黑水虻幼蟲人工養(yǎng)殖環(huán)境補光系統(tǒng)設(shè)計

廖家駿，何新鵬，劉華，常若葵

（天津農(nóng)學院 工程技術(shù)學院，天津 300392）

黑水虻幼蟲在生長時期以餐廚垃圾、動物糞便等有機物為食物，將其高效轉(zhuǎn)化為自身的營養(yǎng)物質(zhì)，在人工飼養(yǎng)黑水虻幼蟲階段[1-2]，可通過改變光照強度來提升其幼蟲對餐廚垃圾的處理能力。人工補光從光源、控制、數(shù)據(jù)反饋等方面出發(fā)，通過控制器、傳感器、電機、光源等模塊實現(xiàn)補光系統(tǒng)，使黑水虻幼蟲在適宜的環(huán)境中提升生存率及其處理廚余垃圾的效率。

根據(jù)資料顯示，光照是控制黑水虻幼蟲生長發(fā)育的重要因素[1]，也是限制有機廢物處理能力的主要因素。因此，在冬季、陰雨天和人工室內(nèi)養(yǎng)殖需要找到一種能替代太陽光的人工光源，促進黑水虻幼蟲的生長發(fā)育。

已有補光系統(tǒng)多用于智能交通或者蔬菜大 棚[2]，對動物昆蟲進行補光較少。對黑水虻補光多半是為提升黑水虻成蟲產(chǎn)卵率，目前對黑水虻幼蟲進行補光的相關(guān)資料與文獻少。黑水虻幼蟲補光是以后的重要研究方向[3-4]。

本系統(tǒng)主要對養(yǎng)殖箱內(nèi)的黑水虻幼蟲進行補光，整個系統(tǒng)主要由補光、控制、環(huán)境溫濕度及光照強度的監(jiān)測組成。通過多傳感器將監(jiān)測到的光照強度、溫度、濕度等數(shù)據(jù)上傳到上位機界面，根據(jù)實時環(huán)境參數(shù)與黑水虻幼蟲需要的環(huán)境參數(shù)對比，控制光源與電機，使養(yǎng)殖箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)符合黑水虻幼蟲的生活環(huán)境，電機開關(guān)、升降與光源開關(guān)都由PLC完成控制。整個系統(tǒng)的參數(shù)與控制可通過一體機觸摸屏進行顯示與控制。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)總設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)通過多傳感器采集數(shù)據(jù)后送到PLC主控器，PLC利用控制算法通過控制電機正反轉(zhuǎn)，進而控制燈帶上升或者下降，為黑水虻幼蟲生長提供合適的光照強度。

1.2 PLC控制器

本系統(tǒng)以MM40MR-12MT-700ES-D系列PLC作為主控器，采用24 V，75 W直流電源供電，含16路繼電器輸入，12路晶體管輸出，24路光耦輸出，4路0～10 V模擬量輸入，2路NTC10 k溫度輸入，2路0～10 V模擬量輸出。一體機觸摸屏屏幕尺寸155 mm×86 mm。實物如圖2所示。

圖2 MM40MR-12MT-700ES-D PLC實物圖

在此補光系統(tǒng)中，輸入X0、X1為啟動停止，輸出為Y0、Y1、Y2。傳感器模塊采用485通訊方式連接COM3口。

1.3 補光模塊

系統(tǒng)補光模塊如圖3所示，補光箱[5]由自然光的冷光和暖光光帶構(gòu)成，可根據(jù)實際需要增減光帶數(shù)量燈帶。采用24 V，14 W直流供電。一個燈箱由6根燈帶、嵌入式開關(guān)、亞克力板、分線器組成，可實現(xiàn)PLC控制或手動控制。

圖3 補光模塊實物圖

補光模塊模擬自然光為黑水虻幼蟲進行補光。為了貼近黑水虻幼蟲的生存環(huán)境，補光系統(tǒng)采用自然光燈帶。

在試驗測試中，選取燈帶的長度為70 cm，燈帶為等間距分布，因此根據(jù)公式（1），計算得到黑水虻幼蟲補光環(huán)境中，燈帶與燈帶之間的距離為8～10 cm，這樣做成的補光模塊足以對整個養(yǎng)殖箱進行補光而又不至于浪費太多。燈帶24 V/ 14 W直流供電，電流約是0.583 A。

本系統(tǒng)采用6條燈帶且每條燈帶都可拆卸。

1.4 升降電機

電機在整個補光系統(tǒng)中只有升降作用，所以稱其為升降電機。此系統(tǒng)中選用電葫蘆。電葫蘆的優(yōu)勢是體積小、起重重量大、適合安裝在系統(tǒng)中，便于PLC控制。

通過PLC控制電機正反轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)補光模塊的自由升降，也可通過上位機界面相應(yīng)的按鈕來控制電葫蘆的開關(guān)與升降。實物如圖4所示。

圖4 升降電機實物圖

1.5 傳感器模塊

為了獲取黑水虻幼蟲養(yǎng)殖箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)和補光模塊的光照強度，需選擇一款光照傳感器；由于補光模塊在發(fā)光時會產(chǎn)生熱量，而濕度也會對黑水虻幼蟲生長有影響，為了滿足黑水虻幼蟲的生存條件還要進行溫濕度的檢測，所以模塊選擇了光照、溫濕度三合一傳感器。該傳感器使測量系統(tǒng)的成本和體積降低，減少了系統(tǒng)設(shè)計與布線的復(fù)雜性。

該傳感器具有-40～80 ℃的溫度量程，0～100% RH的濕度量程，0～65 535 lx的光照強度量程。在25 ℃情況下，具有±0.5 ℃的溫度精度和±3% RH濕度精度，還擁有小于0.4 W的低功耗，使用RS485標準ModBus通信協(xié)議等特點，適用于溫室大棚、動物養(yǎng)殖等環(huán)境。溫濕度、光照傳感器實物如圖5所示。

圖5 溫濕度、光照傳感器實物圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 上位機開發(fā)

本系統(tǒng)利用組態(tài)軟件設(shè)計上位機[6]界面。其中，主界面包括3個位按鈕控制燈帶開關(guān)、電機開關(guān)與電機升降，還包括傳感器模塊獲取養(yǎng)殖箱內(nèi)的數(shù)據(jù)情況：光照、溫度、濕度，便于養(yǎng)殖人員根據(jù)上位機界面獲得的數(shù)據(jù)來控制燈帶和電機。等待開關(guān)的寫入地址是M10，電機開關(guān)的寫入地址是M11，電機正反轉(zhuǎn)的寫入地址是M12。設(shè)計界面如圖6所示。

圖6 上位機界面

2.2 PLC開發(fā)流程圖

PLC開發(fā)流程如圖7所示。

3 RS-485總線

本系統(tǒng)中傳感器模塊通過RS-485與PLC建立通訊，將黑水虻幼蟲養(yǎng)殖箱內(nèi)數(shù)據(jù)通過485總線傳給PLC。

485接口采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，具有抑制共模干擾的能力。此外，總線收發(fā)器靈敏度高，信號在千米之外也可接收到。接口信號電平與TTL電平兼容，方便與TTL電路連接。RS-485用于多點互連時非常方便，可允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，可以省掉很多信號線，使補光系統(tǒng)的布線簡單明了，也使整個養(yǎng)殖箱看起來簡潔干凈。

補光系統(tǒng)中的PLC作為下位機的控制核心，連接傳感器、觸摸屏，其通訊使用MODBUS-RTU協(xié)議。PLC串口接線如圖8所示。

圖8 PLC串口接線圖

4 總結(jié)與展望

黑水虻幼蟲的補光系統(tǒng)可實時獲取到養(yǎng)殖箱內(nèi)的光照強度、溫度、濕度信息，并通過環(huán)境參數(shù)來調(diào)節(jié)燈帶開關(guān)、電機開關(guān)與燈帶升降，可實現(xiàn)實時調(diào)整黑水虻幼蟲的環(huán)境參數(shù)。

本系統(tǒng)雖然完成了系統(tǒng)的補光與環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，但傳感器僅監(jiān)測了影響黑水虻幼蟲生長的 主要參數(shù)，數(shù)據(jù)也不夠全面，例如氣體環(huán)境參數(shù)也是黑水虻幼蟲生活的重要參數(shù)。此外，控制設(shè)備還將風扇、加濕器等引入系統(tǒng)中，進而實現(xiàn)系統(tǒng)全自動環(huán)境監(jiān)測與控制，即通過傳感器得到的數(shù)據(jù)傳入上位機，上位機能夠自動地控制電機與光源來為整個系統(tǒng)完成補光操作，使得黑水虻幼蟲環(huán)境補光系統(tǒng)自動化。

第二個發(fā)展方向是選取不同光源完成對于黑水虻幼蟲的影響試驗。該補光系統(tǒng)中所用到的光源是自然光光源，而光源有冷光、暖光的區(qū)別?？赏ㄟ^多種試驗方案獲得更多對比試驗，從而得到最優(yōu)的適應(yīng)黑水虻幼蟲生長發(fā)育與轉(zhuǎn)化廚余垃圾的環(huán)境參數(shù)。