基于树莓派的智能蜂箱及其降温方法研究

曹如玥，侯开虎，包迪，杨道清，姬思阳

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

蜂箱的温度和湿度是蜜蜂生产生活最重要的两个因素。现如今，我国蜂农获取蜂箱内蜜蜂的状况和温湿度主要通过开箱观察，对于蜂箱温湿度的控制依然停留在人工洒水、撒石灰、开窗等方法。这样做不仅浪费人力物力，可能会对人造成伤害，还会干扰蜜蜂正常的工作和生活。

研究表明，蜂箱内最适宜蜜蜂生活的温度为15～25℃，蜂巢核心蜜蜂会自我调节温度在35℃左右[1]，产子期的相对湿度在90%～95%最为适宜，蜂卵在相对湿度低于50%时不会孵化[2]。越冬期最适宜的空间相对湿度是75%～80%[3]。蜜蜂生产生活的不同时期有不同的温湿度要求，因此针对蜜蜂生产生活的不同时期，要将温湿度控制在不同的范围之内。若想实现自动控制蜂箱内的温湿度，首先需要实时获取蜂箱内的温湿度数据；之后，根据采集到的数据，采用自动化的方法控制蜂箱内的温湿度，以降低温湿度变化对蜜蜂造成的影响，并减少人工投入。近年来，国内基于树莓派的温湿度自动采集被广泛运用于各个领域[4-6]，但主要应用于温室大棚或室内这种大环境，却鲜有人将树莓派作为控制器对蜂箱的温湿度进行监测、控制。对于蜂箱的温湿度监测大多是使用单片机[7-9]，但是单片机的扩展性和功能完善性远不及树莓派，许多功能实现起来较为复杂。国外有学者将树莓派用于蜂箱的温湿度、二氧化碳含量、重量和噪音监测[10]，并详细记录了1 年时间的各项数据，证实了应用树莓派对蜂箱内温湿度监测的可行性和稳定性，为树莓派作为主控制器对蜂箱的温湿度进行控制提供了基础。但无论国内还是国外，对于蜂箱温湿度的探究还只停留在单纯的监测层面上，并没有利用采集到的温湿度数据对蜂箱的温湿度进行自动控制。

本文提出一种基于树莓派的智能蜂箱。该蜂箱具有自动监测及上传蜂箱内和周围环境温湿度数据，并根据数据自动控制各元器件的启停以调节蜂箱温湿度的功能。在对该蜂箱的降温方法进行实验后，对实验结果进行比较分析，从而得出各种降温方式的应用条件及利弊。

1 总体结构及温湿度控制系统设计

总体结构由PC 端和嵌入式设备端两部分组成，如图1 所示。嵌入式设备端指的是安装在蜂箱内的树莓派及树莓派上安装的温湿度传感器和各执行元器件（包括风扇、加湿雾化模块、加热模块和制冷模块）。温湿度传感器将采集到的温湿度数据经由树莓派通过WiFi 传到PC 端的数据库中。当数据不满足设定的范围时，由树莓派自动控制各执行元器件的启动和关闭实现蜂箱温湿度的自动控制。流程如图2 所示。

图1 总体结构图Fig.1 Overall structure diagram

图2 温湿度控制流程图Fig.2 Temperature and humidity control flow chart

2 蜂箱嵌入式设备设计

2.1 主控制器

主控制器采用树莓派4B。树莓派是一款基于ARM 的微型电脑主板，体积虽小，但具有计算机的所有基本功能。芯片采用BCM2711，频率是1.5 GHz；主板上有2 个USB2.0 接口、2 个USB3.0 接口、2 个 Micro HDMI 视频输出接口，40 个GPI0 接口，1 个Micro SD 卡插槽，并配有WiFi 模块和蓝牙模块可以和上位机直接通讯。可以安装看门狗，死机自动恢复，提高了其稳定性和可靠性。树莓派的功耗不高，适合放置在经常移动、需用电池供电的设备上。并且树莓派不仅可以对温湿度信号进行处理，还可以对视频、定位信息等多种信号进行处理[11]，为以后蜂箱的功能扩展留有余地。

2.2 温湿度采集模块设计

温湿度采集模块负责实时采集蜂箱内的温湿度数据。温湿度采集使用DHT11 数字型温湿度传感器，可以同时采集温度和湿度信息，并且自带模数转换芯片，可以直接输出数字信号。湿度量程，湿度测量误差 ±5%RH；温度测量范围0～50 ℃，温度测量误差为 ±2 ℃。

2.3 供电模块设计

由于蜂箱经常放置于偏僻无人的地方，所以电力是智能蜂箱面临的一大难题。本文的蜂箱采用太阳能供电，供电模块主要由太阳能电池板和12 V 充电式锂电池组成，再根据树莓派和各执行元器件的电压要求选择适合的DC-DC 模块，以满足各元器件不同的电压要求。

2.4 执行元器件设计

执行元器件由4 个部分组成。第1 部分是加热片，如图3（a）所示，额定电压5 V，起到给蜂箱升温的作用；第2 部分是风扇，如图3（b）所示。采用5 V 的静音小风扇，主要负责蜂箱的机械通风；第3 部分是雾化加湿器模块，如图3（c）所示。电压DV 5 V，功率2 W，通过将水雾化起到增加蜂箱湿度的作用。以上3 个模块和树莓派的5 V 供电需要供电模块处增加一个12 V 转5 V的降压模块。第4 部分是半导体制冷模块，如图3（d）所示。制冷模块由2 个风扇、2 个铝制散热片和1 个半导体制冷片组成，其型号为TEC1-12 706，制冷模块中的风扇和半导体制冷片的额定电压为12 V，可以使用蓄电池直接供电，在正常使用中，其功率大概为48 W。一组制冷模块的功率大概为50 W。各执行元器件需要通过继电器与树莓派相连，从而实现由树莓派控制其开启或关闭的目的。

图3 执行元器件Fig.3 Executive components

2.5 蜂箱结构及各传感器与元器件的安装

蜂箱四周及底部采用保温泡沫板，上下边框由轻薄的铝型材制成，并用筋板相连，在减轻重量的同时，又使其强度不发生改变，保证蜂箱不会因重物导致保温泡沫板被压垮。上盖采用折叠式结构，用合页相连，在两层中间配有一个支架。下层为普通的蜂箱盖子，上层为太阳能电池板，支架的支撑角度为40°，以便更好地接收太阳光照。蜂箱正面挡板上设有2 个巢门。树莓派放置在蜂箱左侧的防水盒子中，并且左侧挡板下部还设有一个制冷模块。右侧挡板上设有充电式锂电池和另一组制冷模块。制冷模块的制冷片要置于蜂箱挡板的泡沫中间，以防止环境因素干扰，且外侧是散热的一面，内侧为制冷面，并且制冷面的风扇要用罩子保护，以避免对蜂箱内的蜜蜂造成伤害。风扇及加湿器水箱置于后方挡板上，风扇同样放于风扇罩内。DHT11 温湿度传感器及雾化加湿器放置于后侧挡板的箱内一侧靠近底板的位置，避免对巢脾安装造成影响。加热片隐于底板表面之下。以上所介绍的结构及传感器和各元器件的安装工艺如图4 所示。

图4 蜂箱结构及传感器与各元器件的安装工艺示意图Fig.4 Beehive structure and installation process of sensor and various components

3 系统测试

将蜂箱内的正常温度范围定义为25～30 ℃，正常相对湿度范围定义为大于50%。温度低于25 ℃时，启动加热模块；高于30 ℃时，启动风扇；湿度不符合正常范围时启动雾化加湿模块。表1 中内容是几种蜂箱内实测温湿度情况下，各元器件的启停情况（√表示开启，×表示关闭）。可以看出，系统可以根据蜂箱内的温湿度条件自动控制各元器件的启停。

表1 测试结果Tab.1 Test results

4 降温实验方案及实验结果分析

由于在蜂箱内有蜜蜂的情况下对蜂箱进行实验操作可能会影响到蜜蜂的生活，并可能会对人造成伤害，所以实验在无蜂条件下的蜂箱进行。在蜂箱外部气温高于蜂箱内部的气温时，使用自然通风或者机械通风（风扇）的效果可能会微乎其微，因此实验的基本流程是先启动加热片，将蜂箱内部升温至高于蜂箱外温度10 ℃左右，之后分别开启不同的元器件进行降温试验并记录数据。除了蜂箱内部需要安装一个温湿度传感器，在蜂箱外部同样需要安装一个温湿度传感器用于监测室温。用于降温的执行元器件风扇、制冷器和加湿器可以分别进行降温，也可以组合进行降温，因此共有8 种组合方式需要进行降温实验。8 种模式分别为：①利用风扇降温；②利用加湿器降温；③利用制冷片降温；④风扇和加湿器组合降温；⑤风扇和制冷片组合降温；⑥加湿器和制冷器组合降温；⑦风扇、加湿器和制冷片组合降温；⑧自然通风（各元器件关闭）。最后对这8 种模式下的降温数据绘制曲线并进行分析。实验所得的温湿度数据曲线如图5、图6 所示。

图5 降温阶段各组实验的温度变化曲线Fig.5 Temperature change curve of each group of experiments in cooling stage

图6 降温阶段各组实验的湿度变化曲线Fig.6 Humidity curve of each group of experiments in cooling phase

由图5 温度变化图中可以看出，自然降温、利用风扇和加湿器降温的方式无法将温度降至室温以下，并且用风扇进行降温和自然降温的速率相仿，达到的稳定温度同样相仿，虽然用加湿器对蜂箱进行降温的效果优于自然降温和风扇降温，但是在图6 湿度图中我们可以明显看到，用加湿器进行降温，湿度会在短时间内快速升高，甚至超过传感器的量程，湿度过大同样不利于蜜蜂的健康生存。所以单独使用加湿器的方法应主要用于短时间内提高蜂箱内的湿度，进行长时间的降温并不可取。

除了单独使用加湿器降温以外，制冷片和加湿器的组合降温也会在短时间内将相对湿度提升到较高水平，其降温效果优于其他几组实验，如果蜂箱处于温度非常高且湿度较低的温湿度环境中，可以为这种降温方式设置湿度的阈值，用来短时间内快速降低蜂箱的温度。在其他两组有加湿器参与的实验中，风扇和加湿器的组合实验及风扇、加湿器和制冷片的组合实验中，由于多了风扇的参与，湿度虽然会上升，但是却不会在短时间内提升至极高水平，可以在一段时间内达到稳定，这表明风扇的机械通风对于蜂箱内湿度高于蜂箱外湿度的情况具有很好的除湿效果。所以，在蜂箱温度正常而湿度大且高于外界环境时可以选择风扇单独运转对蜂箱进行除湿。对于温度略高于正常水平、湿度低于正常水平的情况，不需要使温度快速下降，可以选择风扇和加湿器的组合，风扇、加湿器和制冷片的组合中的一种，这两组实验虽然后者的降温效果优于前者，但是能耗远高于前者，所以选择风扇和加湿器的组合。

如果在箱内湿度正常的情况下就不能选择用加湿器参与降温的方式进行降温，可以选择的降温方式有单独用制冷片进行降温和制冷片与风扇组合进行降温的方式，这两种方式的降温效果相仿。但是用风扇和制冷片组合降温存在一个问题，在箱外湿度低于箱内湿度而箱内湿度处于正常水平时，打开风扇会使箱内湿度逐渐达到与箱外同一水平，从而使箱内的湿度变得不正常，因此此时应该选择单独使用制冷片进行降温。同理风扇和制冷片的组合降温适用于温度高湿度也高的情况下。

5 结束语

本文设计的基于树莓派的智能蜂箱可以实时采集蜂箱内外的环境数据并储存到数据库中，并根据采集到的数据利用各执行元器件实现了蜂箱温湿度的自动控制，很好地利用了树莓派扩展性强的特性，为蜂箱实现了温湿度自动调节的功能。对涉及到的几种降温方法进行了实验分析，总结出了不同温湿度条件下应该选择怎样的降温方式对蜂箱进行降温，之后只需在蜜蜂生产生活的不同阶段将温湿度的阈值调整到合适范围即可，操作简便，可以为蜂场减少大量的人力物力。在以后的研究中，还可以在蜂箱上添加摄像头、定位模块、称重模块等，继续完善智能蜂箱的功能，使养蜂变得更加便捷。