Устройство для регулирования микроклимата в улье
Владельцы патента RU 2378826:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к пчеловодству. Устройство для регулирования микроклимата в улье содержит датчик влажности воздуха внутри улья, датчик температуры воздуха внутри улья, датчик внешней температуры воздуха, микрофон, фильтр с усилителем, пульт управления «зима-лето», коммутирующее устройство управления увлажнителем, коммутирующее устройство управления нагревательным элементом, коммутирующее устройство управления вентилятором, клеммы источника питания, стабилизирующее устройство. Выход микрофона соединен с входом фильтра с усилителем, выход которого соединен с четвертым входом контроллера. Выход пульта управления «зима-лето» соединен с пятым входом контроллера. Первый выход контроллера соединен с коммутирующим устройством управления увлажнителем, а его выход - с входом управления увлажнителя. Второй выход контроллера соединен с коммутирующим устройством управления нагревательным элементом, а его выход - с входом управления нагревательного элемента. Третий выход контроллера соединен с коммутирующим устройством управления вентилятором, а его выход - с входом управления вентилятора, выход датчика влажности воздуха внутри улья соединен с первым входом контроллера. Выход датчика внешней температуры воздуха соединен со вторым входом контроллера улья, выход датчика температуры воздуха внутри улья соединен с третьим входом контроллера. Изобретение обеспечивает упрощение схемных решений и построения оптимальных алгоритмов работы устройства. 8 ил.
Изобретение относится к области пчеловодства и может найти применение на индивидуальных и коллективных пасеках.
Известные устройства для регулирования температурного режима улья [1, 2] и влажности [3] не позволяют полностью обеспечить необходимый микроклимат пчелам в улей.
Известно устройство для регулирования микроклимата у улье [3], содержащее датчик влажности воздуха, преобразователь "влажность-частота", датчик температуры воздуха, преобразователь "температура-частота", нагревательный элемент, коммутирующее устройство для управления нагревательным элементом, электропривод вентилятора, коммутирующее устройство для управления электроприводом вентилятора, парообразователь, коммутирующее устройство для управления парообразователем, пульт изменения режима работы, клеммы источника питания, стабилизирующее устройство, источник питания, управляемый температурой, датчик внешней температуры для источника питания, управляемого температурой, микрофон, полосовой фильтр, усилитель ограничитель, при этом два выхода датчика влажности соединены со входами преобразователя "влажность-частота", два выхода датчика температуры соединены со входами преобразователя "температура-частота", первый вход нагревательного элемента соединен с первым выходом коммутирующего устройства для управления нагревательным элементом, а второй - с первым выходом источника питания управляемого температурой, первый вход источника питания, управляемого температурой, соединен с первой клеммой источника питания, управляемого температурой, соединен с первой клеммой источника питания, с которой также соединены первый вход стабилизирующего устройства, второй вход электропривода вентилятора и второй вход парообразователя, первый вход электропривода вентилятора соединен с первым выходом коммутирующего устройства для управления электроприводом, а первый вход парообразователя соединен с первым выходом коммутирующего устройства для управления парообразователем, вторые входы коммутирующего устройства для управления нагревательным элементом, коммутирующего устройства для управления элетроприводом, коммутирующего устройства для управления парообразователем, а также вторые выходы стабилизатора и источника питания, управляемого температурой, соединены со второй клеммой источника питания, при этом первый вход микроЭВМ соединен с выходом преобразователя "влажность-частота", а второй соединен с выходом преобразователя "температура-частота", третий вход которой соединен с выходом усилителя-ограничителя, а четвертый вход соединен с выходом пульта изменения режима работы, первый выход микроЭВМ соединен со входом коммутирующего устройства для управления нагревательным элементом, а второй выход соединен со входом коммутирующего устройства для управления электроприводом вентилятора, третий выход соединен со входом коммутирующего устройства для управления парообразователем, первый выход стабилизатора соединен с шинами питания микроЭВМ и преобразователей "температура-частота" и"влажность-частота", вход усилителя-ограничителя соединен с выходом полосового фильтра, первый и второй входы которого соединены в свою очередь с выходами микрофона.
Недостатком этого устройства является сложность схемного решения.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение схемных решений и построения оптимальных алгоритмов работы устройства.
Поставленная задача решается тем, что устройство для регулирования микроклимата в улье содержащее датчик влажности воздуха внутри улья, датчик температуры воздуха внутри улья, датчик внешней температуры воздуха, микрофон, фильтр с усилителем, пульт управления «зима-лето», коммутирующее устройство управления увлажнителем, коммутирующее устройство управления нагревательным элементом, коммутирующее устройство управления вентилятором, клеммы источника питания, стабилизирующее устройство, выход микрофона соединен с входом фильтра с усилителем, выход которого соединен с четвертым входом контроллера, выход пульта управления «зима-лето» соединен с пятым входом контроллера, первый выход контроллера соединен с коммутирующим устройством управления увлажнителем, а его выход с входом управления увлажнителя, второй выход контроллера соединен с коммутирующим устройством управления нагревательным элементом, а его выход - с входом управления нагревательного элемента, третий выход контроллера соединен с коммутирующим устройством управления вентилятором, а его выход - с входом управления вентилятора, при этом выход датчика влажности воздуха внутри улья соединен с первым контроллера, выход датчика внешней температуры воздуха соединен со вторым входом контроллера, выход датчика температуры воздуха внутри улья соединен с третьим входом контроллера улья.
Устройство для регулирования микроклимата в улье содержит (фиг.1) датчик влажности воздуха внутри улья 1, датчик внешней температуры воздуха 2, датчик температуры воздуха внутри улья 3, микрофон 4, фильтр с усилителем 5, контроллер 6, пульт управления «зима-лето» 7, коммутирующее устройство управления увлажнителем 8, коммутирующее устройство управления нагревательным элементом 9, коммутирующее устройство управления вентилятором 10 увлажнитель 11, нагревательный элемент 12, вентилятор 13, стабилизирующее устройство 14, клеммы источника питания 15.
Конструктивно устройство для регулирования микроклимата в улье изготовлено на печатной плате, которая находится в корпусе. Устройство содержит 5 разъемов: один - для микрофона 4, второй - для подключения электропитания к клеммам источника питания 15, третий - для электродвигателя вентилятора 13; четвертый - для нагревательного элемента 12; пятый - для нагревательного элемента увлажнителя 11. Пульт управления «зима-лето» 7 находится на корпусе устройства для регулирования микроклимата в улье. Выводы датчиков 1, 2 и 3 припаяны через соединительные провода с контактами печатной платы устройства для регулирования микроклимата в улье.
Нагревательный элемент 12 выполнен в виде плоской пластины, внутри которой расположена спираль. Он располагается на дне улья.
Второй нагревательный элемент расположен на дне емкости, которая изготавливается в виде параллелепипеда, по конструкции напоминающая пчелиную рамку размерами: длина - 430 мм, ширина - 300 мм и толщина - 40 мм. Вся эта конструкция является увлажнителем 11. Располагается между стенкой улья и рамками.
Двигатель с вентилятором 13 находится в сетчатом кожухе и располагается на дне улья у летка, чтобы не мешать проходу пчел. Датчик температуры воздуха внутри улья 3 располагается над нагревательным элементом и крепится к нижней планке пчелиной рамки. Датчик влажности воздуха внутри улья 1 расположен по центру улья у передней стенки улья (положение отыскивается экспериментально). Датчик внешней температуры воздуха 2 располагается за пределами улья у передней стенки.
Устройство в улье желательно расположить между подушкой и холстиком под крышкой улья, так как это обеспечит удобство работы пчеловода с этим устройством.
После подключения устройства для регулирования микроклимата в улье подается питание 12 В с клемм источника питания 15. На корпусе высвечивается светодиод, сигнализирующий о подаче электропитания. Устройство для регулирования микроклимата в улье готово к работе.
Работает устройство для регулирования микроклимата улья фиг.1, следующим образом. Сначала напряжение на клеммах питания 15 отсутствует, при этом электропривод вентилятора 13, нагревательный элемент 12 и увлажнитель 11, контроллер 6 отключены. При подаче электропитания устройство для регулирования микроклимата в улье работает согласно алгоритма (фиг.2). Происходит первоначальная установка конфигурации контроллера 6. Осуществляется установка исходных оптимальных значений температуры и влажности. Далее осуществляется инициализация режима работы, которая заключается в проверке выбранного на пульте изменения режима работы одного из двух возможных режимов: зима или лето (задается пчеловодом на пульте управления «зима-лето» 7. После этого устройство может работать либо по летнему режиму, либо по зимнему (пчеловод данный режим устанавливает самостоятельно).
Выбран зимний режим работы. МикроЭВМ снимает данные с датчика внешней температуры воздуха 2, датчика температуры воздуха внутри 3, датчика влажности воздуха внутри улья 1. Данные в виде аналоговых величин поступают на входы микроЭВМ. Далее программой они преобразовываются в значения температуры и влажности воздуха, а затем по ним определяются текущее абсолютное влагосодержание воздуха внутри улья li, оптимальное абсолютное влагосодержание отработанного воздуха lо, а также расход корма пчелами G(tж) по соответствующим выражениям (1), (2), (3), (4), (5), при различных значениях относительной влажности φ=60%, φ=70%,.φ=80%, φ=90%, φ=100% [6].
После этого по определенным выше параметрам, приведенных в таблице (фиг.3) проводится расчет оптимального коэффициента массопереноса Ау при данной влажности воздуха улья Vy. Исходя из оптимального коэффициента массопереноса Ао определяются оптимальные значения влажности и температуры воздуха в улье Vo и То. Затем рассчитывается текущий коэффициент массопереноса Ai по формуле (6) [4].
где lо - влагосодержание отработанного воздуха, г/м3; li - текущее влагосодержание воздуха при постоянной его влажности; W=0,68G количество водяных паров, выделяемых пчелами при дыхании; G - расход корма пчелами при проведении зимовки при текущей температуре, кг/ч.
В последующем согласно алгоритма фиг.2 осуществляется установка исходных оптимальных значений То, Lo и поддержка необходимых режимов температур и влажности.
Выбран летний режим работы. Выполняется акустическая проверка активности пчел-вентилировщиц, для этого задействованы микрофон 4, фильтр с усилителем 5. При этом отключается электропривод вентилятора 13 (чтобы он не вносил искажений в общий шумовой фон пчел-вентилировщиц), а затем происходит съем частотного сигнала с усилителя 5, который получает сигнал от микрофона 4, прошедший через полосовой фильтр с полосой пропускания частот от 80 до 155 Гц [5]. С повышением активности пчел-вентилировщиц частотный пик вместе с ростом его интенсивности смещается в высокочастотную часть спектра частоты 80 Гц до частоты 155 Гц. Так, если температура в нижней части гнезда у стенки, противоположной легковому отверстию, находится в интервале от 33,1 до 40,4°С, то частота звуков пчел-вентилировщиц составила 110-120 Гц, а при температурах 41 и 42°С частота звуков составила 135-145 Гц и 145-155 Гц, соответственно проводится анализ частот в диапазоне от 80 до 130 Гц.
Устройство для регулирования микроклимата в улье позволяет поддерживать параметры микроклимата на оптимальном уровне, что обеспечивает адаптивную настройку микроклимата с учетом силы пчелиной семьи.
Контроллер 6 выполняет следующие функций: преобразование напряжения с датчиков в цифровой код, преобразование напряжения этого кода в реальное значение измеряемого параметра, по совокупности полученных параметров получение оптимальных значений температуры и влажности, и наконец поддержание оптимальных параметров посредством исполнительных устройств, таких как увлажнитель 11, нагревательный элемент 12, вентилятор 13.
Для выполнения требуемых функций контроллер 6 реализован на микросхеме PIC16F688.
Для реализации поддержания оптимального микроклимата в улье задействованы алгоритмы управления исполнительными устройствами с учетом параметров внутри улья и температуры окружающей среды, полученных от датчиков (фиг.4 - фиг.8).
На фиг.4 приведен алгоритм отработки времени 1 сек для пропадания рокота вентилятора.
В процессе программирования контроллера 6 в его ячейки конфигурации были занесены следующие параметры: пуск от внутренней схемы сброса, тактовый генератор с частотой 4 МГц внутренний калиброванный, задержка на пуск от внутреннего таймера. Эти установки уже не могут поменяться в процессе работа ни программным, ни аппаратным способом. После пуска процессора программой устанавливается изменяемая в процессе работы конфигурация и заносится в память контроллера 6 необходимые данные для работы программы. Для чего выбирается банк данных памяти, где находятся управляющие регистры, затем в регистры TRISA и TRISC заносится информация о том какие выводы портов PORTA и PORTC соответственно будут входами, а какие выходами, причем логическая 1 означает вход, а 0 выход. Затем конфигурируется регистр управления таймером OPTION_REG контроллера 6 указав, что TMR0 будет работать с определителем на 256 и после переполнения TMR0 будет ставиться флаг переполнения с периодичностью приблизительно 1/16 секунды. Устанавливается режим работы АЦП контроллера 6, для чего в регистре ANSEL контроллера 6 ставится логическая "1" в 3 младших разряда, что означает 3 младших разряда порта А контроллера 6 будут аналоговыми и могут работать как каналы АЦП контроллера 6. В регистр ANCON1 контроллера 6 указывается, что АЦП контроллера 6 будет работать от собственного генератора. В регистре VRCON контроллера 6 указывается порог срабатывания компаратора и подключается эталонное напряжение. Затем в зависимости от сезона управления микроклиматом заносится в память оптимальные значения температуры и влажности, после чего начинается основной цикл работы устройства.
Летом, когда тепло, нагревательный элемент 12 не включается. Пчелы испытывают дискомфорт от избытка воздействующего внешнего тепла и влаги, и помочь им можно проветриванием с помощью вентилятора 13. Признаком перегрева является повышенная частота жужжания пчел внутри улья свыше 155 Гц. Перед измерением отключается вентилятор 13 (алгоритм, фиг.5), дается время на пропадание рокота для устранения посторонних шумов. По определению частоты это количество импульсов за 1 с. В качестве эталонных дискрет времени берутся моменты переполнения таймера TMR0 флаг T0IF, равные 1/16 секунды контроллера 6. После подсчета 16-ти появлений флагов T0IF пройдет 1 с. Отсчет 1 с ведется в ячейке SEK, и подсчитывываются импульсы, приходящие с выхода второго компаратора COUT2 контроллера 6. Измерение начинается с установки исходных значений: обнуляется ячейка Fi для измерения частоты контроллера 6 и заносится в ячейку SEK число 16, обнуляется таймер TMR0 контроллера 6, так как он обычно не равен нулю, и осуществляется переход к циклу подсчета импульсов COUT2 за время, пока не обнулится. На фиг.5 приведен алгоритм отработки времени 1 с для определения частоты с выхода компаратора контроллера 6.
В ячейке SEK контроллера 6 осуществляется вычитание с каждым приходом флага T0IF. После учета флага он сбрасывается и ждется появления нового. Сигнал COUT2 контроллера 6 не флаг, а выход компаратора контроллера 6, поэтому при его появлении он не сбрасывается, а за время нахождения его в в логической "1" много раз подсчитывается, чтобы ввести свой флаг ffreq, который устанавливается, когда увеличили содержимое ячейки Fi, и в следующем цикле опроса COUT2 не увеличивается Fi пока стоит флаг ffreq, который сбросится когда COUT2 перейдет в логический "0". Когда ячейка SEK контроллера 6 станет равной логическому «нулю» т.е. пройдет 1 секунда в ячейке Fi контроллера 6, будет число, равное частоте жужжания пчел. На фиг.6. приведен алгоритм обработки единицы времени, с.
Определив частоту жужжания пчел осуществляется сравнивание ее с критическими значениями. Когда измеренная частота больше максимальной частоты, устанавливается флаг ffan для включения вентилятора 13, а когда меньше минимальной - сбрасываем флаг. После контроля частоты выдается значение флага в порт для управления вентилятором 13. Флаг необходим для того, чтобы вентилятор 13 функционировал, когда частота находится между максимальной и минимальной, т.к. при каждой проверке частоты отключается вентилятор 13.
Весной и иногда летом бывают холодные дни и даже заморозки, когда требуется подогрев.
Увлажнитель 11 включается, если текущая влажность меньше оптимальной, нагревательный элемент 12 включается, когда температура в улье меньше оптимальной, при этом мы ставится флаг ftepl для разрешения работы нагревательного элемента 12. Мощность, подаваемая на нагревательный элемент 12, вычисляется в зависимости от разницы температур в улье и окружающей среды. Мощностью управляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего в ячейку SKW заносится число, определяющее, какую долю в каждой секунде подавать напряжение на нагревательный элемент 12. Подсчитывается секунда за 16 импульсов T0IF, поэтому подаваемая мощность разбита на 16 уровней от максимальной. Продолжительность подогрева в каждом цикле контроля определяется значением константы vtime в секундах. Управление осуществляется следующим образом: заносится в ячейку SEK число 16, осуществляется обнуление таймера TMR0 контроллера 6 и осуществляется переход к циклу управления нагревательным элементом 12. Проверяется установка флага разрешения нагрева и, если его нет, то пропускается проверка скважности и отключается нагревательный элемент 12. Если флаг стоит, то проверяется уровень скважности. После каждого прихода флага T0IF сравнивается значение ячейки SEK и ячейки SKW. В первом цикле, равном 1/16 секунды нагревательный элемент 12 включен, а в том цикле, когда значения ячеек сравняются, нагревательный элемент 12 отключается.
После отработки времени осуществляется переход в начало основного цикла. На фиг.7 приведен алгоритм управления нагревательным элементом 12 в зависимости от разницы температур То и Ti.
В летнее время, когда пчелиная семья развита и несет мед, за пределами улья, на входе летка пчелы начинают вентилировать улей. Звуковые сигналы пчел-вентилировщиц поступают на микрофон 4 выделяются фильтром в полосе 80 Гц - 155 Гц. Эти сигналы поступают на усилитель, который имеет большой коэффициент передачи, на его выходе формируются прямоугольные импульсы, которые поступают на четвертый контакт контроллера 6. Контроллер 6 согласно алгоритму дает команду на выключение двигателя вентилятора 12. Вентилятор необходим для того, чтобы освободить большое количество пчел-вентилировщиц от работы и переключить их на принос меда.
Таким образом, устройство для регулирования микроклимата в улье позволяет поддерживать параметры микроклимата на оптимальном уровне, что обеспечивает адаптивную настройку микроклимата с учетом силы пчелиной семьи. Это достигается более оптимальным схемным решением, путем упрощения аппаратных затрат и перепоручения программному обеспечени. Контроллера 6.
Литература
1. Патент №2168199. Устройство для регулирования температурного режима в улье. // Рыбочкин А.Ф., Захаров И.С. Опубл. 27.05.2001, Бюл. №15.
2. Патент №2134507. Устройство для регулирования микроклимата в улье. // Зимитрович B.C., Прудников А.В., Прохорова А.Н. Опубл. 08.08.99.
3. Патент №2246213. Устройство для регулирования микроклимата в улье. // Рыбочкин А.Ф., Перелыгин А.В. Опубл. 20.02.2005. Бюл. 5 (прототип).
4. Тепло- и массоперенос в жизни пчел. // Трифонов А.Д. - М.: Истра, 1997.
5 Е.Е.Еськов. Акустическая сигнализация насекомых.
6. А.Ф.Рыбочкин, И.С.Захаров. Регулирование микроклимата в улье. КГТУ Курск. 2006. 236 с.
Устройство для регулирования микроклимата в улье, содержащее датчик влажности воздуха внутри улья, датчик температуры воздуха внутри улья, датчик внешней температуры воздуха, микрофон, фильтр с усилителем, пульт управления «зима-лето», коммутирующее устройство управления увлажнителем, коммутирующее устройство управления нагревательным элементом, коммутирующее устройство управления вентилятором, клеммы источника питания, стабилизирующее устройство, выход микрофона соединен с входом фильтра с усилителем, выход которого соединен с четвертым входом контроллера, выход пульта управления «зима-лето» соединен с пятым входом контроллера, первый выход контроллера соединен с коммутирующим устройством управления увлажнителем, а его выход - с входом управления увлажнителя, второй выход контроллера соединен с коммутирующим устройством управления нагревательным элементом, а его выход - с входом управления нагревательного элемента, третий выход контроллера соединен с коммутирующим устройством управления вентилятором, а его выход - с входом управления вентилятора, отличающееся тем, что выход датчика влажности воздуха внутри улья соединен с первым входом контроллера, выход датчика внешней температуры воздуха соединен со вторым входом контроллера улья, выход датчика температуры воздуха внутри улья соединен с третьим входом контроллера.
