李 恒， 張劍平， 苗美媛， 李博文， 梁德世，曹 帆， 賀曉陽， 王智森， 鄒念育*

(1. 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所， 遼寧 大連 116034；>2. 大連工業(yè)大學(xué) 集成測控技術(shù)研究所， 遼寧 大連 116034)

1 引 言

在農(nóng)業(yè)害蟲防治領(lǐng)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(xiàn)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(yuǎn)距離散發(fā)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(wǎng)將害蟲擊暈或擊死，最后落入集蟲袋內(nèi)，同時被擊斃的蟲體散發(fā)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,光源功率較大，但集誘害蟲效率較低[6-8]。LED為第四代半導(dǎo)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(zhǔn)確地鎖定靶標(biāo)害蟲，避免濫殺，最大限度地發(fā)揮生態(tài)調(diào)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(yōu)點，在害蟲的生態(tài)調(diào)控領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用[11-14]。通過光波和光強(qiáng)對幾種重要農(nóng)業(yè)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(qū)別，不同水平光照度條件表現(xiàn)出趨光率也隨光強(qiáng)提高而增高[15]，不同害蟲在不同時間段內(nèi)的趨光率也受到季節(jié)、環(huán)境溫濕度與光照的影響，但目前關(guān)于昆蟲對不同波段趨光敏感度的系統(tǒng)性研究仍然是個空白[16-17]。現(xiàn)有害蟲誘捕波長集中在320～580nm，典型波長包括360，400，460，520nm等，分別對應(yīng)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，根據(jù)害蟲面向不同暗適應(yīng)時間、性別、日齡和光照強(qiáng)度的影響分析[19]，不同顏色的LED燈對害蟲的誘捕防治需要對光譜自適應(yīng)調(diào)控，以彌補(bǔ)害蟲在不同環(huán)境下的多參數(shù)綜合影響[20-23]。

根據(jù)現(xiàn)有害蟲誘捕燈的設(shè)計要求，針對害蟲趨光光譜的不明確[24-32]，本文設(shè)計了一種網(wǎng)絡(luò)化協(xié)調(diào)誘捕及其多波段LED光譜自適應(yīng)調(diào)控的害蟲誘捕系統(tǒng)，針對不同高度與密度的農(nóng)作環(huán)境，提出混合式和漸進(jìn)式網(wǎng)絡(luò)誘捕結(jié)構(gòu)。對LED光譜選定及其多波段調(diào)控?zé)艟咴O(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過單燈自適應(yīng)誘捕與多燈網(wǎng)絡(luò)化集誘功能設(shè)計，在不同農(nóng)業(yè)環(huán)境下可實現(xiàn)不同波段誘捕害蟲數(shù)量統(tǒng)計與數(shù)據(jù)分析。

2 網(wǎng)絡(luò)化誘捕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

生態(tài)捕蟲需要根據(jù)生態(tài)農(nóng)業(yè)環(huán)境空間的農(nóng)作物高低密度和蟲災(zāi)季節(jié)環(huán)境變量進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，誘捕系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)化分別實現(xiàn)在低矮和高疏農(nóng)作物環(huán)境下的混合式誘捕和漸進(jìn)式誘捕。

2.1 低矮農(nóng)作物網(wǎng)絡(luò)化捕蟲系統(tǒng)

由于大豆、小麥、棉花等植株低矮且種植密度較高，誘捕系統(tǒng)每盞單燈的位置均高于低矮農(nóng)作物，采用蜂窩網(wǎng)形式空間布置可確保全面覆蓋所有蟲災(zāi)作物，如圖1所示。低矮農(nóng)作物在蜂窩網(wǎng)覆蓋下通過每盞捕蟲燈構(gòu)成節(jié)點，從而形成混合式網(wǎng)絡(luò)誘捕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可有效全面覆蓋低矮農(nóng)作物害蟲活動范圍?；旌鲜骄W(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的單燈應(yīng)具備覆蓋區(qū)域內(nèi)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(shù)量。

圖1 混合式網(wǎng)絡(luò)誘捕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 高疏農(nóng)作物網(wǎng)絡(luò)化生態(tài)捕蟲系統(tǒng)

由于果林和樹林等植株偏高且種植密度稀疏，同時生態(tài)農(nóng)業(yè)在高疏植株下發(fā)展林下經(jīng)濟(jì)，種植蔬菜和養(yǎng)殖禽畜或池魚等低矮經(jīng)濟(jì)作物，作物之間留有空隙,從而形成害蟲活動的猖獗區(qū)域。根據(jù)高疏農(nóng)作物具有作物之間空隙隧道特點，集誘系統(tǒng)采用空隙交叉點安置單燈，形成十字型照射區(qū)域全面覆蓋，如圖2所示。由于害蟲具有高蛋白而可生態(tài)飼養(yǎng)林下畜魚，采用多燈節(jié)點網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)交叉點從外到內(nèi)遞進(jìn)式引誘至畜魚圈養(yǎng)活動區(qū)域，形成漸進(jìn)式集中式誘捕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在作物范圍內(nèi)劃分多層區(qū)域，每層區(qū)域可含有多盞捕蟲燈，有效控制漸進(jìn)式則需要執(zhí)行“上下節(jié)點狀態(tài)與本節(jié)點狀態(tài)相反”的原則，逐個節(jié)點集中再被逐次引誘至畜魚圈養(yǎng)活動區(qū)域的核心區(qū)域，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)互相協(xié)作使害蟲逐漸引誘集中至生態(tài)捕獲。

圖2 漸進(jìn)式網(wǎng)絡(luò)誘捕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 自適應(yīng)捕蟲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

針對混合式和漸進(jìn)式網(wǎng)絡(luò)誘捕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求，單燈捕蟲系統(tǒng)應(yīng)具備蟲量檢測、環(huán)境參數(shù)檢測、多光譜控制、高壓電擊等功能，以此實現(xiàn)確定最佳誘捕害蟲光譜和控制害蟲分布區(qū)域。根據(jù)農(nóng)林環(huán)境和害蟲對光線的敏感性，采用自動控制技術(shù)進(jìn)行單燈LED多波段調(diào)控與自適應(yīng)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(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息共享與智能處理，實現(xiàn)混合式自適應(yīng)引誘和漸進(jìn)式自適應(yīng)誘捕害蟲，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)自行調(diào)控，預(yù)防害蟲重災(zāi)區(qū)，發(fā)展高疏作物下林下經(jīng)濟(jì)。

3.1 LED誘捕系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

LED 誘捕系統(tǒng)由環(huán)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6個部分組成，構(gòu)成具有感知測量功能、無線傳輸功能、電源管理功能、智能數(shù)據(jù)處理以及LED 調(diào)控功能的現(xiàn)地實時數(shù)據(jù)采集與捕蟲燈自適應(yīng)調(diào)控的綜合系統(tǒng)。

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(shù)據(jù)可判斷環(huán)境變化來控制誘捕系統(tǒng)的捕蟲燈運行狀態(tài)。LED燈具單元包括LED驅(qū)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(xiàn)多盞捕蟲燈的自組織無線聯(lián)網(wǎng)，可以按照混合式和漸進(jìn)式網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自適應(yīng)誘捕系統(tǒng)控制。高壓電擊模塊包括升壓模塊(高壓包)和高壓電網(wǎng)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(tǒng)。主控板作為LED誘捕系統(tǒng)的核心部分，通過檢測數(shù)據(jù)執(zhí)行控制與管理電源管理、LED驅(qū)動、無線數(shù)據(jù)收發(fā)、高壓電擊，實現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制與最佳誘捕效果。LED 自適應(yīng)誘捕系統(tǒng)的具體功能模塊組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本系統(tǒng)通過環(huán)境檢測單元的光照、雨滴判別捕蟲燈開關(guān)，集成的光控、雨控可實現(xiàn)白天自動關(guān)燈和夜間自動開燈；溫濕度數(shù)據(jù)用于分析當(dāng)季環(huán)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(shù)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(shù)量。本系統(tǒng)采用無線自組織網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建適應(yīng)不同農(nóng)作物環(huán)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(xiàn)自適應(yīng)環(huán)境與害蟲群在不同時段的最佳誘捕。

圖3 LED自適應(yīng)誘捕單燈功能結(jié)構(gòu)框圖

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

3.2 LED多波段自適應(yīng)燈具單元

根據(jù)害蟲趨光性和趨色性，不同的害蟲在不同季節(jié)溫濕度環(huán)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408.66～432.83nm，535nm等。隨著季節(jié)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(xiàn)調(diào)控，從而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(jié)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(shè)計。

圖4 LED多波段調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，本系統(tǒng)采用4×4陣列方式設(shè)計LED多波段燈具，A、B、C、D4行為4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(qū)域進(jìn)行引誘。

LED誘捕系統(tǒng)的核心功能為在不同時間和溫濕度環(huán)境下選擇最佳光譜波長以誘捕不同種類的害蟲。系統(tǒng)在環(huán)境自適應(yīng)下主要通過蟲量檢測判斷某一時間段LED光譜是否適應(yīng)該環(huán)境下的害蟲，對該問題從未有過論文進(jìn)行討論。本系統(tǒng)采用LED多波段巡檢功能確定該時間段及其環(huán)境下出沒害蟲的最佳波長。由于害蟲趨光性的科學(xué)調(diào)查沒有具體的參數(shù)數(shù)據(jù)實現(xiàn)某一害蟲的某一最佳光譜，因此本系統(tǒng)采用巡檢模式更適合調(diào)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(guān)模式有4種，AD、BD、CD和ABCD光譜行4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、C3行為當(dāng)季可能出現(xiàn)多種害蟲的可能最佳趨光率的光譜，ABCD4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(zhí)行不同的時間T得到不同的捕蟲量N，根據(jù)公式(1)可以得到每種模式下平均捕蟲量M，以此判斷當(dāng)前時間段最佳誘捕光譜。

(1)

X代表A、B、C、D不同的模式。

表1巡檢模式執(zhí)行的要素表

Tab.1 Element table for the execution of inspection mode

模式選擇X執(zhí)行時間T/s捕蟲量N/只平均捕蟲量M/只AD模式tAnAmABD模式tBnBmBCD模式tCnCmCABCD模式tDnDmD

圖5 循環(huán)模式執(zhí)行流程

4 LED光譜測量實驗與結(jié)果

根據(jù)害蟲趨光性的LED光譜選擇是整個系統(tǒng)運行效率和可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。通過背景研究可知昆蟲對365 nm波段的紫外光較為敏感，為了進(jìn)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5 nm和10 nm為一組進(jìn)行測量以便得到相應(yīng)的光譜范圍、波峰等參考量。本次測試將4個3.5 V、700 mA的單光譜LED進(jìn)行并聯(lián)后進(jìn)行測試，測試設(shè)備采用直徑為2 m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(jù)LED光譜測試結(jié)果，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365～400nm光照反射偏向透明的光照強(qiáng)度，紫光400～430 nm隨著光譜的增大而光強(qiáng)增強(qiáng)。針對不同害蟲對不同光譜最佳趨光率，LED光源發(fā)出的光照強(qiáng)度及其光照范圍有一定差異，對自適應(yīng)害蟲誘捕照明系統(tǒng)設(shè)計需要調(diào)整不同光譜LED光源數(shù)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

5 結(jié) 論

根據(jù)生態(tài)農(nóng)業(yè)的環(huán)境條件和生產(chǎn)需求，通過捕蟲燈的環(huán)境參數(shù)檢測、蟲量檢測與統(tǒng)計、LED多波段調(diào)控和實時數(shù)據(jù)存儲與無線傳輸，實現(xiàn)LED多波段自適應(yīng)控制和網(wǎng)絡(luò)化誘捕控制。針對不同生態(tài)農(nóng)業(yè)害蟲的種類與生活習(xí)性，設(shè)置多組不同害蟲的最佳誘捕光譜光源，設(shè)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(jìn)式網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)生態(tài)誘殺害蟲和集中誘捕喂養(yǎng)禽魚類生態(tài)養(yǎng)殖。

為實現(xiàn)自適應(yīng)害蟲誘捕選取最佳波長，根據(jù)LED多波段光源模式選取與延時檢測捕蟲量，動態(tài)周期檢測害蟲變化與最佳趨光光譜所適應(yīng)的LED光源。同時，設(shè)計365～430 nm 光譜波長的LED光源進(jìn)行光譜測定，分析結(jié)果表明其光譜連續(xù)性較好。在照射反射鏡面的光照強(qiáng)度方面，需要設(shè)計不同的光譜光源數(shù)量，以滿足自適應(yīng)誘捕照射光強(qiáng)和照射范圍的均勻性。

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