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面向自適應害蟲誘捕的LED光源照明系統

發布日期:2020-03-10 點擊次數:1204


李 恒1,2,張劍平2,苗美媛1,張原銘1,梁德世2,曹 帆1,

賀曉陽1,王智森2,鄒念育1*

(1.大連工業大學 光子學研究所,遼寧 大連 116034;

2.大連工業大學 集成測控技術研究所,遼寧 大連 116034)

 

摘 要:LED光源和先進控制技術推動著生態農業高效持續的多樣化協調發展?;贚ED單個窄帶光譜光源的害蟲誘捕系統,彌補了不同害蟲在不同季節環境下趨光性的研究;結合環境參數檢測、誘殺蟲量檢測、單燈多波段LED調控和網絡化分布式布局的系統功能,通過害蟲趨光自適應模式選取確定最佳光譜LED光源引誘最大化害蟲量;設計適應生態農業領域不同植株高度和密度的網絡化誘捕系統結構;基于害蟲趨光性和趨色性的LED多波段燈具的設計,通過測定365-430nm波段的LED 光源分析得出單光譜波段穩定性及其多波段效果。

 

關鍵詞:LED照明;自適應;誘捕系統;趨光性 

中圖分類號:TM923          文獻標識碼:A

LED Lighting System Towards Adaptive Pest Trapping

LI Heng1,2, ZHANG Jianping2, MIAO Meiyuan1, LI Bowen1, LIANG Deshi2,

CAO Fan1, HE Xiaoyang1, WANG Zhisen1,2, ZOU Nianyu1*

 

1. Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China

2. R&D Institute of integration measurement and control, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China

* Corresponding Author, E-mail:n_y_zou@dlpu.edu.cn

 

Abstract: In With high efficiency and sustainable development,LED light source and advanced control technology promote the ecological agriculture. The pest trapping system based on narrow and single LED light source spectrum, research for the pests phototaxisin different seasons temperature and humidity environment; combined environment parameter detection, trap bug detection, single-lamb and multi-band led control, network distributed layout of the system to determine the optimal spectral LED light source to seduce the maximum pest; fitness design of ecological agriculture in different plant height and density of the network trap system structure; design of pest phototaxis and color based on LED multi-band, analysis of single spectral wave stability and multi band effect,through the determination of LED light source 365-430nm band.

 

Key words: LED lighting;self-adaption;trapping system;phototaxis

 


1 引  言

隨著生態農業與食品安全的迫切需求,在農業害蟲防治領域,利用昆蟲趨光性對害蟲誘殺是一種較為理想的無公害防治方法和手段[1-4]?,F有市場主要使用的頻振式殺蟲燈是利用害蟲趨光與趨味的特性,近距離用紫外光輻射和遠距離散發性誘劑,以視覺與嗅覺引誘翅翼類害蟲成蟲撲燈,通過頻振式高壓電網將害蟲擊暈或擊死,最后落入集蟲袋內,同時被擊斃的蟲體散發出性激素可集誘更多的害蟲[5]。頻振式黑光燈的光譜范圍主要為紫外光330-400nm,面對大面積害蟲防治需求光源功率大,但集誘害蟲低效[6-8]。LED為第四代半導體照明材料,其光譜窄、光色純,相對頻振式黑光燈更利于利用特定光譜準確地鎖定靶標害蟲,避免濫殺,最大限度地發揮生態調控功能,解決多種光譜組合形成寬光譜的全光浪費[9-10]。同時,LED燈具有功耗低、壽命長等優點,在害蟲的生態調控領域將得到廣泛的應用[11-14]。通過光波和光強對幾種重要農業害蟲趨光性的影響分析,不同光譜范圍的光源對害蟲誘集率有所區別,不同水平光照度條件表現出趨光率也隨光強提高而增高[15],不同害蟲在不同時間段內趨光率也受到季節、環境溫濕度與光照的影響,但目前關于昆蟲對不同波段趨光敏感度的系統性研究仍然是個空白[16-17]?,F有害蟲誘捕波長集中在320-580 nm波長,典型波長包括360 nm、400 nm、460 nm、520 nm等分別對鞘翅目、鱗翅目、雙翅目和半翅目等昆蟲的誘捕[18]。針對害蟲在不同光譜及白光的趨光性,害蟲面向不同暗適應時間、性別、日齡和光照強度的影響分析[19],不同顏色的LED燈對害蟲誘捕防治需要對光譜的自適應,彌補害蟲在不同環境下的多參數綜合影響[20-23]。根據現有害蟲誘捕燈的設計要求,針對害蟲趨光光譜不明確的條件下[24-32],本文設計了一種網絡化協調誘捕及其多波段LED光譜自適應調控的害蟲誘捕系統,針對不同高度與密度的農作環境,提出混合式和漸進式網絡誘捕結構;研究LED光譜選定及其多波段調控燈具設計結構,通過單燈自適應誘捕與多燈網絡化集誘功能設計,在不同農業環境下可實現不同波段誘捕害蟲數量統計與數據分析。

2網絡化誘捕系統結構

生態捕蟲需要根據生態農業環境空間的農作物高低密度和蟲災季節環境變量進行系統設計,誘捕系統通過網絡化分別實現在低矮和高疏農作物環境下的混合式誘捕和漸進式誘捕。

2.1低矮農作物網絡化捕蟲系統

由于大豆、小麥、棉花等植株低矮且種植密度較高,誘捕系統每盞單燈的位置均高于低矮農作物,采用蜂窩網形式空間布置確保全面覆蓋所有蟲災作物,如圖1所示。低矮農作物在蜂窩網覆蓋下通過每盞捕蟲燈構成節點,從而形成混合式網絡誘捕系統結構,可有效全面覆蓋低矮農作物害蟲活動范圍?;旌鲜骄W絡所有節點的單燈應具備覆蓋區域內害蟲的最佳趨光光譜,即確定該時段的害蟲最佳趨光波長可捕殺最多害蟲數量。

圖1  混合式網絡誘捕系統結構

Fig.1 Hybrid network for Trapping system

2.2高疏農作物網絡化生態捕蟲系統

由于果林和樹林等植株偏高且種植密度稀疏,同時生態農業在高疏植株下發展林下經濟,種植蔬菜和養殖禽畜或池魚等低矮經濟作物,作物之間留有空隙形成害蟲活動的猖獗區域。根據高疏農作物具有作物之間空隙隧道特點,集誘系統采用空隙交叉點安置單燈,形成十字型照射區域全面覆蓋,如圖2所示。由于害蟲具有高蛋白而可生態飼養林下畜魚,采用多燈節點網絡化實現交叉點從外到內遞進式引誘至畜魚圈養活動區域,形成漸進式集中式誘捕系統結構。在作物范圍內劃分多層區域,每層區域可含有多盞捕蟲燈,有效控制漸進式則需要執行“上下節點狀態與本節點狀態相反”的原則,逐個節點集中再被逐次引誘至畜魚圈養活動區域的核心區域,實現網絡內互相協作使害蟲逐漸引誘集中至生態捕獲。

圖2  漸進式網絡誘捕系統結構

Fig.2 Progressive network for trapping system

3自適應捕蟲系統結構和功能

針對混合式和漸進式網絡誘捕系統結構的設計需求,單燈捕蟲系統應具備蟲量檢測、環境參數檢測、多光譜控制、高壓電擊等功能,以此實現確定最佳誘捕害蟲光譜和控制害蟲分布區域。根據農林環境和害蟲對光線的敏感性,采用自動控制技術進行單燈LED多波段調控與自適應害蟲誘捕,以照度、雨滴和害蟲量為檢測量,通過短距離無線通信構成自組織網絡進行信息共享與智能處理,實現混合式自適應引誘和漸進式自適應誘捕害蟲,實現整個網絡自行調控,預防害蟲重災區,發展高疏作物下林下經濟。

3.1 LED誘捕系統功能結構設計

LED 誘捕系統由環境檢測單元、LED 燈具單元、無線通信單元、高壓電擊單元、電源管理單元和主控板共計六個部分組成,構成具有感知測量功能、無線傳輸功能、電源管理功能、智能數據處理以及LED 調控功能的現地實時數據采集與捕蟲燈自適應調控的綜合系統。

檢測單元包括光照傳感器、雨滴傳感器、溫濕度傳感器和蟲量檢測傳感器,檢測數據可判斷環境變化來控制誘捕系統的捕蟲燈運行狀態。LED燈具單元包括LED驅動模塊、多波段LED陣列和LED燈殼。無線通信單元采用433MHz射頻模塊可實現多盞捕蟲燈的自組織無線聯網,可以按照混合式和漸進式網絡實現自適應誘捕系統控制。高壓電擊模塊包括升壓模塊(高壓包)和高壓電網陣列,通過高壓電擊方式捕殺害蟲。電源管理單元采用蓄電池獨立供電,方便布置捕蟲燈所適合的最佳位置,可選配電源管理模塊分別接入220V交流市電或太陽能電池板供電系統。主控板作為LED誘捕系統的核心部分,通過檢測數據執行控制與管理電源管理、LED驅動、無線數據收發、高壓電擊,實現整機系統的自適應控制與最佳誘捕效果。LED 自適應誘捕系統的具體功能模塊組成結構如下圖3所示

本系統通過環境檢測單元的光照、雨滴判別捕蟲燈開關,集成的光控、雨控可實現白天自動關燈和夜間自動開燈;溫濕度數據用于分析當季環境下害蟲出沒的種類,蟲量檢測模塊通過害蟲在不同LED光譜下被高壓電擊后的捕蟲數量,主控板采用巡檢模式控制LED光譜并通過蟲量檢測模塊尋找最佳光譜的最大引誘害蟲數量。本系統采用無線自組織網絡構建適應不同農作物環境下不同的位置安放要求,不同位置的多盞誘捕單燈同時可實現自適應環境與害蟲群在不同時段的最佳誘捕。

圖3  LED自適應誘捕單燈功能結構框圖

Fig.3 Block diagram of LED adaptive trapping system in single lighting function

3.2 LED多波段燈具單元

根據害蟲趨光性和趨色性,不同的害蟲在不同季節溫濕度環境下對不同光譜的光敏感度不同,以及對耀眼的光色具有趨色性。害蟲的趨光波長為365nm,部分的趨光波長在408.66-432.83 nm,535nm等。隨著季節的變化,夜晚的溫濕度變化,害蟲出沒時間也不同,一般在19:30- 20:30和22:45-次日7:00等不同時間段。因此一盞捕蟲燈必須擁有多種光譜的光源實現調控在不同溫濕度和時間下測定不同害蟲的最佳誘捕波長。LED具有可控性好、節能高效、單波長性能好、壽命長等特點,因此選用LED作為多波段燈具設計。

 

圖4  LED多波段調控系統結構圖

Fig.4 Structure diagram for LED Multiband control system

如圖4所示,本系統采用4×4陣列方式設計LED多波段燈具,A、B、C、D四行為四種不同光譜的同類型LED光源,每行光源分別按照東南西北四個方向放置,以便覆蓋捕蟲區域進行引誘。

LED誘捕系統的核心功能為在不同時間和溫濕度環境下選擇最佳光譜波長以誘捕不同種類的害蟲。系統在環境自適應下主要通過蟲量檢測判斷某一時間段LED光譜是否適應該環境下的害蟲,對此問題從未有過論文進行討論,結合本系統結構和功能,本系統采用LED多波段巡檢功能確定該時間段及其環境下出沒害蟲的最佳波長。由于害蟲趨光性的科學調查沒有具體的參數數據實現某一害蟲的某一最佳光譜,因此本系統采用巡檢模式更適合調查害蟲趨光率。

如表1所示,誘捕單燈正常工作模式下,LED光源的開關模式有4中,A D、B D、C D和ABCD光譜行四個方向列的LED燈全部點亮,D行常時點亮用于害蟲的趨色性。A、B、C三行為當季可能出現多種害蟲所可能最佳趨光率的光譜,ABCD四行全部點亮用來判斷是否多種害蟲同時出沒則一并誘捕。如圖5所示,巡檢模式分4個階段完成判斷最佳波長,每種模式X分別執行不同的時間T得到不同的捕蟲量N,根據公式(1)可以得到每種模式下平均捕蟲量M,以此判斷當前時間段最佳誘捕光譜。

X代表A,B,C,D不同的模式 (1)


 

表1 巡檢模式執行的要素表

模式選擇X

執行時間T(秒)

捕蟲量N(只)

平均捕蟲量M(只)

AD模式

tA

nA

mA

BD模式

tB

nB

mB

CD模式

tC

nC

mC

ABCD模式

tD

nD

mD

 

 

圖5  循環模式執行流程

· Fig.5 Execute scheduler of cyclical pattern


 


4 LED光譜測量實驗與結果


根據害蟲趨光性的LED光譜選擇是整個系統運行效率和可靠性的關鍵參數。通過背景研究可知昆蟲對365nm波段的紫外光較為敏感,為了進一步確定不同種類害蟲對不同波段的趨光性,將365-430 nm波長之間的光源分為5nm和10nm為一組進行測量以便得到相應光譜范圍,波峰等參考量。本次測試將4個3.5V,700mA的單光譜LED進行并聯后進行測試,測試設備采用直徑為2m積分球,instrument system的sp320掃描光譜儀,測定LED光譜曲線及其照明效果如圖6所示。

根據LED光譜測試中,不同電壓與電流條件下同種波長的光譜范圍基本吻合。因此可以得出電流電壓等條件對光源的光譜范圍無影響。通過不同光譜LED光源照射在反射鏡面的顏色差別比較,紫外光的365nm-400nm光照反射偏向透明的光照強度,紫光400nm-430nm隨著光譜的增大而光強增強。針對不同害蟲對不同光譜最佳趨光率,LED光源發出的光照強度及其光照范圍有一定差異,對自適應害蟲誘捕照明系統設計需要調整不同光譜LED光源數量,保持各種光譜光源照射范圍均等。


 

圖6  LED多波段光譜曲線及其效果圖

Fig.6 Waveform diagram for LED Multiband spectrum

 


5 結論

害蟲誘捕系統根據生態農業的環境條件和生產需求,通過捕蟲燈的環境參數檢測、蟲量檢測與統計、LED多波段調控和實時數據存儲與無線傳輸,實現LED多波段自適應控制和網絡化誘捕控制。針對不同生態農業害蟲的種類與生活習性,設置多組不同害蟲的最佳誘捕光譜光源,設計適合作物空間所需的燈具照射最佳有益范圍,采用混合式和遞進式網絡控制實現生態誘殺害蟲和集中誘捕喂養禽魚類生態養殖。

為實現自適應害蟲誘捕選取最佳波長,根據LED多波段光源模式選取與延時檢測捕蟲量,動態周期檢測害蟲變化與最佳趨光光譜所適應的LED光源。同時,設計對365-430nm 光譜波長的LED光源進行光譜測定,分析其光譜連續性較好,在照射反射鏡面的光照強度分析,需要設計不同光譜光源數量選擇,滿足自適應誘捕照射光強和照射范圍的均勻性。


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