面向自适应害虫诱捕的LED光源照明系统

李 恒， 张剑平， 苗美媛， 李博文， 梁德世，曹 帆， 贺晓阳， 王智森， 邹念育*

(1. 大连工业大学 光子学研究所， 辽宁 大连 116034；>2. 大连工业大学 集成测控技术研究所， 辽宁 大连 116034)

1 引 言

在农业害虫防治领域，利用昆虫趋光性对害虫诱杀是一种较为理想的无公害防治方法和手段[1-4]。现有市场主要使用的频振式杀虫灯是利用害虫趋光与趋味的特性，近距离用紫外光辐射和远距离散发性诱剂，以视觉与嗅觉引诱翅翼类害虫成虫扑灯，通过频振式高压电网将害虫击晕或击死，最后落入集虫袋内，同时被击毙的虫体散发出性激素可集诱更多的害虫[5]。频振式黑光灯的光谱范围主要为紫外光330～400nm，面对大面积害虫防治需求,光源功率较大，但集诱害虫效率较低[6-8]。LED为第四代半导体照明材料，其光谱窄、光色纯，相对频振式黑光灯更利于利用特定光谱准确地锁定靶标害虫，避免滥杀，最大限度地发挥生态调控功能，解决多种光谱组合形成宽光谱的全光浪费[9-10]。同时，LED灯具有功耗低、寿命长等优点，在害虫的生态调控领域将得到广泛的应用[11-14]。通过光波和光强对几种重要农业害虫趋光性的影响分析，不同光谱范围的光源对害虫诱集率有所区别，不同水平光照度条件表现出趋光率也随光强提高而增高[15]，不同害虫在不同时间段内的趋光率也受到季节、环境温湿度与光照的影响，但目前关于昆虫对不同波段趋光敏感度的系统性研究仍然是个空白[16-17]。现有害虫诱捕波长集中在320～580nm，典型波长包括360，400，460，520nm等，分别对应鞘翅目、鳞翅目、双翅目和半翅目等昆虫的诱捕[18]。针对害虫在不同光谱及白光的趋光性，根据害虫面向不同暗适应时间、性别、日龄和光照强度的影响分析[19]，不同颜色的LED灯对害虫的诱捕防治需要对光谱自适应调控，以弥补害虫在不同环境下的多参数综合影响[20-23]。

根据现有害虫诱捕灯的设计要求，针对害虫趋光光谱的不明确[24-32]，本文设计了一种网络化协调诱捕及其多波段LED光谱自适应调控的害虫诱捕系统，针对不同高度与密度的农作环境，提出混合式和渐进式网络诱捕结构。对LED光谱选定及其多波段调控灯具设计结构进行了研究，通过单灯自适应诱捕与多灯网络化集诱功能设计，在不同农业环境下可实现不同波段诱捕害虫数量统计与数据分析。

2 网络化诱捕系统结构

生态捕虫需要根据生态农业环境空间的农作物高低密度和虫灾季节环境变量进行系统设计，诱捕系统通过网络化分别实现在低矮和高疏农作物环境下的混合式诱捕和渐进式诱捕。

2.1 低矮农作物网络化捕虫系统

由于大豆、小麦、棉花等植株低矮且种植密度较高，诱捕系统每盏单灯的位置均高于低矮农作物，采用蜂窝网形式空间布置可确保全面覆盖所有虫灾作物，如图1所示。低矮农作物在蜂窝网覆盖下通过每盏捕虫灯构成节点，从而形成混合式网络诱捕系统结构，可有效全面覆盖低矮农作物害虫活动范围。混合式网络所有节点的单灯应具备覆盖区域内害虫的最佳趋光光谱，即确定该时段的害虫最佳趋光波长可捕杀最多害虫数量。

图1 混合式网络诱捕系统结构

2.2 高疏农作物网络化生态捕虫系统

由于果林和树林等植株偏高且种植密度稀疏，同时生态农业在高疏植株下发展林下经济，种植蔬菜和养殖禽畜或池鱼等低矮经济作物，作物之间留有空隙,从而形成害虫活动的猖獗区域。根据高疏农作物具有作物之间空隙隧道特点，集诱系统采用空隙交叉点安置单灯，形成十字型照射区域全面覆盖，如图2所示。由于害虫具有高蛋白而可生态饲养林下畜鱼，采用多灯节点网络化实现交叉点从外到内递进式引诱至畜鱼圈养活动区域，形成渐进式集中式诱捕系统结构。在作物范围内划分多层区域，每层区域可含有多盏捕虫灯，有效控制渐进式则需要执行“上下节点状态与本节点状态相反”的原则，逐个节点集中再被逐次引诱至畜鱼圈养活动区域的核心区域，实现网络内互相协作使害虫逐渐引诱集中至生态捕获。

图2 渐进式网络诱捕系统结构

3 自适应捕虫系统结构和功能

针对混合式和渐进式网络诱捕系统结构的设计需求，单灯捕虫系统应具备虫量检测、环境参数检测、多光谱控制、高压电击等功能，以此实现确定最佳诱捕害虫光谱和控制害虫分布区域。根据农林环境和害虫对光线的敏感性，采用自动控制技术进行单灯LED多波段调控与自适应害虫诱捕，以照度、雨滴和害虫量为检测量，通过短距离无线通信构成自组织网络进行信息共享与智能处理，实现混合式自适应引诱和渐进式自适应诱捕害虫，实现整个网络自行调控，预防害虫重灾区，发展高疏作物下林下经济。

3.1 LED诱捕系统功能结构设计

LED 诱捕系统由环境检测单元、LED 灯具单元、无线通信单元、高压电击单元、电源管理单元和主控板共计6个部分组成，构成具有感知测量功能、无线传输功能、电源管理功能、智能数据处理以及LED 调控功能的现地实时数据采集与捕虫灯自适应调控的综合系统。

检测单元包括光照传感器、雨滴传感器、温湿度传感器和虫量检测传感器，检测数据可判断环境变化来控制诱捕系统的捕虫灯运行状态。LED灯具单元包括LED驱动模块、多波段LED阵列和LED灯壳。无线通信单元采用433MHz射频模块可实现多盏捕虫灯的自组织无线联网，可以按照混合式和渐进式网络实现自适应诱捕系统控制。高压电击模块包括升压模块(高压包)和高压电网阵列，通过高压电击方式捕杀害虫。电源管理单元采用蓄电池独立供电，方便布置捕虫灯所适合的最佳位置，可选配电源管理模块分别接入220V交流市电或太阳能电池板供电系统。主控板作为LED诱捕系统的核心部分，通过检测数据执行控制与管理电源管理、LED驱动、无线数据收发、高压电击，实现整机系统的自适应控制与最佳诱捕效果。LED 自适应诱捕系统的具体功能模块组成结构如图3所示。

本系统通过环境检测单元的光照、雨滴判别捕虫灯开关，集成的光控、雨控可实现白天自动关灯和夜间自动开灯；温湿度数据用于分析当季环境下害虫出没的种类，虫量检测模块通过害虫在不同LED光谱下被高压电击后的捕虫数量，主控板采用巡检模式控制LED光谱并通过虫量检测模块寻找最佳光谱的最大引诱害虫数量。本系统采用无线自组织网络构建适应不同农作物环境下不同的位置安放要求，不同位置的多盏诱捕单灯同时可实现自适应环境与害虫群在不同时段的最佳诱捕。

图3 LED自适应诱捕单灯功能结构框图

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

3.2 LED多波段自适应灯具单元

根据害虫趋光性和趋色性，不同的害虫在不同季节温湿度环境下对不同光谱的光敏感度不同，以及对耀眼的光色具有趋色性。害虫的趋光波长为365nm，部分的趋光波长在408.66～432.83nm，535nm等。随着季节的变化，夜晚的温湿度变化，害虫出没时间也不同，一般在19:30-20:30和22:45-次日7:00等不同时间段。因此一盏捕虫灯必须拥有多种光谱的光源实现调控，从而在不同温湿度和时间下测定不同害虫的最佳诱捕波长。LED具有可控性好、节能高效、单波长性能好、寿命长等特点，因此选用LED作为多波段灯具设计。

图4 LED多波段调控系统结构图

如图4所示，本系统采用4×4阵列方式设计LED多波段灯具，A、B、C、D4行为4种不同光谱的同类型LED光源，每行光源分别按照东南西北四个方向放置，以便覆盖捕虫区域进行引诱。

LED诱捕系统的核心功能为在不同时间和温湿度环境下选择最佳光谱波长以诱捕不同种类的害虫。系统在环境自适应下主要通过虫量检测判断某一时间段LED光谱是否适应该环境下的害虫，对该问题从未有过论文进行讨论。本系统采用LED多波段巡检功能确定该时间段及其环境下出没害虫的最佳波长。由于害虫趋光性的科学调查没有具体的参数数据实现某一害虫的某一最佳光谱，因此本系统采用巡检模式更适合调查害虫趋光率。

如表1所示，诱捕单灯正常工作模式下，LED光源的开关模式有4种，AD、BD、CD和ABCD光谱行4个方向列的LED灯全部点亮，D行常时点亮用于害虫的趋色性。A、B、C3行为当季可能出现多种害虫的可能最佳趋光率的光谱，ABCD4行全部点亮用来判断是否多种害虫同时出没则一并诱捕。如图5所示，巡检模式分4个阶段完成判断最佳波长，每种模式X分别执行不同的时间T得到不同的捕虫量N，根据公式(1)可以得到每种模式下平均捕虫量M，以此判断当前时间段最佳诱捕光谱。

(1)

X代表A、B、C、D不同的模式。

表1巡检模式执行的要素表

Tab.1 Element table for the execution of inspection mode

模式选择X执行时间T/s捕虫量N/只平均捕虫量M/只AD模式tAnAmABD模式tBnBmBCD模式tCnCmCABCD模式tDnDmD

图5 循环模式执行流程

4 LED光谱测量实验与结果

根据害虫趋光性的LED光谱选择是整个系统运行效率和可靠性的关键参数。通过背景研究可知昆虫对365 nm波段的紫外光较为敏感，为了进一步确定不同种类害虫对不同波段的趋光性，将365～430 nm波长之间的光源分为5 nm和10 nm为一组进行测量以便得到相应的光谱范围、波峰等参考量。本次测试将4个3.5 V、700 mA的单光谱LED进行并联后进行测试，测试设备采用直径为2 m积分球，instrument system的sp320扫描光谱仪，测定LED光谱曲线及其照明效果如图6所示。

根据LED光谱测试结果，不同电压与电流条件下同种波长的光谱范围基本吻合。因此可以得出电流电压等条件对光源的光谱范围无影响。通过不同光谱LED光源照射在反射镜面的颜色差别比较，紫外光的365～400nm光照反射偏向透明的光照强度，紫光400～430 nm随着光谱的增大而光强增强。针对不同害虫对不同光谱最佳趋光率，LED光源发出的光照强度及其光照范围有一定差异，对自适应害虫诱捕照明系统设计需要调整不同光谱LED光源数量，保持各种光谱光源照射范围均等。

图6 LED多波段光谱曲线及其效果图

5 结 论

根据生态农业的环境条件和生产需求，通过捕虫灯的环境参数检测、虫量检测与统计、LED多波段调控和实时数据存储与无线传输，实现LED多波段自适应控制和网络化诱捕控制。针对不同生态农业害虫的种类与生活习性，设置多组不同害虫的最佳诱捕光谱光源，设计适合作物空间所需的灯具照射最佳有益范围，采用混合式和递进式网络控制实现生态诱杀害虫和集中诱捕喂养禽鱼类生态养殖。

为实现自适应害虫诱捕选取最佳波长，根据LED多波段光源模式选取与延时检测捕虫量，动态周期检测害虫变化与最佳趋光光谱所适应的LED光源。同时，设计365～430 nm 光谱波长的LED光源进行光谱测定，分析结果表明其光谱连续性较好。在照射反射镜面的光照强度方面，需要设计不同的光谱光源数量，以满足自适应诱捕照射光强和照射范围的均匀性。

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