基于樹莓派的智能蜂箱及其降溫方法研究

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(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(gè)因素?，F(xiàn)如今，我國(guó)蜂農(nóng)獲取蜂箱內(nèi)蜜蜂的狀況和溫濕度主要通過開箱觀察，對(duì)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(fèi)人力物力，可能會(huì)對(duì)人造成傷害，還會(huì)干擾蜜蜂正常的工作和生活。

研究表明，蜂箱內(nèi)最適宜蜜蜂生活的溫度為15～25℃，蜂巢核心蜜蜂會(huì)自我調(diào)節(jié)溫度在35℃左右[1]，產(chǎn)子期的相對(duì)濕度在90%～95%最為適宜，蜂卵在相對(duì)濕度低于50%時(shí)不會(huì)孵化[2]。越冬期最適宜的空間相對(duì)濕度是75%～80%[3]。蜜蜂生產(chǎn)生活的不同時(shí)期有不同的溫濕度要求，因此針對(duì)蜜蜂生產(chǎn)生活的不同時(shí)期，要將溫濕度控制在不同的范圍之內(nèi)。若想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制蜂箱內(nèi)的溫濕度，首先需要實(shí)時(shí)獲取蜂箱內(nèi)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(dòng)化的方法控制蜂箱內(nèi)的溫濕度，以降低溫濕度變化對(duì)蜜蜂造成的影響，并減少人工投入。近年來，國(guó)內(nèi)基于樹莓派的溫濕度自動(dòng)采集被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域[4-6]，但主要應(yīng)用于溫室大棚或室內(nèi)這種大環(huán)境，卻鮮有人將樹莓派作為控制器對(duì)蜂箱的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制。對(duì)于蜂箱的溫濕度監(jiān)測(cè)大多是使用單片機(jī)[7-9]，但是單片機(jī)的擴(kuò)展性和功能完善性遠(yuǎn)不及樹莓派，許多功能實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。國(guó)外有學(xué)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(cè)[10]，并詳細(xì)記錄了1 年時(shí)間的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，證實(shí)了應(yīng)用樹莓派對(duì)蜂箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)的可行性和穩(wěn)定性，為樹莓派作為主控制器對(duì)蜂箱的溫濕度進(jìn)行控制提供了基礎(chǔ)。但無論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)于蜂箱溫濕度的探究還只停留在單純的監(jiān)測(cè)層面上，并沒有利用采集到的溫濕度數(shù)據(jù)對(duì)蜂箱的溫濕度進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)監(jiān)測(cè)及上傳蜂箱內(nèi)和周圍環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)自動(dòng)控制各元器件的啟停以調(diào)節(jié)蜂箱溫濕度的功能。在對(duì)該蜂箱的降溫方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而得出各種降溫方式的應(yīng)用條件及利弊。

1 總體結(jié)構(gòu)及溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)由PC 端和嵌入式設(shè)備端兩部分組成，如圖1 所示。嵌入式設(shè)備端指的是安裝在蜂箱內(nèi)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(fēng)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(dāng)數(shù)據(jù)不滿足設(shè)定的范圍時(shí)，由樹莓派自動(dòng)控制各執(zhí)行元器件的啟動(dòng)和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)蜂箱溫濕度的自動(dòng)控制。流程如圖2 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)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(shè)備設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)的所有基本功能。芯片采用BCM2711，頻率是1.5 GHz；主板上有2 個(gè)USB2.0 接口、2 個(gè)USB3.0 接口、2 個(gè) Micro HDMI 視頻輸出接口，40 個(gè)GPI0 接口，1 個(gè)Micro SD 卡插槽，并配有WiFi 模塊和藍(lán)牙模塊可以和上位機(jī)直接通訊。可以安裝看門狗，死機(jī)自動(dòng)恢復(fù)，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(dòng)、需用電池供電的設(shè)備上。并且樹莓派不僅可以對(duì)溫濕度信號(hào)進(jìn)行處理，還可以對(duì)視頻、定位信息等多種信號(hào)進(jìn)行處理[11]，為以后蜂箱的功能擴(kuò)展留有余地。

2.2 溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)

溫濕度采集模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集蜂箱內(nèi)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(shí)采集溫度和濕度信息，并且自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)。濕度量程，濕度測(cè)量誤差 ±5%RH；溫度測(cè)量范圍0～50 ℃，溫度測(cè)量誤差為 ±2 ℃。

2.3 供電模塊設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)

執(zhí)行元器件由4 個(gè)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(fēng)扇，如圖3（b）所示。采用5 V 的靜音小風(fēng)扇，主要負(fù)責(zé)蜂箱的機(jī)械通風(fēng)；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(gè)模塊和樹莓派的5 V 供電需要供電模塊處增加一個(gè)12 V 轉(zhuǎn)5 V的降壓模塊。第4 部分是半導(dǎo)體制冷模塊，如圖3（d）所示。制冷模塊由2 個(gè)風(fēng)扇、2 個(gè)鋁制散熱片和1 個(gè)半導(dǎo)體制冷片組成，其型號(hào)為TEC1-12 706，制冷模塊中的風(fēng)扇和半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)由樹莓派控制其開啟或關(guān)閉的目的。

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

2.5 蜂箱結(jié)構(gòu)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(shí)，又使其強(qiáng)度不發(fā)生改變，保證蜂箱不會(huì)因重物導(dǎo)致保溫泡沫板被壓垮。上蓋采用折疊式結(jié)構(gòu)，用合頁相連，在兩層中間配有一個(gè)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(shè)有2 個(gè)巢門。樹莓派放置在蜂箱左側(cè)的防水盒子中，并且左側(cè)擋板下部還設(shè)有一個(gè)制冷模塊。右側(cè)擋板上設(shè)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(cè)是散熱的一面，內(nèi)側(cè)為制冷面，并且制冷面的風(fēng)扇要用罩子保護(hù)，以避免對(duì)蜂箱內(nèi)的蜜蜂造成傷害。風(fēng)扇及加濕器水箱置于后方擋板上，風(fēng)扇同樣放于風(fēng)扇罩內(nèi)。DHT11 溫濕度傳感器及霧化加濕器放置于后側(cè)擋板的箱內(nèi)一側(cè)靠近底板的位置，避免對(duì)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(jié)構(gòu)及傳感器和各元器件的安裝工藝如圖4 所示。

圖4 蜂箱結(jié)構(gòu)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(cè)試

將蜂箱內(nèi)的正常溫度范圍定義為25～30 ℃，正常相對(duì)濕度范圍定義為大于50%。溫度低于25 ℃時(shí)，啟動(dòng)加熱模塊；高于30 ℃時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇；濕度不符合正常范圍時(shí)啟動(dòng)霧化加濕模塊。表1 中內(nèi)容是幾種蜂箱內(nèi)實(shí)測(cè)溫濕度情況下，各元器件的啟停情況（√表示開啟，×表示關(guān)閉）?？梢钥闯?，系統(tǒng)可以根據(jù)蜂箱內(nèi)的溫濕度條件自動(dòng)控制各元器件的啟停。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

4 降溫實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于在蜂箱內(nèi)有蜜蜂的情況下對(duì)蜂箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作可能會(huì)影響到蜜蜂的生活，并可能會(huì)對(duì)人造成傷害，所以實(shí)驗(yàn)在無蜂條件下的蜂箱進(jìn)行。在蜂箱外部氣溫高于蜂箱內(nèi)部的氣溫時(shí)，使用自然通風(fēng)或者機(jī)械通風(fēng)（風(fēng)扇）的效果可能會(huì)微乎其微，因此實(shí)驗(yàn)的基本流程是先啟動(dòng)加熱片，將蜂箱內(nèi)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(jìn)行降溫試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。除了蜂箱內(nèi)部需要安裝一個(gè)溫濕度傳感器，在蜂箱外部同樣需要安裝一個(gè)溫濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)室溫。用于降溫的執(zhí)行元器件風(fēng)扇、制冷器和加濕器可以分別進(jìn)行降溫，也可以組合進(jìn)行降溫，因此共有8 種組合方式需要進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)。8 種模式分別為：①利用風(fēng)扇降溫；②利用加濕器降溫；③利用制冷片降溫；④風(fēng)扇和加濕器組合降溫；⑤風(fēng)扇和制冷片組合降溫；⑥加濕器和制冷器組合降溫；⑦風(fēng)扇、加濕器和制冷片組合降溫；⑧自然通風(fēng)（各元器件關(guān)閉）。最后對(duì)這8 種模式下的降溫?cái)?shù)據(jù)繪制曲線并進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(fēng)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(fēng)扇進(jìn)行降溫和自然降溫的速率相仿，達(dá)到的穩(wěn)定溫度同樣相仿，雖然用加濕器對(duì)蜂箱進(jìn)行降溫的效果優(yōu)于自然降溫和風(fēng)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(jìn)行降溫，濕度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)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(dú)使用加濕器的方法應(yīng)主要用于短時(shí)間內(nèi)提高蜂箱內(nèi)的濕度，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的降溫并不可取。

除了單獨(dú)使用加濕器降溫以外，制冷片和加濕器的組合降溫也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將相對(duì)濕度提升到較高水平，其降溫效果優(yōu)于其他幾組實(shí)驗(yàn)，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(shè)置濕度的閾值，用來短時(shí)間內(nèi)快速降低蜂箱的溫度。在其他兩組有加濕器參與的實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)扇和加濕器的組合實(shí)驗(yàn)及風(fēng)扇、加濕器和制冷片的組合實(shí)驗(yàn)中，由于多了風(fēng)扇的參與，濕度雖然會(huì)上升，但是卻不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提升至極高水平，可以在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，這表明風(fēng)扇的機(jī)械通風(fēng)對(duì)于蜂箱內(nèi)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(shí)可以選擇風(fēng)扇單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)蜂箱進(jìn)行除濕。對(duì)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(fēng)扇和加濕器的組合，風(fēng)扇、加濕器和制冷片的組合中的一種，這兩組實(shí)驗(yàn)雖然后者的降溫效果優(yōu)于前者，但是能耗遠(yuǎn)高于前者，所以選擇風(fēng)扇和加濕器的組合。

如果在箱內(nèi)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(jìn)行降溫，可以選擇的降溫方式有單獨(dú)用制冷片進(jìn)行降溫和制冷片與風(fēng)扇組合進(jìn)行降溫的方式，這兩種方式的降溫效果相仿。但是用風(fēng)扇和制冷片組合降溫存在一個(gè)問題，在箱外濕度低于箱內(nèi)濕度而箱內(nèi)濕度處于正常水平時(shí)，打開風(fēng)扇會(huì)使箱內(nèi)濕度逐漸達(dá)到與箱外同一水平，從而使箱內(nèi)的濕度變得不正常，因此此時(shí)應(yīng)該選擇單獨(dú)使用制冷片進(jìn)行降溫。同理風(fēng)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(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于樹莓派的智能蜂箱可以實(shí)時(shí)采集蜂箱內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)并儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)了蜂箱溫濕度的自動(dòng)控制，很好地利用了樹莓派擴(kuò)展性強(qiáng)的特性，為蜂箱實(shí)現(xiàn)了溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。對(duì)涉及到的幾種降溫方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，總結(jié)出了不同溫濕度條件下應(yīng)該選擇怎樣的降溫方式對(duì)蜂箱進(jìn)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(diào)整到合適范圍即可，操作簡(jiǎn)便，可以為蜂場(chǎng)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。