊電路如圖7所示。

圖4 DHT11溫濕度傳感器電路

圖5 時(shí)鐘模塊電路

3 程序流程圖

本設(shè)計(jì)的程序流程如圖8所示。程序開始，經(jīng)過(guò)一系列初始化后，溫濕度傳感器開始采集溫濕度數(shù)據(jù)，時(shí)鐘芯片采集時(shí)間，通過(guò)數(shù)據(jù)處理將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏進(jìn)行顯示當(dāng)前的溫濕度，程序判斷當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)是否滿足設(shè)定范圍，如果不滿足，蜂鳴器將會(huì)響動(dòng)達(dá)到報(bào)警效果，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)舵機(jī)使風(fēng)扇送風(fēng)給蜂箱內(nèi)部進(jìn)行降溫或升溫；如果滿足，程序直接跳到數(shù)據(jù)顯示部分，使當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一個(gè)采集過(guò)程結(jié)束，將進(jìn)行下一個(gè)采集過(guò)程，使蜂箱內(nèi)環(huán)境能夠穩(wěn)定。

圖6 LCD1602顯示電路

圖7 DC-DC直流穩(wěn)壓模塊電路

圖8 程序流程圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能蜂箱裝置，能夠?qū)貪穸蕊@示在顯示屏上以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，能在溫度過(guò)高或低時(shí)進(jìn)行報(bào)警并對(duì)蜂箱進(jìn)行降溫或升溫。

綜上所述，智能蜂箱一方面可以幫助蜂農(nóng)減輕養(yǎng)蜂工作負(fù)擔(dān)，提高他們的工作效率，實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)蜂、智慧養(yǎng)蜂；另一方面可以把蜂農(nóng)對(duì)蜜蜂活動(dòng)的影響降到最低，并基于監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行通風(fēng)控溫，及時(shí)地為蜜蜂提供舒適的繁殖和產(chǎn)蜜環(huán)境，提高蜂蜜的產(chǎn)量和質(zhì)量。