CN110521676A - 一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统 - Google Patents

一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于昆虫养殖技术领域,设计黑水虻的养殖,具体涉及一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,包括一采用透明材质制出的立方体养殖箱,该立方体养殖箱内均匀分隔为多个正立方体的培养空间,所述立方体养殖箱内安装有多个光照传感器和光源,每个光照传感器和光源的控制端均与一主控芯片相连接,该主控芯片通过一人工交互界面进行显示和控制。

Description

一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统
技术领域
本发明属于昆虫养殖技术领域,设计黑水虻的养殖,具体涉及一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统。
背景技术
黑水虻,是一种多分布在中国南方地区的水虻科昆虫,其幼虫能够取食消化动物粪便和餐厨垃圾,并且黑水虻能够迅速繁殖,可喂养的食物繁多,同时饲养成本不高,因此,许多国家对其进行产业化利用。
2017年加拿大学者Leslie A.Holmes研究发现在27℃和70%相对湿度的环境下,不同的光照时间影响幼虫死亡率这将影响成虫黑水虻种群的数量以及成虫交配产卵率。三种光源如发光二极管,荧光灯和卤素灯对于产卵率没有差异,但雄性黑水虻和雌性黑水虻的半衰期确实存在差异。2015年日本Satoshi Nakamura等研究表明,可以在小规模养殖箱进行人工补光饲养。刘宏宇研究发现光照时间和光照强度对黑水虻生活习性有显著的影响。光照不足不仅会导致黑水虻种群数量减少,而且也会成为因数量不足而无法产业化的关键问题。研究在各种恶劣环境下养殖黑水虻的最佳方法,有须要设计使用智能补光系统刺激其交配、产卵以满足饲养黑水虻产业化的需要。
综上可知,光照度和温湿度等环境因素都对黑水虻的生活习性有较大的影响。据研究表明,黑水虻最佳的生长温度是27℃,其成虫具有明显的趋光性,特别是喜好黄绿光,因此成虫在交配产卵的时候需要充足的光照。
在实际的饲养过程中,当遇到南方的梅雨季节降或北方春冬雾霾阴天时,光照严重不足,这将极大程度制约了黑水虻的发育繁殖,不能适应于畜禽粪便大规模处理的需要。因此,应研发一种相应的人工补光装置用以克服上述饲养过程中的不足。
目前,我国的人工补光系统多用于植物日光温室和动物养殖方面,少用于昆虫的养殖方面。在应用过程中,目前较为常用的补光方式有三种,包括经验式补光,定时补光以及智能调节补光。其中经验式补光依赖操作人员的实际经验不能够精准检测到动植物所需要的光照条件,容易出现补光不足或过量的情况,因此,后两种补光方式将会成为未来的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种精确度高,可有效识别光照强度,并对光源颜色、光照持续时间和光照强度进行有效补偿的一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统。
本发明采取的技术方案是:
一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,其特征在于:包括一采用透明材质制出的立方体养殖箱,该立方体养殖箱内均匀分隔为多个正立方体的培养空间,所述立方体养殖箱内安装有多个光照传感器和光源,每个光照传感器和光源的控制端均与一主控芯片相连接,该主控芯片通过一人工交互界面进行显示和控制。
进一步的,所述主控芯片采用Arduino 2560主控板;光源采用LED灯带;光照传感器采用GY-302,其芯片采用自带I2C通信电路的BH1750FVI;人工交互界面采用LabVIEW人工交互界面,Arduino通过USB数据口连接到电脑,用visa串口通信,能够实现实时通信,显示光照时间和光照强度。
进一步的,所述Arduino 2560通过继电器控制LED灯带,该Arduino 2560和LabVIEW人工交互界面实现双向数据交互;Arduino 2560主控芯片具有54路数字输入/输出口,其中数字口5用作控制LED光源的继电器数据口,数字口20、21用作光照传感器的I2C接口输入。
进一步的,所述光源优选采用LED灯带,每个培养空间内最佳的光照强度在750lx-1500lx为宜。
进一步的,所述立方体养殖箱采用40cm×40cm×40cm的正六面体,划分为64个10cm×10cm×10cm的培养空间。
进一步的,设置底面的任一顶点为原点,以该原点延伸的三条边分别设置为X轴、Y轴、Z轴,建立X,Y,Z坐标系,底面为XOY平面;在10,10,5;10,30,15;30,10,25;30,30,35坐标位置分别安装一光照强度传感器。
进一步的,:在所述立方体培养箱的顶面和底面内分别安装有4条LED灯带,每条LED灯带均向立方体培养箱内部照射;所述顶面内的4条LED灯带收尾顺次连接形成一正方形灯组,该正方形灯组与构成顶面的四棱所构成的正方形为同心正方形,位于该同心正方形中部的顶面内安装有LED矩阵;位于底面内的所述正方形灯组的正投影位置安装有另一正方形灯组。
进一步的,每个所述的正方形灯组内的LED灯带均距顶面或底面的边4-6cm。
本发明的优点和积极效果是:
1、本发明中,透明材质透光性良好,立方体结构具有对称性,便于控制光源至各个培养空间的距离,进而控制相应的光照强度。在立方体养殖箱内布设光源用于对培养空间的光照强度进行补偿,光照传感器则用于检测个培养空间内的光照强度,光照传感器检测的光照强度反馈至主控芯片,主控芯片对于相应的数值进行储存,处理,并输出相应控制命令至光源,从而实现对光照强度的调整,人工交互界面兼具控制面板和显示器的作用,即可便于操作人员人工介入,也可实时显示相应光照强度,光照时间等信息。
2、本发明中,环境温度也会对黑水虻的产卵造成影响,因此,优选采用LED灯带作为光源,LED灯带采用固态发光原理,相较于白炽灯,卤素灯等传统光源,其对于环境温度的影响具有明显的优势;同理,根据目前的研究表明,黑水虻最优的养殖温度为27℃左右,因此假设养殖环境温度维持在27摄氏度,温度对LED的波长没有产生影响,系统检测到光信号可通过换算公式可实现光照强度与光量子通量密度之间的转换,进而得知在光照强度为750lx-1500lx区间内,最利于黑水虻的养殖。
3、本发明中,基于上述设计,构件了一个优选的具体实施例,以40cm×40cm×40cm的立方体养殖箱为基准,说明光源和光照传感器的布设位置,以达到相应的设计要求。
4、本发明中,经试验和计算设计出采用顶面和底面分别安装灯带,并在顶面安装光矩阵的结构,采用该实施方式可使立方体养殖箱87%以上的培养空间处于750lx-1500lx区间内,因此,明显有利于黑水虻的养殖。
5、本发明中,采用40cm×40cm×40cm作为立方体养殖箱,具有明显的对称性,因此无需再每个培养空间均安装光照强度传感器,只需如坐标所示安装4个光照强度传感器,即可判断每个培养空间的光照强度的区间,进而判断是否大部分培养空间处于最优的光照区间内。
附图说明
图1为本发明的模块示意图;
图2为40cm×40cm×40cm的立方体养殖箱的结构示意图;
图3为本发明的模块示意图;
图4为GY-30光照强度传感器的电路图;
图5为LED灯带硬件连接图;
图6为LabVIEW人工交互界面示意图;
图7为数据采集装置流程图;
图8为LED照射示意图;
图9为LED补光模型示意图;
图10为模糊PID控制器示意图;
图11为模糊PID控制流程图;
图12为E和EC隶属度函数图;
图13为输出U隶属度函数图;
图14为阶跃响应图。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明进一步说明,下述实施例是说明性的,不是限定性的,不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,本发明的创新在于,包括一采用透明材质制出的立方体养殖箱,该立方体养殖箱内均匀分隔为多个正立方体的培养空间,所述立方体养殖箱内安装有多个光照传感器和光源,每个光照传感器和光源的控制端均与一主控芯片相连接,该主控芯片通过一人工交互界面进行显示和控制。
本实施例中,如图3所示,所述主控芯片采用Arduino 2560主控板;光源采用LED灯带;光照传感器采用GY-302,其芯片采用自带I2C通信电路的BH1750FVI;人工交互界面采用LabVIEW人工交互界面,Arduino通过USB数据口连接到电脑,用visa串口通信,能够实现实时通信,显示光照时间和光照强度。
本实施例中,如图4和图5所示,所述Arduino 2560通过继电器控制LED灯带,该Arduino2560和LabVIEW人工交互界面实现双向数据交互;Arduino 2560主控芯片具有54路数字输入/输出口,其中数字口5用作控制LED光源的继电器数据口,数字口20、21用作光照传感器的I2C接口输入。
本实施例中,所用光照强度传感器是型号GY-302,其芯片是BH1750FVI自带I2C通信电路,因此可直接与Arduino进行I2C总线通信,输出的亮度数值范围为0-65535lx。传感器的ADDR引脚只有两个I2C地址可供选择,当ADDR引脚不连接任何主控芯片引脚或者直接连接GND的时候,将会默认芯片选择低电平(即为0x23),反之当ADDR连接上3.3V或5V输出电压引脚的时候,芯片将选择为高电平(地址为0x5c)。本系统选择GY-302的ADDR不连接任何端口,芯片地址默认为0x23。
本实施例中,Arduino主控芯片根据GY302采集的数据计算绿色LED的光照强度,从而达到黑水虻产卵的光照条件。绿色LED的波长范围为520-530nm,峰值一般为525nm,而绿光在120mA的情况下,光照强度达到8000-9000lx,其照射角度为120°。
灯带最大功率达到每米14W,需要外接12V大功率驱动,L298N持续工作电流为2A,不足以满足LED高亮状态下所需的电流,因此选择MOS场效应管PWM调节功率放大驱动模块,可以控制10A以内的直流负载,连接图如图4所示。驱动模块的IN+和IN-,分别连接Arduino的数字端口5和GND,而其输出端口OUT+和OUT-分别连接着+12V和GND,DC+和DC-分别连接着直流电源12V。通过调节PWM的占空比,自行设置周期,将输出的占空比脉冲转变成相对应的电压,从而使LED灯的光照强度有所变化。
本实施例中,LED灯在照射的过程中会出现升温现象从而使得波长会有所波动。而黑水虻最佳的养殖温度是27摄氏度,因此假设养殖环境温度维持在27摄氏度,温度对LED的波长没有产生影响,查表可得在该温度情况下,绿色LED的波长为525nm。
系统检测到光信号后将以光照强度(Lx)表示,可通过换算公式(1)可实现光照强度与光量子通量密度(μmol·m-2·s-1)之间的转换[11]
测得的光照强度(lx)需要转换为辐射能量单位(W·m-2)再转换为光量子通量密度(μmol·m-2·s-1)。
式中:k'为1μmol·m-2·s-1相当的lx数,M为阿佛加德罗常数(6.02×1023),h为普朗克常数(6.63×10-34J·s-1),c为光速(3×108m·s-1),λ为波长(单位为nm),V(λ)是人眼视见函数,Φ为波长λ的光的辐射通量。
查文献图表可知,当λ=525nm,人眼视见函数V(λ)=0.7932,计算出1μmol·m-2·s-1≈3.73lx,黑水虻最佳的辐射照度为200μmol·m-2·s-1至320μmol·m-2·s-1,即最佳的光照强度为746lx-1194lx。
本实施例中,假设LED满足朗伯特分布的照射且无功耗,如图8所示,光照强度I与角度θ关系:
I(θ)=I0 cosmθ (2)
m与θ1/2的关系:
设LED的位置为(X,Y,Z),点P(x,y,z)所产生的光照强度E(x,y,z)可以表示为[13]
式中:I0为LED在θ=0的时候最大光照强度,θ1/2为在0lx环境下光照强度一半时所对应的角度。
本实施例中,基于上述模型的LED作为光源,以40cm×40cm×40cm,且划分为64个10cm×10cm×10cm的培养空间的立方体养殖箱设计LED分布位置。
本实施例中,在所述立方体培养箱的顶面和底面内分别安装有4条LED灯带,每条LED灯带均向立方体培养箱内部照射;所述顶面内的4条LED灯带收尾顺次连接形成一正方形灯组,该正方形灯组与构成顶面的四棱所构成的正方形为同心正方形,位于该同心正方形中部的顶面内安装有LED矩阵;位于底面内的所述正方形灯组的正投影位置安装有另一正方形灯组。以上述光源进行实验,将将接受面划为16个面积相等的正方形,测量其小区域内的中心光照强度,分别读取接受面10cm,20cm,30cm的光照强度,数据如表1所示。
表1 空间光照强度分布
从数据表可看出,48个数据中,0个数据小于700lx,42个数据位于700lx-1500lx,6个数据大于1500lx,87.5%的培养空间处于700lx-1500lx的区间内,因此适合黑水虻的养殖。
假如空间的高Z不变,顶部面积的长与宽(X与Y)有所变化。可以将空间顶部平面网格化,随着顶部面积的增加,需要在顶部布置更加多的光矩阵与灯带。当顶部边长为X=Y=10k(k≥4,k∈Z),当k分别为奇数和偶数时,光矩阵分布有如下规律:
当k为奇数时,光矩阵分布呈n个高相等的直角等腰三角形(n>1);
当k为偶数时,光矩阵分布呈(k-2)阶方矩阵。
表2 LED模型分布规律(顶面为正方形)
本实施例中,每个所述的正方形灯组内的LED灯带均距顶面或底面的边4-6cm。
本实施例中,设置底面的任一顶点为原点,以该原点延伸的三条边分别设置为X轴、Y轴、Z轴,建立X,Y,Z坐标系,底面为XOY平面;在(10,10,5);(10,30,15);(30,10,25);(30,30,35)坐标位置分别安装一光照强度传感器。
本实施例中,针对上述智能补光系统,采用传统的PID算法调节参数,其所需时间较长,最优参数选取比较麻烦,因此传统PID控制算法不利于应用于一些非线性时变控制系统,不能实时进行控制参数变化,大大影响了系统的控制效果。
为克服上述不足,本实施例中采用模糊PID算法,提供一种可实时计算出最优参数的调节系统。模糊PID控制器结构如图10所示。
输入量的模糊化
设光照强度设定值为x,测量元件检测到的数值为y,则光照强度偏差值为e=x-y,偏差变化率为ec。采用如图11所示的控制流程图。
光照强度偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入量,设e对应的自设基本论域为{-10,-5,0,5,10},则ec对应的为{-2,-1,0,1,2}。则e与ec所对应论域上的模糊子集为{NB,NS,ZO,PS,PB},因此选择三角形隶属函数因其偏差较小或近似于零。其e和ec隶属度函数图如图12所示。
模糊控制规则
依据偏差和偏差变化率的变化,当系统出现较大偏差的时候,选取的控制量应可以消除偏差,而偏差较小的时候可以使系统进行微小的调整或者保持不变。通过PID控制的比例、积分、微分系数的增量与系统的光照强度偏差e、偏差变化率ec之间的模糊控制规则见表5。
表3 △Kp、△Ki、△Kd模糊控制规则表
输出量的解模糊
系统输出控制量(U)为PWM信号,通过调节PWM的占空比,计算高低电平之比,调节补光模块的发光亮度。U对应的基本论域为{600,750,900,1050,1200},所对应的模糊子集为{NB,NS,ZO,PS,PB},选取三角形隶属度函数,其分布如图13所示。
模糊PID仿真及实现
两种PID阶跃响应曲线如图14。仿真结果表明,传统PID会有一段时间达到稳态,而模糊PID更加合适应用于智能补光系统的控制,具有更好的稳准快,系统的响应时间有所缩短,提高了系统响应速度和减少超调量。
本发明的工作过程是:
本发明使用时,如图7所示,包括如下步骤:
步骤1:操作人员通过人工交互界面输入一个上限阈值和一下限阈值;
步骤2:开启相应光源进行补光;
步骤3:内置的光照传感器会检测相应光照强度并与下限阈值比较,如低于下限阈值,则增强光照强度;如高于下限阈值则维持光照强度;
步骤4:与上限阈值比较,如高于上限阈值则减弱光照强度,如低于上限阈值则维持光照强度;
步骤5:显示光照强度;
步骤6:记录显示光照强度持续时间;
步骤7结束。
本发明中,透明材质透光性良好,立方体结构具有对称性,便于控制光源至各个培养空间的距离,进而控制相应的光照强度。在立方体养殖箱内布设光源用于对培养空间的光照强度进行补偿,光照传感器则用于检测个培养空间内的光照强度,光照传感器检测的光照强度反馈至主控芯片,主控芯片对于相应的数值进行储存,处理,并输出相应控制命令至光源,从而实现对光照强度的调整,人工交互界面兼具控制面板和显示器的作用,即可便于操作人员人工介入,也可实时显示相应光照强度,光照时间等信息。

Claims (8)

1.一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,其特征在于:包括一采用透明材质制出的立方体养殖箱,该立方体养殖箱内均匀分隔为多个正立方体的培养空间,所述立方体养殖箱内安装有多个光照传感器和光源,每个光照传感器和光源的控制端均与一主控芯片相连接,该主控芯片通过一人工交互界面进行显示和控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,其特征在于:,所述主控芯片采用Arduino 2560主控板;光源采用LED灯带;光照传感器采用GY-302,其芯片采用自带I2C通信电路的BH1750FVI;人工交互界面采用LabVIEW人工交互界面,Arduino通过USB数据口连接到电脑,用visa串口通信,能够实现实时通信,显示光照时间和光照强度。
3.根据权利要求2所述的一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,其特征在于:所述Arduino 2560通过继电器控制LED灯带,该Arduino 2560和LabVIEW人工交互界面实现双向数据交互;Arduino 2560主控芯片具有54路数字输入/输出口,其中数字口5用作控制LED光源的继电器数据口,数字口20、21用作光照传感器的I2C接口输入。
4.根据权利要求1所述的一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,其特征在于:所述光源优选采用LED灯带,每个培养空间内最佳的光照强度在750lx-1500lx为宜。
5.根据权利要求4所述的一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,其特征在于:所述立方体养殖箱采用40cm×40cm×40cm的正六面体,划分为64个10cm×10cm×10cm的培养空间。
6.根据权利要求5所述的一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,其特征在于:设置底面的任一顶点为原点,以该原点延伸的三条边分别设置为X轴、Y轴、Z轴,建立X,Y,Z坐标系,底面为XOY平面;在10,10,5;10,30,15;30,10,25;30,30,35坐标位置分别安装一光照强度传感器。
7.根据权利要求5所述的一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,其特征在于:在所述立方体培养箱的顶面和底面内分别安装有4条LED灯带,每条LED灯带均向立方体培养箱内部照射;所述顶面内的4条LED灯带收尾顺次连接形成一正方形灯组,该正方形灯组与构成顶面的四棱所构成的正方形为同心正方形,位于该同心正方形中部的顶面内安装有LED矩阵;位于底面内的所述正方形灯组的正投影位置安装有另一正方形灯组。
8.根据权利要求7所述的一种用于提升黑水虻产卵率的智能补光系统,其特征在于:每个所述的正方形灯组内的LED灯带均距顶面或底面的边4-6cm。
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