熊蜂智能气候箱的研制

陈敏佳 徐翌翔 布佳鑫 钟天慈 王 班 赵博光 苏 峻

（南京林业大学，南京210037）

熊蜂智能气候箱的研制

陈敏佳 徐翌翔 布佳鑫 钟天慈 王 班 赵博光 苏 峻

（南京林业大学，南京210037）

研制一种可以帮助欧洲地熊蜂（Bombus terrestris）度过极端温度的可精确调控温度的智能气候箱，提高其在农业生产中的应用时效。在山东寿光番茄大棚内进行气候箱控温效果实验，结果表明，大棚温度在18～38℃变化时，气候箱内的温度控制在21～28℃;箱内温度变化平稳，且与大棚温度维持在一定的温度差。

熊蜂；气候箱；单片机；伯尔帖元件

熊蜂属于膜翅目（Hymenoptera）蜜蜂科（Apidae）熊蜂属（Bombus），其具有进化程度低、趋光性差、活动起点温度低等生物学特性。比家养蜜蜂更容易适应温室的环境，从而成为温室果菜传粉的理想昆虫[1]。利用熊蜂为温室果菜传粉，不仅能够促进坐果率，提高产量，还避免了传统生产中应用植物生长调节剂等处理花朵而带来的激素污染，能够显著改善果实籽粒品质。20世纪80年代，德国科学家突破了地熊蜂（Bombus terrestris）的人工周年繁育技术[2]，熊蜂商业化饲养逐步开展。目前商品化生产的熊蜂群已被推广至世界各地，每年繁育上百万群熊蜂蜂群（主要有B．terrestris和B．impatiens）[3]。商业化繁育的熊蜂有5种，其中主要为欧亚B．terrestris蜂种，据估计，2006时B．terrestris蜂群在全世界的销售量已达900万群/年[4]。

熊蜂一般在5～35℃下活动，在湿度为50～60%左右、温度为26～27℃的环境条件下发育状况较好[5]。在中国的北方地区冬季（11月～次年3月），最低温度低于5℃，南方地区的夏季（6～9月），最高温度高于35℃，都无法利用熊蜂进行授粉，这使得熊蜂授粉技术在我国的推广造成了很大的困难。因此，为熊蜂提供一个局部存活环境，以保护其顺利度过个别恶劣环境条件，并在外界环境适宜时仍能进行授粉提供保障，即研制出一种智能化的熊蜂气候箱是解决这一问题的可行方法。

日本学者Masahiro Yoneda利用半导体制冷技术制成的熊蜂空调，将其置于风箱上部，在温度较高时向风箱内吹冷风，帮助熊蜂度过高温。该装置已产品化，并已在日本国内销售。但是其控制过程较为简单，当箱内温度高于30℃时，空调开始全功率制冷，当温度低于25℃时停止工作，温度仅仅是开关量，控制不够精确，会造成温度较大幅度的波动（图1）。此外，其只能制冷，不能加热，不适用于低温环境。本文研制了一种气候箱，能自动精确控制箱体内温度处于熊蜂存活适宜温度范围，而非上下起伏波动。且保证箱体内与外界温差保持在一定范围内，不仅保证了熊蜂的正常存活，还可使熊蜂保持较佳的生理和授粉状态。

1 系统结构和功能

1.1 装置结构与功能

熊蜂智能气候箱（下简称本装置）主要由温湿度传感器、单片机(MCU)控制电路、半导体制冷及加热模块、直流电源、温度显示报警电路、热管散热器、保温箱体等部分组成（图2）。

图1 日本熊蜂空调的箱内外温度比较[6]

图2 熊蜂智能气候箱实物图

本装置采用伯尔帖元件（TEC12706）进行箱体内温度的调控，该器件在通上直流电压时，可分别在其两端吸收和放出热量，而且仅需改变电压极性，即可互换其冷端和热端。因此利用该器不仅可以对箱内进行制冷控制，亦可进行加热控制，其特点是无运动部件，可靠性较高，控制过程方便等。伯尔帖元件的冷端和热端利用热管散热器（图2中5）进行散热或传热，以增加其散热或传热效果。温度传感器采用负温度系数（NTC）热敏电阻（25℃时阻值为10K，B值为3950），分别装于箱体内和外部散热器中，箱体内的热敏电阻（图2中2）采集箱体内温度，并通过装置外壳上的数码管显示，外部散热器中的热敏电阻用于控制外部风扇的转速。箱内风扇（图2中4）用于增加传热效果并降低箱内温度梯度。

气候箱箱体部分采用的是无味、抗菌、不易老化且具有保温性能的发泡材料，箱体内部设计综合考虑风道、通风排湿出口及熊蜂出入口。

1.2 电路与程序

图3 熊蜂智能气候箱电路系统框图

本装置电路控制系统（图3）利用51单片机（STC15F2K32S2）作为主控芯片，通过热敏电阻采集温度数据，并通过四只场效应管构成的H桥电路和脉宽调制（PWM）模式调控伯尔帖元件的功率和极性。装置利用数码管显示箱内温度，利用蜂鸣器对温度异常情况进行报警提示，同时设置单片机电子狗程序以防止程序出错或死机。

伯尔帖元件功率和极性与箱体内温度（℃）有关，程序中的关系设定为：

式中，P为当前加热或制冷功率，PHmax为伯尔帖元件工作在加热状态的加热功率，PCmax为伯尔帖元件工作在制冷状态的最大功率，T为蜂箱内温度。在温度处于低于14℃时对蜂箱进行全功率加热；在温度处于14～17℃间时，对蜂箱进行可控功率加热，且随着温度的增加，加热功率线性减小；在温度处于17～22℃之间时，因箱内温度适宜，不加热也不制冷；在温度处于22～28℃之间时，进行可控功率制冷，且随着温度的增加，制冷功率线性增加；在温度高于28℃时全功率制冷。此外，当温度大于45℃或小于5℃时，强行断开电源，以防止温度检测异常或控制程序错误危及箱内蜂群的安全。

2 实验与分析

2.1 实验材料与方法

将熊蜂（购自碧奥特生物科技有限公司）蜂箱置于本装置箱体内，将本装置放置在番茄大棚内（山东寿光）。将一支温湿度记录仪放置在本装置的蜂箱内，另一支放置在箱外，使用几天后收集两支温湿度记录仪，读取其温湿度数据。

图4 熊蜂智能气候箱内外温度比较

2.2 实验结果与分析

（1）实验中，大棚内温度在18～38℃之间变化，气候箱内温度则稳定在21～28℃之间（图4）；且箱内的温度变化明显比大棚内温度变化平稳，未出现日本熊蜂空调出现的温度大幅波动（图1），由此可见，本装置实现了对气候箱内温度的精确调控。

（2）实验中，箱内未出现熊蜂死亡的现象，熊蜂出蜂箱后能正常采集花蜜，箱体结构也未影响熊蜂的正常进出蜂箱。但实验中也发现，在大棚温度过高时出现多例熊蜂撞大棚膜且不归蜂箱的现象。

3 讨论与结论

（1）国内外除日本学者制作的熊蜂空调以外，未见相类似产品。本装置可延长熊蜂授粉技术的使用时间，扩大其使用地域范围。我国和国外的大部分地区，采用本装置可以避免因极端温度或者温度差异过大导致的熊蜂授粉技术的弃用。

（2）本装置利用了单片机程序和脉宽调制的方式来精确控制伯尔贴元件的加热或制冷功率，与熊蜂空调相比，温度控制更加精确，避免了温度出现大幅波动。同时，在箱内保持较适温度范围的基础上，减小了箱内外的温差。这些措施为熊蜂提供了更为适宜的温度环境，保证其处于较好的生理和授粉状态。

（3）本装置能较好的保护熊蜂蜂群在蜂箱内的存活，但当外界出现极端高温或低温时，熊蜂仍出蜂箱活动，可能会导致其撞膜、出蜂箱后不归，甚至死亡等异常情况。因此可以增加一个能够检测外界温度和光强，进而自动控制蜂箱出口开关的装置。本装置仍有待进一步实验改进。

[1]安建东,吴杰,彭文君等.明亮熊蜂和意大利蜜蜂在温室桃园的访花行为和传粉生态学比较.[J]应用生态学报,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]盖琴宝.地熊蜂蜂群发育性状评价及其饲料花粉配比优化.硕士学位论文.北京.中国农业科学院,2015，1-2.

[4]耿金虎,王凤鹤,徐希莲.熊蜂的商业化繁育.全国蜂产品市场信息交流会.中国重庆,2006,46-52.

[5]道里刚.川渝地区熊蜂地理分布与重要环境因素之间的关系.硕士学位论文.四川.四川大学,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

国家级大学生实践创新训练计划项目（201410298002Z）；江苏省大学生实践创新训练计划一般项目（201610298069Y）

陈敏佳，（1996-)，女，本科，生物技术专业，E-mail：1204192588@qq.com.

赵博光，教授，昆虫化学生态学，E-mail：zhbg596@126.com；苏峻，讲师，生物物理学，E-mail：sujunphysics@126.com.