水產(chǎn)養(yǎng)殖車間LED光環(huán)境設(shè)計研究

宋昌斌，劉立莉，盧鵬志，楊華，李賢，高霄龍，陳濤，熊巍，雷堡樂，馬賀，杜建軍

(1.中國科學院半導體研究所，北京100083；2.中國科學院海洋研究所，山東青島266071；3.深圳市超頻三科技股份有限公司，廣東深圳518116；4.大連海洋大學水產(chǎn)與生命學院，遼寧大連116023)

在工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，溫度、溶解氧、pH、氨氮、鹽度等是影響水生動物行為與生理的重要因素，但光照條件同樣重要，目前，國內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域中，光照對水產(chǎn)動物的影響研究及其在養(yǎng)殖生產(chǎn)中的應用設(shè)計水平仍處在起步階段，并且在對光源的認識與使用方法上存有一定爭議。

國內(nèi)大部分水產(chǎn)養(yǎng)殖車間使用的光照仍然是傳統(tǒng)粗放型的白熾燈、日光燈、鈉燈等。在設(shè)計人工光照方案時，如何選擇適合特定水產(chǎn)動物生長的光照參數(shù)并在此基礎(chǔ)上降低養(yǎng)殖一次性投入成本，一直是困擾水產(chǎn)業(yè)的難題。由于LED具有節(jié)能環(huán)保、光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、發(fā)熱低、智能可調(diào)控等優(yōu)點，其在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中的應用優(yōu)勢日益凸顯。本研究中，在參考有關(guān)文獻資料并結(jié)合近幾年LED農(nóng)業(yè)應用實踐，針對水產(chǎn)養(yǎng)殖車間光照設(shè)計時經(jīng)常遇到的光環(huán)境因子優(yōu)化及控制燈具成本等主要問題，進行了水產(chǎn)養(yǎng)殖車間LED人工光照設(shè)計方案研究，以期為提高水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)效率，促進養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展提供有益的科學依據(jù)。

1 設(shè)計基礎(chǔ)依據(jù)

了解水產(chǎn)動物視覺生理結(jié)構(gòu)是設(shè)計水產(chǎn)養(yǎng)殖車間LED光照方案的基礎(chǔ)依據(jù)。

1.1 水產(chǎn)動物的野生環(huán)境

自然界除月光、星光等極低的冷光源外，太陽光是主宰萬物生靈的自然光源。索餌、繁殖、捕食、逃避敵害、集群等是水產(chǎn)動物在自然環(huán)境中的主要行為，而每一種行為均與光照有著密切的聯(lián)系。水產(chǎn)動物在億萬年的進化過程中，基于環(huán)境特點而形成了獨特的視覺生理結(jié)構(gòu)，如魚類通過視網(wǎng)膜與松果體的光感受器接收光信號，以同步感知并適應自然棲息地的光環(huán)境。因此，水產(chǎn)動物在自然界中的光環(huán)境特征是開展人工養(yǎng)殖條件下光環(huán)境因子優(yōu)化和調(diào)控的首要參考要素。

1.2 水產(chǎn)動物視覺生理結(jié)構(gòu)

板鰓魚類與硬骨魚類均有發(fā)達的眼睛，眼結(jié)構(gòu)與高等脊椎動物基本相似。魚眼視網(wǎng)膜內(nèi)層視桿與視錐兩種視覺細胞的區(qū)別主要是:視桿細胞接納光線的能力極弱，屬低閾值細胞，光敏感性高，無辨色和精細分辨能力；視錐細胞接納的光波長，屬高閾值細胞，有辨色與精細分辨能力[1]，但必須在亮光視覺條件下才能起作用[2]。兩種細胞光照度閾值均小于1 Lx。大多數(shù)板鰓魚類的視網(wǎng)膜只有視桿細胞，少數(shù)星鯊Mustelus manazo等與硬骨魚類一樣有視桿與視錐細胞，而許多深海魚類的視網(wǎng)膜則完全沒有視錐細胞。夜出性水產(chǎn)動物，視網(wǎng)膜完全由視桿細胞組成，而一些晝出性水產(chǎn)動物，視網(wǎng)膜則完全由視錐細胞組成[3]。生活在光照條件較好的水體中依靠視覺捕食的硬骨魚類，視錐細胞發(fā)達，可辨別顏色，光刺激閾值高，敏感性低；而視覺不發(fā)達的深海與夜間活動的魚類，光刺激閾值低，敏感性強，大多數(shù)沒有辨色能力。

貝類中無板綱、單板綱、多板綱與瓣鰓綱無頭眼，而多板綱一部分只有微眼，腹足綱的眼則由皮膚凸陷形成視網(wǎng)膜。頭足綱除二腮類眼部結(jié)構(gòu)復雜外，其余眼睛構(gòu)造簡單，通常無柄[4]。其他貝類視力較弱，甚至無眼，只靠皮膚感光。如屬于腹足綱的鮑魚眼部外觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)均較為原始，由單一網(wǎng)狀纖維和結(jié)締組織組成，缺少高等動物眼部表層相應的保護、過濾及折射等結(jié)構(gòu)，基于鮑魚晝伏夜出的節(jié)律性運動規(guī)律，可初步判斷其視網(wǎng)膜內(nèi)存在視桿細胞，而視錐細胞是否存在還有待進一步研究[5]。海膽、海參等棘皮動物無頭無腦，對于光照變化，其可以通過自身調(diào)節(jié)做出適當?shù)姆磻?。Stubbs[6]和Yoshida等[7]認為，一些棘皮動物通過散布于真皮的感光點對光照做出反應。通過文獻資料中關(guān)于水產(chǎn)動物等視覺生理結(jié)構(gòu)的分析及試驗結(jié)果可知，大部分適宜魚類生長的光照強度要高于貝類、棘皮動物數(shù)十倍水平。如Ellis等[8]推薦養(yǎng)殖巴哈馬石斑魚Epinephelus striatus適宜的光強為1636 Lx；王衛(wèi)民等[9]對中國常見的櫛孔扇貝Chlamys farreri等4種扇貝進行了研究，認為暗光有利于幼體的均勻分布，一般控制在500 Lx以下；張輝等[10]認為，10 Lx以下的弱光環(huán)境對刺參Apostichopus japonicus的養(yǎng)殖較為適宜；董貫倉[11]對刺參光照試驗結(jié)果表明，光照為5.18～278 Lx時，隨著光照增強，刺參避光行為的比率逐漸增加 (刺參分布比率為43.96%～8.17%)。

1.3 水產(chǎn)動物在不同光色層吸收光波長的差異

水產(chǎn)生物對光的敏感性差別由其棲息地的生態(tài)環(huán)境所決定，是長期自然選擇的結(jié)果。各種波長的光在水中被吸收的程度差別較大，紅外線最易被海水吸收，其次是紅光。隨著波長的減少，吸收率也相應下降，短波段的藍紫光在海水中的穿透力最強。在公海的最初10 m中，紅、橙、黃光基本已被吸收[12]，可見光中短波段的藍紫光在海水中的分布可達百米以下，在浮游植物和顆粒物質(zhì)較多的近岸淡水中，可見光中長波長的光譜占主導地位[13]，一般來說，魚類視網(wǎng)膜所具有的視色素與特定種群所在棲息地光譜的光波峰是一致的。故藍紫光色層活動的魚類光譜敏感曲線在短波長范圍內(nèi)，即對藍光敏感，而活動在近岸海水與淡水中的魚類吸收的光則偏重于長波長范圍內(nèi)[14]。中華絨螯蟹Eriocheir sinensis的自然天性是在江河湖泊生長至2齡，性腺發(fā)育至第Ⅳ期后，向淺海做生殖洄游；在海水孵化出的溞狀幼體至大眼幼體階段對藍光具有明顯的趨光性，發(fā)育后期轉(zhuǎn)變?yōu)閷t光敏感[15]。藍刻齒雀鯛Chrysiptera cyanea棲息在0～10 m的水面，紅光會刺激其性腺發(fā)育[16]。珊瑚蟲大多棲息在數(shù)十米以下的海底，用偏重于藍色的LED可使人工養(yǎng)殖的叢生盔型珊瑚Galaxea fascicularis較快生長[17]。黑線鱈Melanogrammus aeglefinus常見于40～200 m深處，使用藍光會顯著增加其攝食量[18]。與此類似，在調(diào)控歐洲鱸Dicentrarchus labrax、塞內(nèi)加爾鰨 Solea senegalensis、大西洋鱈Gadus morhual的幼魚生長發(fā)育過程中，也應選擇短波長的藍、綠光，避免使用長波長的紅光[19]。

1.4 防止設(shè)計光照極端化

盡管光在水中的傳輸由于復雜的吸收與散射常伴有強烈的衰減，但除在洞穴、深海棲息的物種外，絕大多數(shù)的水生生物均具有復雜的視覺生理結(jié)構(gòu)，極少數(shù)物種能不靠光而存活下來。養(yǎng)殖車間全天黑暗或全天高強度的光照均不可取[20]。太平洋藍鰭金槍魚 Thunnus orientails幼魚在小于15 Lx光照下，表現(xiàn)出明顯的焦慮行為，從而使存活率降低[21]。歐洲鱸Dicentrarchus labrax幼魚在24 h光照下出現(xiàn)畸形，全天黑暗環(huán)境下則孵化率降低，小于30%[19]。因此，設(shè)計極端的光環(huán)境一定要謹慎，并需有理論與試驗依據(jù)。

2 自然光譜與人工光譜的區(qū)別

2.1 全光譜

游奎等[22]的試驗證明，金鹵燈照明條件下凡納濱對蝦Litopenaeus vannamei的特定生長率比日光燈連續(xù)照明時要高55.89%，并改善體色，他們認為燈具的光譜是導致差異的主要原因，金鹵燈的光譜接近太陽光譜 (圖1)的程度明顯高于日光燈。牛頓于1672年在他的科學論文中記載了將太陽光通過棱鏡折射七色光譜的實驗，說明白色的光本身是沒有的，其主要是由不同顏色的光混合而成[23]。全光譜目前沒有嚴格的物理學定義，主要是指光譜波長覆蓋所有可見光區(qū)，并有少量紫外光和紅外光[24]。人工光源的顯色指數(shù)高、色溫低不能代表該光源是全光譜光源 (圖1)。

圖1 太陽光譜分布圖Fig.1 The solar spectrum

日常環(huán)境中較難用肉眼對白光光譜進行區(qū)別，而照明使用最多的LED白光是GaN芯片發(fā)出藍光激發(fā)黃色熒光粉得到的，其光譜主要是藍光成分(圖2)。在無試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)或無法弄清楚哪種波長的光色對養(yǎng)殖生物有利的情況下，應盡量模擬并使用與水產(chǎn)動物棲息地光照環(huán)境特點相似的光源。中國科學院半導體研究所使用3顆不同波長的單色光LED芯片和藍光LED激發(fā)紅綠黃三色熒光粉組成的白光LED，利用不同電流控制每種LED輸出的功率，組合成白光光譜，實現(xiàn)了連續(xù)譜的自然全光譜擬合 (圖3)，實驗室做出的燈具與太陽光光譜達到了較高的保真度[25](圖4)。目前，科技工作者正努力制造出與太陽光擬合度高的人工光源燈具。

2.2 LED色溫低與高顯色性的白光并非自然白光

目前，LED發(fā)出的白光大部分以InGaN藍色LED芯片為基礎(chǔ)光源激發(fā)稀土石榴石 (YAG)黃色熒光粉的混色方法制成，這種方法工藝成熟、簡單、成本低。從LED發(fā)光光譜上分析，由于此種混色方案中，藍光光譜為主峰，而紅光光譜偏少，使得此類白光LED色溫只能是5000 K以上的高色溫、低顯色性的光源。如果增加氮化物熒光粉成分，則可以降低色溫，提高顯色指數(shù)，但光視效率隨之降低。總之，無論色溫低或顯色指數(shù)高的白光均不是自然太陽光譜 (圖1)。

圖2 白光LED光譜與5500 K太陽光譜對比圖Fig.2 Comparison of white light LED spectrum with 5500 K solar spectrum

圖3 中國科學院半導體研究所全光譜與太陽光譜擬合圖Fig.3 Fitting of complete spectrum and the solar spectrum from Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences(CAS)

圖4 中國科學院半導體研究所全光譜光源分布圖Fig.4 Complete spectrum diagram of Institute of Semiconductors， CAS

3 水產(chǎn)養(yǎng)殖車間光環(huán)境的設(shè)計

3.1 光周期調(diào)控的作用

許多生物依賴于周年光周期的變化而生長、發(fā)育和繁殖，對魚類而言，晝長是一個重要的 “授時因子”。研究表明，光周期對寶石藍雀鯛Chrysiptera springer、長須鯨 Balaenoptera physalus、大西洋鮭Salmo salar等的生長和繁殖均具有重要影響[16，26－27]。在生產(chǎn)中， 通過光周期調(diào)控可以加速或延緩許多生物的性腺啟動時間，例如大西洋鮭、虹鱒Oncorhynchus mykiss、歐洲鱸、金頭鯛、大西洋鱈等[28]。在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，如能應用光周期進行調(diào)控則最為簡單，而又不會增加成本。根據(jù)養(yǎng)殖生物的特性，LED智能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)相應的光周期調(diào)控，但突然開、關(guān)照明燈具會使水產(chǎn)動物產(chǎn)生光脅迫應急反應，增加死亡率。太平洋金槍魚Thunnus thynnus在突然斷電滅燈時魚群會發(fā)生劇烈碰撞[21]。研究表明，燈具的開與關(guān)，應以逐亮、漸滅的方式完成，可明顯降低死亡率。

3.2 光照調(diào)控的實現(xiàn)

智能光照管理系統(tǒng)包括集中管理系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、調(diào)光控制器、電源與光源。運用通信網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議ZigBee、PLC、RS485、以太網(wǎng)和 GPRS等多種物聯(lián)網(wǎng)及IT技術(shù)，可實現(xiàn)單燈開關(guān)、調(diào)光、監(jiān)測計量等管理功能，但每個協(xié)議各有優(yōu)缺點。PLC是利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式傳輸信號[29]；RS485采用雙絞線屏蔽電纜傳輸差分信號；而Zig-Bee則是經(jīng)常采用低速、低功耗無線控制協(xié)議，特色是可以自動組成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點可以借力傳輸數(shù)據(jù)，但網(wǎng)絡(luò)中需要一個集中節(jié)點來管理整個網(wǎng)絡(luò)，也就意味著ZigBee網(wǎng)絡(luò)中必須有一個類似路由器的角色，完成ZigBee協(xié)議到互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。無論哪個通信協(xié)議，每個燈必須安裝對其發(fā)出指令的硬件調(diào)光管理裝置，明顯不足之處就是增加了成本和安裝的復雜度。如果僅給光源漸亮、漸滅控制功能，則可以建立獨立觸摸屏和獨立循環(huán)控制系統(tǒng)。智能觸控屏給調(diào)光控制模塊發(fā)送場景或回路調(diào)光指令，輸出1～10 V調(diào)光信號給LED燈具配套的調(diào)光驅(qū)動，LED根據(jù)不同的信號值呈現(xiàn)不同的亮度，從而實現(xiàn)LED燈亮度漸亮或漸暗變化。

3.3 人工光環(huán)境設(shè)計與成本的核算

LED光源在水產(chǎn)車間使用的最大障礙是燈具成本問題，而決定燈具成本的首要因素是光源的電功率。目前，市場上的大功率燈具為5～8元/W，即百瓦的燈具，價格在1千元左右。所以針對特定養(yǎng)殖生物選擇合適的光源電功率是降低成本的關(guān)鍵因素。

3.3.1 優(yōu)選光色以降低成本 Migaud等[30]發(fā)現(xiàn)，大西洋鱈幼魚在3種不同光譜和3種不同光強條件下，短波長光譜對促進其生長的貢獻明顯優(yōu)于光強。所以在光強與光譜均可起到同樣作用的條件下，盡量優(yōu)選光譜，從而降低燈具功率，減少成本。

3.3.2 選下限閾值的光強以節(jié)省成本 水產(chǎn)動物有極其龐大的種群，研究表明，每種魚對光的反應均有差異，但絕大部分魚類生長所需要的光照都有最小臨界值。只有極少數(shù)深海底棲或渾濁水體中的魚類在生長發(fā)育過程中只需低于1 Lx的光。Honryo等[21]試驗證明，夜晚當光強超過150 Lx時，太平洋金槍魚幼魚成活率升高 (可達75.8%)，死亡率大幅度降低。如果增大光強并不能有效提高成活率，在燈具設(shè)計時不妨取此下限閾值150 Lx。

3.3.3 避免長時間使用低功率驅(qū)動的燈具 不同種類的水生生物對光的反應有差異，即便同一物種在其不同生長發(fā)育階段對光照的需求也可能不同[19]。有些養(yǎng)殖生產(chǎn)者要求燈具有普適性，于不同種或同一種魚不同生長階段均可使用，這就要求必須智能控制調(diào)光，光強變化為1%～100%。生產(chǎn)商可提供此類燈具，但問題在于，若一只100 W的燈具，經(jīng)常被設(shè)置并使用50%的功率驅(qū)動，相當于50 W燈具以額定功率工作，但一次性成本投入必須是100 W燈具的價格，這種設(shè)計顯然不可取。養(yǎng)殖實踐中，建議訂制若干個50 W功率燈具，備用少量50 W功率燈具。短時間需要加大光照時，可以考慮使用備用燈具，增加輻射照度。

3.3.4 光環(huán)境模擬 模擬光強的前提條件是依據(jù)白色光譜的計算機軟件進行照明計算。目前，在市場上比較流行的十幾種設(shè)計軟件中，水產(chǎn)車間比較實用的是DIALux，這款軟件用于封閉空間照明設(shè)計，易學易用，引入數(shù)據(jù)簡便，系統(tǒng)引入光度數(shù)據(jù)開放，結(jié)果評估準確，光照場景渲染輸出直觀、真實[31]。例如，一個邊長為4 m的正方形養(yǎng)殖池，在其正上方2.9 m處懸掛IP65防水等級、整燈光效70 Lm/W的18 W三防LED燈具。軟件模擬空間形象彩圖與工作面光強分布曲線圖如圖5、圖6所示。

模擬參數(shù)表明:水池水面平均光強為28 Lx，最小光強為10 Lx，最大光強為62 Lx，最小值/平均照度為0.36，維護系數(shù)為0.80?；陴B(yǎng)殖生物需要的光強和均勻度，可通過與模擬結(jié)果對比調(diào)整燈具的功率與LED的光束角及透鏡。從模擬的最小值/平均照度值可知均勻度，一般來說，游泳性水產(chǎn)動物對光的均勻度要求并不嚴格，但趨光性強的水產(chǎn)動物由于長時間聚集在一起，局部溶氧度降低易導致危害，此種情況下要求燈具的配光曲線光束擴散角要大一些，光強分布盡可能均勻。

圖5 模擬空間偽彩圖Fig.5 Simulation of pseudo color space

圖6 模擬光強分布等照度圖Fig.6 ISO intensity diagram of simulated intensity distribution

3.3.5 燈具選型 水產(chǎn)光照主要選擇的LED燈型有球泡燈、線型管燈、工礦燈、投光燈等。前兩種功率較小，后兩種功率較大，這些燈具的壽命基本均可達到3萬小時以上。防護等級須不低于IP65，同時要考慮整燈的發(fā)光效率，目前，白光大功率整燈理想的發(fā)光效率在80 Lm/W以上。無論使用線型燈還是點光源燈型，主要考慮的是結(jié)合養(yǎng)殖池幾何形狀觀察燈具的配光曲線。何時選擇球泡燈、線型管燈主要是從成本角度考慮，因為這兩種燈具是全球室內(nèi)功能性照明的主力燈型。因為生產(chǎn)量巨大，所以其成本相對較低。但若從防水角度考慮，

球泡燈的燈頭須為密閉防水，T8或T5管需要加上透明的PC三防罩。如果需要特殊外形的燈具，可通過新開模具、設(shè)計制作電路板等工序由生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出所需產(chǎn)品。

4 一個水產(chǎn)車間光環(huán)境設(shè)計實例

大連富谷水產(chǎn)有限公司黃條鰤車間共有130個養(yǎng)殖池，每個池子面積為56 m2。車間光環(huán)境由中國科學院半導體研究所設(shè)計，深圳市超頻三科技股份有限公司負責燈具與控制系統(tǒng)制造與現(xiàn)場施工。自然環(huán)境黃條鰤Seriola aureovittata屬中上層溫水性遠洋洄游魚類[32]，使用深圳超頻三科技股份有限公司FG－2型60 W投光燈，用DIALux軟件模擬，平均照度為126 Lx，均勻度為0.213。安裝后的效果基本與設(shè)計模擬結(jié)果相符。

智能控制運用通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ZigBee實現(xiàn)。節(jié)點控制器通過1～10 V調(diào)光線控制電源輸出，網(wǎng)關(guān)通過ZigBee協(xié)議與節(jié)點控制器實現(xiàn)通訊。平板電腦通過wifi實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)通訊，且平板電腦 (服務(wù)器)按養(yǎng)殖方需要實行漸亮漸滅調(diào)控，以及光強和光周期燈光調(diào)控。

5 結(jié)語

從全球半導體照明發(fā)展趨勢分析，LED照明技術(shù)正向高光效、高可靠性、智能化和模塊化等方向發(fā)展，先進的LED光源應用潛力巨大?；谒锏囊曈X特性和對光照條件敏感性的差異，使得人工調(diào)控光照并建立適宜不同物種以及同一物種不同生長發(fā)育階段需要的特定光照條件成為必然。隨著LED在水產(chǎn)光照領(lǐng)域應用研究的逐步深入，智能調(diào)控、尺寸靈活、安裝便利、成本低廉的LED設(shè)計與制造工藝也會持續(xù)改進。

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