CN114027226B - 一种智能家禽灯的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能家禽灯的设计方法，包括以下步骤：步骤1：单色LED数据库的建立。步骤2：得到孵化模式目标光谱、生长模式目标光谱、繁殖模式目标光谱.步骤3：获取日光模式光谱，步骤4：家禽照明光源的设计。步骤5：光学设计。步骤6：控制电路设计。本发明中，智能家禽灯设计基于白光LED与单色LED相结合，针对家禽生长的不同阶段采用不同的照明模式同时兼顾饲养工人的视觉及心理健康。实现自动切换照明模式以及读取光强、温度信息和着火警报等功能。解决单色LED照射不能满足家禽不同阶段生长的需求问题，促进鸡胚的生长发育，提高肉鸡免疫力、产蛋率及其品质，具有良好的生态效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及新型光源设计技术领域，尤其涉及一种智能化的家禽灯具中使用的光源的设计方法。
背景技术
2013年，我国牧业总产值28435.50亿元，其中家禽饲养总产值7032.20亿元，约占畜牧业总产值的四分之一。随着科技的发展，家禽饲养正在向规模化和智能化方向发展。家禽有三色视觉，比人类更能敏感地区分不同的光色。目前大部分家禽灯的光谱只采用单色光，但是单色光不能满足家禽不同阶段生长的需求问题。在鸡胚孵化过程中，绿光照射可以促进松果体的发育和褪黑激素的合成和分泌，进而影响生长激素的释放，最终促进鸡胚的生长发育。在肉鸡生长过程中，合理的绿光、蓝光、黄光混合照射比例可以促进肉鸡生长，提高肉鸡的免疫力。在种鸡和蛋鸡繁殖过程中，红光照射可以促进性成熟，提高产蛋率及其品质。家禽饲养工人需要在整个肉鸡饲养期间饲喂、监控和清洁。为了消除光环境对饲养工人的潜在危害和满足家禽对光色的需求，应该采用多种照明模式进行家禽照明。
发明内容
本发明提出一种智能家禽灯的设计方法，目的是解决家禽在不同生长时期对光色的多样化需求以及使饲养工人在一个舒适的光环境下作业，目前大部分家禽灯具采用单色光，然而单色光照射不能满足家禽生长对光色的多样化需求。
为了达到上述目的，本发明提供了一种智能家禽灯的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：获取单色LED数据，并采用高斯四次公式对所获取到的单色LED数据进行拟合，得到单色LED数据库。
步骤2：根据调研，家禽孵化期绿光可促进孵化，生长期蓝光，绿光，黄光均可促进生长，繁殖期红光可促进繁殖。将鸡眼视觉函数中的绿光(500nm～565nm)波段提取，以所述绿光波段作为孵化目标光谱；将鸡眼视觉函数中的蓝绿黄光(435nm～600nm)波段提取，以所述蓝绿黄光波段作为生长目标光谱；将鸡眼视觉函数中的红光(630nm～780nm)波段提取，以所述红光波段作为繁殖目标光谱；
步骤3：获取标准日光光谱做为日光模式光谱。
步骤4：将白光LED与所述步骤1中的所述单色LED数据库相结合，获得孵化模式、生长模式、繁殖模式和日光模式的实际光谱以及分别所需的单色LED以及白光LED的种类和数量，具体为：通过光谱叠加原理，通过不同的单色LED和白光LED组合得到任意的目标光谱并计算出单色LED和白光LED的权重。
步骤5：以1mm×1mm×0.2mm的几何体表面光源代表LED灯珠沿圆周进行排列，第一层同心圆的半径为5mm，第二层同心圆的半径为10mm，第三层同心圆的半径为15mm；将所述步骤4中得到的所述白光LED置于光源中心以及第一层同心圆均匀间隔排布，将所述步骤4中得到的所述单色LED置于第二层以及第三层同心圆均匀间隔排布，最后对排列好的灯珠整体加装一个TIR透镜，得到智能家禽灯具光源。
步骤6：设置由单片机控制系统、传感器模组、终端执行装置模组、上位机控制模块组成的智能控制电路；所述上位机控制模块通过所述单片机控制系统接收所述传感器模组的各类信息，并通过逻辑判断程序与定时程序判断鸡舍环境，通过单片机控制系统下发控制所述终端执行装置模组动作的指令信息，从而根据不同情况的照明需求切换照明模式。
上述一种智能家禽灯的设计方法，优选方式下，在所述步骤4中采用光谱有效比对家禽所需的实际光谱进行表征，所述光谱有效比为：目标波段光谱功率分布与可见光波段光谱功率分布的比值；光谱有效比表达式为：
其中η为光谱有效比，x1和x2代表目标波段，光谱有效比数值越大，对家禽生长的促进效果就越好。
上述一种智能家禽灯的设计方法，优选方式下，所述单片机控制系统与所述传感器模组、所述终端执行装置模组相连并通过蓝牙无线传输方式与所述上位机控制模块进行信息双向传输。
上述一种智能家禽灯的设计方法，优选方式下，所述步骤6中的所述传感器模组包括：用于获取鸡舍周围人体的红外信息的用于人体检测的红外传感器、用于获取鸡舍的温度信息的温度传感器、用于获取鸡舍的光强信息光敏传感器，以及用于获取鸡舍的烟雾浓度信息烟雾传感器。
上述一种智能家禽灯的设计方法，优选方式下，所述步骤6中当所述用于人体检测的红外传感器检测到人体在鸡舍周围经过时向所述单片机控制系统发送高电平信号，所述单片机控制系统检测到所述高电平信号后将鸡舍当前照明模式切换为日光模式；当红外传感器没有检测到人体在鸡舍周围经过时向单片机控制系统发送低电平信号，单片机控制系统检测到所述低电平信号后将照明模式切换为此时家禽所需的照明模式。
上述一种智能家禽灯的设计方法，优选方式下，所述光敏传感器的信号传递给所述单片机控制系统，所述单片机控制系统的逻辑判断程序比较当前鸡舍光强与光强阈值，若当前鸡舍光强低于光强阈值时通过PWM调光来增加光强，若当前鸡舍光强高于光强阈值时则通过PWM调光来减少光强；
上述一种智能家禽灯的设计方法，优选方式下，在开灯和关灯的时候通过PWM调光来实现照明亮度的连续变化从而减少家禽的应激反应。
上述一种智能家禽灯的设计方法，优选方式下，所述终端执行装置模组包括蜂鸣器，所述雾传感器将烟雾浓度信息传递给所述单片机控制系统，所述单片机控制系统的逻辑判断程序比较当前鸡舍烟雾浓度与烟雾浓度阈值，若当前烟雾浓度高于烟雾浓度阈值时向蜂鸣器发送开启的命令，发出警报。
上述一种智能家禽灯的设计方法，优选方式下，所述终端执行装置模组包括所述上位机控制模块，通过所述上位机控制模块实时读取鸡舍的光强信息、温度信息，同时也可以对照明模式，光强进行更改，改变逻辑判断程序中的烟雾浓度阈值和光强阈值。
本发明的优点在于：
(1)本发明从鸡眼视觉函数出发，尤其针对单色LED对促进家禽生长的局限性，提出了一种智能家禽灯的设计方法。该设计方法利用白光LED结合单色LED满足家禽不同时期对光色的需求，根据光谱叠加原理，得到智能家禽灯所需白光LED以及单色LED的种类和个数。
(2)本发明中，智能家禽灯主要设计了四种模式，分别为日光模式，孵化模式，生长模式，繁殖模式。日光模式是针对饲养工人，其余三种模式则是针对家禽生长的不同阶段。满足了饲养工人和家禽的照明需求，具有良好的生态效益和社会效益。
(3)本发明中，智能家禽灯的设计方法可以根据用于人体检测的红外传感器监测是否有人在鸡舍内活动从而自动切换照明模式。使用者还可以根据上位机控制模块和蓝牙模块实现远程获取鸡舍光强，温度等信息。也可以通过上位机控制模块来改变照明模式以及光强等功能。
附图说明
图1是本发明具体实施例中获取的103种单色LED数据库的相对光谱功率分布-波长图；
图2为本发明具体实施例所需LED种类及数量；
图3为本发明具体实施例中的日光模式光谱；
图4为本发明具体实施例中的孵化模式光谱；
图5为本发明具体实施例中生长模式光谱；
图6为本发明具体实施例中繁殖模式光谱；
图7为本发明具体实施例中的光源排列简图；
图8为本发明中的智能控制系统电路原理图；
图9为本发明中的用于人体检测的红外传感器原理图；
图10为本发明中的光敏传感器原理图；
图11为本发明中的温度传感器原理图；
图12为本发明中的烟雾传感器原理图；
图13为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
具体实施例：
如图13所示，本发明是一种智能家禽灯的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：单色LED数据库的建立：获取单色LED数据，前期调研收集到单色LED数据103个，并以高斯四次公式来拟合每个单色LED从而得到相应的参数，使拟合度可达99.99％及以上，以此来建立单色LED数据库，单色LED数据库的相对光谱功率分布-波长图如图1所示。
步骤2：得到孵化模式目标光谱、生长模式目标光谱、繁殖模式目标光谱：根据调研，家禽孵化期绿光可促进孵化，生长期蓝光，绿光，黄光均可促进生长，繁殖期红光可促进繁殖。将鸡眼视觉函数中的绿光(500nm～565nm)波段提取，以所述绿光波段作为孵化目标光谱；将鸡眼视觉函数中的蓝绿黄光(435nm～600nm)波段提取，以所述蓝绿黄光波段作为生长目标光谱；将鸡眼视觉函数中的红光(630nm～780nm)波段提取，以所述红光波段作为繁殖目标光谱；以此来确定照明的三种模式，孵化模式，生长模式和繁殖模式。
步骤3：获取标准日光光谱做为日光模式光谱，在CIE官网上下载标准日光光谱作为满足鸡舍饲养工人工作需求的目标光谱，作为照明的日光模式。
步骤4：将白光LED与所述步骤1中的所述单色LED数据库相结合，获得孵化模式、生长模式、繁殖模式和日光模式的实际光谱以及分别所需的单色LED以及白光LED的种类和数量。具体为：通过光谱叠加原理，我们可以通过不同的单色LED和白光LED组合得到任意的目标光谱并计算出单色LED和白光LED的权重。将白光LED与步骤1中所述的单色LED数据库相结合获得四种照明模式的实际光谱以及分别所需的单色LED以及白光LED的种类和数量。
使用光谱有效比对家禽所需的实际光谱进行表征，所述光谱有效比为：目标波段光谱功率分布与可见光波段光谱功率分布的比值；光谱有效比表达式为：
其中η为光谱有效比，x1和x2代表目标波段，光谱有效比数值越大，对家禽生长的促进效果就越好。
如图2～图6所示，光谱有效比在孵化光谱为64％，生长光谱为92％，繁殖光谱为68％。光谱有效比都达到60％以上，可以更好的促进家禽生长。最终得到最优智能家禽灯组合为白光LED与其余26种单色LED共需36颗灯珠，其中白光LED4颗，单色LED32颗。
步骤5：所述白光LED与单色LED相结合方案的光学设计；以1mm×1mm×0.2mm的几何体表面光源代表LED灯珠沿圆周进行排列，第一层同心圆的半径为5mm，第二层同心圆的半径为10mm，第三层同心圆的半径为15mm，控制好圆周间距，使出来的光线均匀分布。为了达到白光LED被单色LED补偿效果，将白光LED置于光源中心以及第一层同心圆均匀间隔排布，将所述26种单色LED置于第二层以及第三层同心圆均匀间隔排布，第一圈每颗灯珠间隔为120°，第二圈每颗灯珠间隔为25°，第三圈每颗灯珠间隔为20°，相邻两圆周的间距为5mm，同一圆周的灯珠间隔由360°/n得到，其中n表示当前圆周上灯珠数目。最后对整个排列好的灯珠加入一个TIR透镜，得到智能家禽灯照明光源，如图7所示。
图7中1-4表示白色LED，5-11表示紫色LED，12-17表示蓝色LED，18-21表示绿色LED，22-23表示黄色LED，24-36表示红色LED；孵化模式下，17号、19号、20号、23号灯亮起；生长模式下，12号、16号、17号、19号、20号、21号、23号灯亮起；繁殖模式下，23号、24号灯亮起；日光模式下，1号-15号、17号-22号、25号-36号灯亮起。
其四种照明模式的参数如下：日光模式下色温为5491K，色坐标为(0.3324,0.3241)。孵化模式下色温为5851K，色坐标为(0.3131,0.5909)。生长模式下色温为6762K，色坐标为(0.2987,0.3820)。繁殖模式下色温为1666K，色坐标为(0.6199,0.3796)。
步骤6：控制电路设计：为了满足家禽生长照明模式切换的需求,需要采用智能化控制。该控制电路能够通过人体红外模块监测到是否有人出现，从而切换照明模式，满足不同情况的照明需求。
设置由单片机控制系统、传感器模组、终端执行装置模组、上位机控制模块组成的智能控制电路；所述上位机控制模块通过所述单片机控制系统接收所述传感器模组的各类信息，并通过逻辑判断程序与定时程序判断鸡舍环境，通过单片机控制系统下发控制所述终端执行装置模组动作的指令信息，从而根据不同情况的照明需求切换照明模式。
所述灯具本体上安装有传感器模组以及终端执行装置模组；所述传感器模组的输出端与单片机的输入端相连并可以改变照明模式同时获取鸡舍的温度信息，光强信息以及达到鸡舍着火警报的功能。传感器模组主要包括用于人体检测的红外传感器，光敏传感器，温度传感器和烟雾传感器，如图8所示。
如图9所示，本发明选用HC-SR501型号的红外传感器，由BISS0001型集成芯片、PIR热释电传感器、以及电阻R1-R14,滑动变阻器RT1-RT2，发光二极管D1，光敏电阻CDS2，电容C1-C8和极性电容C9-C12组成。BISS0001型集成芯片由运算放大器、电压比较器、状态控制器、定时器组成，用来处理PIR热释电传感器发送的模拟信号，将其转化成数字信号。具体地当红外传感器检测到人体在鸡舍周围经过时向单片机控制系统发送高电平信号，单片机控制系统检测到所述高电平信号模式将照明模式切换为日光模式。当红外传感器没有检测到人体在鸡舍周围经过时向单片机控制系统发送低电平信号，单片机控制系统检测到所述低电平信号模式将照明模式切换为此时家禽所需的照明模式，也可以手动对红外传感器的灵敏度以及智能家禽灯的照明模式进行调整。
如图10所示，本发明选用三线制光敏传感器，其由电压比较器，电阻R1-R4，滑动变阻器R5，光敏电阻R6，电容C1-C2和发光二极管D1-D2组成，从而将光信号转换为电信号。具体地通过光敏传感器和上位机控制模块可以实时读取鸡舍的光强信息并设定光强阈值，然后单片机控制系统的逻辑判断程序比较当前鸡舍光强与光强阈值，若当前鸡舍光强低于光强阈值时通过PWM调光来增加光强，若当前鸡舍光强高于光强阈值时则通过PWM调光来减少光强。在开灯和关灯的时候通过PWM调光来实现照明亮度的连续变化从而减少家禽的应激反应。
如图11所示，本发明选用LM35温度传感器，其由电压比较器，电阻R1-R4和电容C1-C4组成。将测量到的温度信号转换成电压信号输出到信号放大电路，与温度值对应的电压信号经放大后输出至A/D转换电路，把电压信号转换成数字量送给单片机控制系统。具体地通过温度传感器和上位机控制模块可以实时读取鸡舍的温度信息方便饲养工人了解鸡舍的温度情况并调节到适宜家禽生长的温度。
如图12所示，本发明选用MQ-2型烟雾传感器，由气敏电阻QM-N10，电压比较器U1，发光二极管D1，电阻R1-R3，电容C1组成。RP构成比较器的门槛电压。烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。当烟雾浓度较高传感器的输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平，此时LED亮警报；当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平，LED熄灭。具体地通过烟雾传感器来获取烟雾浓度信息，然后单片机控制系统的逻辑判断程序比较当前鸡舍烟雾浓度与烟雾浓度阈值，若当前烟雾浓度高于烟雾浓度阈值时向蜂鸣器发送开启的命令，发出警报。
本发明通过蓝牙模块连接上位机控制模块和单片机控制系统，可以实现双向信息传输以及远程获取鸡舍的光强信息和温度信息等等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种智能家禽灯的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取单色LED数据，并采用高斯四次公式对所获取到的单色LED数据进行拟合，得到单色LED数据库；
步骤2：将鸡眼视觉函数中的绿光波段500nm~565nm提取，以所述绿光波段作为孵化目标光谱；将鸡眼视觉函数中的蓝绿黄光波段435nm~600nm提取，以所述蓝绿黄光波段作为生长目标光谱；将鸡眼视觉函数中的红光波段630nm~780nm提取，以所述红光波段作为繁殖目标光谱；
步骤3：获取标准日光光谱做为日光模式光谱；
步骤4：将白光LED与所述步骤1中的所述单色LED数据库相结合，获得孵化模式、生长模式、繁殖模式和日光模式的实际光谱以及分别所需的单色LED以及白光LED的种类和数量；具体为：通过光谱叠加原理，通过不同的单色LED和白光LED组合得到任意的目标光谱并计算出单色LED和白光LED的权重；
步骤5：以1mm×1mm×0.2mm的几何体表面光源代表LED灯珠沿圆周进行排列，第一层同心圆的半径为5mm，第二层同心圆的半径为10mm，第三层同心圆的半径为15mm；将所述步骤4中得到的所述白光LED置于光源中心以及第一层同心圆均匀间隔排布，将所述步骤4中得到的所述单色LED置于第二层以及第三层同心圆均匀间隔排布，最后对排列好的灯珠整体加装一个TIR透镜，得到智能家禽灯具光源；
步骤6：设置由单片机控制系统、传感器模组、终端执行装置模组、上位机控制模块组成的智能控制电路；所述上位机控制模块通过所述单片机控制系统接收所述传感器模组的各类信息，并通过逻辑判断程序与定时程序判断鸡舍环境，通过单片机控制系统下发控制所述终端执行装置模组动作的指令信息，从而根据不同情况的照明需求切换照明模式。
2.根据权利要求1所述一种智能家禽灯的设计方法，其特征在于，在所述步骤4中采用光谱有效比对家禽所需的实际光谱进行表征，所述光谱有效比为：目标波段光谱功率分布与可见光波段光谱功率分布的比值；光谱有效比表达式为：
其中η为光谱有效比，x1和x2代表目标波段；所述光谱有效比数值越大，对家禽生长的促进效果越好。
3.根据权利要求1或2所述一种智能家禽灯的设计方法，其特征在于，所述单片机控制系统与所述传感器模组、所述终端执行装置模组相连并通过蓝牙无线传输方式与所述上位机控制模块进行信息双向传输。
4.根据权利要求3所述一种智能家禽灯的设计方法，其特征在于，所述步骤6中的所述传感器模组包括：用于获取鸡舍周围人体的红外信息的用于人体检测的红外传感器、用于获取鸡舍的温度信息的温度传感器、用于获取鸡舍的光强信息的光敏传感器，以及用于获取鸡舍的烟雾浓度信息的烟雾传感器。
5.根据权利要求4所述一种智能家禽灯的设计方法，其特征在于，所述步骤6中当所述用于人体检测的红外传感器检测到人体在鸡舍周围经过时向所述单片机控制系统发送高电平信号，所述单片机控制系统检测到所述高电平信号后将鸡舍当前照明模式切换为日光模式；当红外传感器没有检测到人体在鸡舍周围经过时向单片机控制系统发送低电平信号，单片机控制系统检测到所述低电平信号后将照明模式切换为此时家禽所需的照明模式。
6.根据权利要求4所述一种智能家禽灯的设计方法，其特征在于，所述光敏传感器的信号传递给所述单片机控制系统，所述单片机控制系统的逻辑判断程序比较当前鸡舍光强与光强阈值，若当前鸡舍光强低于光强阈值时通过PWM调光来增加光强，若当前鸡舍光强高于光强阈值时则通过PWM调光来减少光强。
7.根据权利要求6所述一种智能家禽灯的设计方法，其特征在于，在开灯和关灯的时候通过PWM调光来实现照明亮度的连续变化。
8.根据权利要求4所述一种智能家禽灯的设计方法，其特征在于，所述终端执行装置模组包括蜂鸣器，所述烟雾传感器将烟雾浓度信息传递给所述单片机控制系统，所述单片机控制系统的逻辑判断程序比较当前鸡舍烟雾浓度与烟雾浓度阈值，若当前烟雾浓度高于烟雾浓度阈值时向蜂鸣器发送开启的命令，发出警报。
9.根据权利要求4所述一种智能家禽灯的设计方法，其特征在于，所述终端执行装置模组包括所述上位机控制模块，通过所述上位机控制模块实时读取鸡舍的光强信息、温度信息，同时也能够对照明模式，光强进行更改，改变逻辑判断程序中的烟雾浓度阈值和光强阈值。
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