智能蜂箱的設計與實現

李鵬程

成都師范學院，四川成都

0 引言

智能蜂箱是一種將智能技術（包括傳感器技術、嵌入式技術、單片機技術等）運用到養蜂過程中的設備，實現對蜂箱環境與蜜蜂活動的智能監測，具體來說就是通過對蜂箱內溫濕度采集與控制對蜂蜜產量進行監測；通過所采集的蜂箱數據對蜜蜂行為進行分析以及對蜂群智能養殖進行指導。

1 系統設計框圖

如圖1所示，整個系統結構以STC15W4K56S4單片機為核心，主要由電源模塊、溫濕度傳感器模塊、時鐘模塊、舵機驅動模塊等組成。其中，電源模塊用鋰電池供電，通過DC-DC 直流穩壓5.0 V 供電；時鐘模塊采用DS1302 芯片進行計數定時；溫濕度傳感器采用DTH11 芯片進行蜂箱內的溫度和濕度檢測并顯示在LCD1602 顯示屏；當溫度過高時，觸發蜂鳴器報警，通過驅動舵機給蜂箱送風達到降溫效果；當溫度較低時，通過發熱電阻絲導通發熱，轉動風扇送熱風使蜂箱溫度均勻升高。

圖1 系統方案框圖

2 主要電路原理

2.1 單片機控制電路

STC15W4K56S4 單片機具有高速、高可靠、寬電壓、低功耗、超強抗干擾的特性，擁有8 通道10 位高速AD，高精度PWM 輸出等特點。該單片機的工作電壓為2.5～5.5 V，內存大、運行速度快。單片機電路如圖2所示。

2.2 溫濕度模塊

本研究設計的智能蜂箱溫濕度數據采集終端采用了DHT11 溫濕度傳感器，該傳感器是含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其內部含有一個NTC 測溫元件與一個電阻式測濕元件，使之擁有檢測溫度和濕度的功能，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期穩定性等特點。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I/O 端口，使得DHT11 與主控制器STC15W4K56S4 單片機之間的通信變得十分簡易快捷。傳感器一次的通訊時間為4 ms 左右，DHT11發出響應信號，送出40 Bit的數據，并觸發一次信號采集，將溫度和濕度的數據傳輸給單片機，如果沒有接受到MCU 發送的開始信號，DHT11 不會進行溫濕度數據采集。

圖2 單片機電路

圖3 DHT11溫濕度傳感器實物

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4.7kΩ 電阻、一節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 與單片機的引腳7 相連，引腳4接地，電容C4具有穩壓的作用并接VCC和GND。

2.3 時鐘模塊電路

DS1302是一種高性能、低功耗、帶RAM 的實時時鐘芯片，通過簡單的串行接口與單片機進行通信，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，工作電壓為2.0～5.5 V。該芯片可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM 數據。本電路采用5.0 V 供電，芯片的RST、SCLK、I/O 端口分別與單片機的P2.7、P2.5、P2.6相連，X1、X2 端口接32.768 kHz 的晶振。通過該時鐘芯片對蜂箱進行定時、計時等功能來使蜂箱更加智能化。DS1302芯片電路如圖5所示。

2.4 顯示模塊

本設計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、數字、符號等的點陣式LCD，可以顯示兩行，每行16 個字符（一個漢字占用兩個字符）共32 個字符。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 引腳分別與單片機的P1.2、P1.3、P1.4 相連，數據引腳D0～D7 連接單片機的P0 端。LCD1602 顯示電路如圖6所示。

2.5 DC-DC直流穩壓模塊

DC-DC 直流穩壓模塊是用開關電源的原理實現的，DC-DC 內部有振蕩器和斬波模塊，而在輸出端有一個電容進行濾波，只要電容足夠大，其結果就等于將中間的那個脈沖波形進行微積分，從而輸出一個5.0 V 的直流波形，這樣就可以給單片機供電從而驅動舵機達到送風降溫和升溫等功能。DC-DC直流穩壓模塊電路如圖7所示。

圖4 DHT11溫濕度傳感器電路

圖5 時鐘模塊電路

3 程序流程圖

本設計的程序流程如圖8所示。程序開始，經過一系列初始化后，溫濕度傳感器開始采集溫濕度數據，時鐘芯片采集時間，通過數據處理將數據傳輸到顯示屏進行顯示當前的溫濕度，程序判斷當前的溫濕度數據是否滿足設定范圍，如果不滿足，蜂鳴器將會響動達到報警效果，單片機將驅動舵機使風扇送風給蜂箱內部進行降溫或升溫；如果滿足，程序直接跳到數據顯示部分，使當前溫濕度數據顯示在顯示屏上以便實時監測，一個采集過程結束，將進行下一個采集過程，使蜂箱內環境能夠穩定。

圖6 LCD1602顯示電路

圖7 DC-DC直流穩壓模塊電路

圖8 程序流程圖

4 總結

本文設計了一種基于單片機的智能蜂箱裝置，能夠將溫濕度顯示在顯示屏上以便實時監測，同時，能在溫度過高或低時進行報警并對蜂箱進行降溫或升溫。

綜上所述，智能蜂箱一方面可以幫助蜂農減輕養蜂工作負擔，提高他們的工作效率，實現科學養蜂、智慧養蜂；另一方面可以把蜂農對蜜蜂活動的影響降到最低，并基于監測結果進行通風控溫，及時地為蜜蜂提供舒適的繁殖和產蜜環境，提高蜂蜜的產量和質量。