基于太陽能LED 光譜智能照明驅(qū)蟲燈設(shè)計(jì)開發(fā)

徐微微，于順，秦國(guó)強(qiáng)，卜金鵬，單宏偉

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春，130052）

0 引言

由于目前化石生物燃料仍以能源為主導(dǎo)，全球生態(tài)環(huán)境污染問題，如能源危機(jī)、環(huán)境污染、氣候迅速變暖等仍在持續(xù)高速增長(zhǎng)。空氣污染已經(jīng)成為世界上主要健康風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，每年因空氣污染死亡的人數(shù)約為370 萬人。環(huán)境保護(hù)和生態(tài)環(huán)境污染的有效治理已迫在眉睫。作為一種二次能源，太陽能是一種不受限制的，清潔的燃料。不需要其他燃料來產(chǎn)生太陽能。對(duì)環(huán)境安全無污染[1～2]。農(nóng)作物經(jīng)常發(fā)生的害蟲問題困擾多年，需要長(zhǎng)期大量使用農(nóng)藥來驅(qū)趕昆蟲，農(nóng)藥殘留在農(nóng)作物、土壤和水體中，環(huán)境中的有害物質(zhì)大大增加，危害到生態(tài)環(huán)境和人類健康，形成了農(nóng)藥污染。因此，有效地驅(qū)趕昆蟲，找到既能驅(qū)走昆蟲又不會(huì)對(duì)人體健康造成傷害的產(chǎn)品和方法是非常重要的[3]。與傳統(tǒng)光源相比，發(fā)光二極管（LED）相具有亮度更高、能耗更少、波長(zhǎng)范圍更窄等優(yōu)點(diǎn)。LED 燈作為誘蟲光源，能有效降低對(duì)天敵昆蟲的誤殺，成為目前誘蟲效果最好的光源。現(xiàn)階段，誘蟲燈、超聲波驅(qū)蟲、高壓電擊等物理驅(qū)蟲方法可減少害蟲的抗藥性、安全無污染、降低成本等優(yōu)勢(shì)受到越來越多的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種新興技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，覆蓋范圍大。針對(duì)目前誘蟲燈存在的問題，提出加快研發(fā)具有智能功能的誘蟲燈具有重要意義[4～6]。因此，利用太陽能LED 新光源的方法，以及利用LED 可見光分析昆蟲的趨光行為特性，針對(duì)太陽能LED 光源驅(qū)逐害蟲種類和驅(qū)逐規(guī)律等方面開展正確的害蟲防治和應(yīng)用研究，為病蟲害防治帶來了新的研究思路。為了擴(kuò)大捕捉昆蟲的光譜，光源采用單一的淺白色、白藍(lán)色、白黃色和白紅色組合來增加驅(qū)蟲種類，并研究哪種光源對(duì)驅(qū)蟲有效[7]。此外，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)?shí)時(shí)環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度等天氣信息遠(yuǎn)程推送到手機(jī)上，供用戶參考的天氣監(jiān)測(cè)裝置，應(yīng)用在昆蟲防治、環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)[8]。本文通過分析太陽能LED 防控蟲害的基本原理，闡述用于控制害蟲的太陽能LED 光譜智能照明燈裝置的硬軟件電路設(shè)計(jì)方案和仿真模擬，并討論利用太陽能LED 技術(shù)控制害蟲的應(yīng)用前景。

1 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

ESP8266 內(nèi)置超低功耗32 位RISC 微處理器，CPU時(shí)鐘速度最高可達(dá)160 MHz，支持RTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和WiFi 協(xié)議棧，尤其適用于各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)保存和遠(yuǎn)程訪問[8]。該設(shè)計(jì)是基于ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的太陽能LED 光譜智能驅(qū)蟲燈控制系統(tǒng)。太陽能LED 光譜智能驅(qū)蟲燈控制系統(tǒng)主要是由ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)、可控硅頻率調(diào)節(jié)電路、紅外控制電路、DTH11 溫濕度傳感器，雨水傳感器組成。硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1 所示。

圖1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

太陽能LED 光譜智能照明驅(qū)蟲系統(tǒng)，通過ESP8266 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器板接收發(fā)射信號(hào)，可控硅組件調(diào)整LED 發(fā)光波長(zhǎng)和發(fā)光頻率，通過不同波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化來驅(qū)趕害蟲；溫度和濕度傳感器以及雨水傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控自然狀態(tài)下的溫度、濕度。在云端租用服務(wù)器之后通過PHPSTUDY 將整個(gè)環(huán)境部署。Phpstudy 是該程序包集成最新的Apache+PHP+My SQL+phpMyAdmin+ZendOptimizer 一次性安裝，無須配置即可使用，是非常方便、好用的PHP 調(diào)試環(huán)境。

首先進(jìn)行登錄，操作系統(tǒng)選擇的是linux 版的centOS7.3 以及64 位的操作系統(tǒng)，管理云服務(wù)器的軟件有XShell，Putty，SecureCRT 等，我這里選擇的是XShell，還有通過XFTP 軟件可以進(jìn)行和云服務(wù)器的文件傳輸。并且使用了寶塔以及Tomcat 面板進(jìn)行云端控制。

其中，pin 表示輸出PWM 信號(hào)的引腳，value表示PWM 脈沖信號(hào)的占空比，取值范圍為0 到255。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將指令發(fā)送到Arduino 中，Arduino 接收指令后，通過相應(yīng)算法計(jì)算出PWM 脈沖的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)或LED 亮度等。這種方式可以方便實(shí)現(xiàn)智能化的控制和管理。經(jīng)過對(duì)兩塊舵機(jī)初始化完成后，將需要執(zhí)行的參數(shù)，在循環(huán)結(jié)構(gòu)void loop()函數(shù)中編寫，通過在void loop()函數(shù)調(diào)用子函數(shù)Trans()函數(shù)，完成對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)的處理以及和舵機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸交互，將收到的手勢(shì)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后使作出相應(yīng)的反應(yīng)。本設(shè)計(jì)使用的是PUTTY 配合VNC 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在接入云端服務(wù)器之后使用VNC 進(jìn)行遠(yuǎn)程桌面進(jìn)行控制，登錄成功后，會(huì)出現(xiàn)如圖界面，井號(hào)符代表當(dāng)前是超級(jí)用戶。之后就可以進(jìn)行服務(wù)器的配置和數(shù)據(jù)流的操作了。因?yàn)橐渴餵ava 項(xiàng)目，所以必須有jdk 和服務(wù)器，服務(wù)器用的是Tomcat。當(dāng)前目錄在root 目錄下，關(guān)于linux 的目錄結(jié)構(gòu)，在root 目錄下新建了一個(gè)java 目錄，在java 目錄下，新建一個(gè)jpk的根目錄一個(gè)tomcat 的主程序目錄，可以使用XFtp 進(jìn)行文件的傳輸，連接XFtp 和連接XShell 一樣。在瀏覽器網(wǎng)址欄輸入：你的域名或IP：18083，如：www.domain.com:18083，成功進(jìn)入后會(huì)彈出登錄面板，初始用戶名為：admin 初始密碼：public，如果沒有登錄進(jìn)去，請(qǐng)注意是否輸錯(cuò)或沒有將18083 加入安全組。在Arduino 中，通過analogWrite()函數(shù)可以輸出PWM 脈沖，具體用法如下：analogWrite(pin,value);//將PWM 輸出到指定的引腳，占空比由0 到255 之間的value 值決定。

選擇單片機(jī)ESP8266 作為環(huán)境控制專用芯片，通過檢測(cè)DTH11 溫濕度傳感器和雨水傳感器等多種環(huán)境參數(shù)并將其推送至用戶微信中。系統(tǒng)在開始調(diào)試工作并在完成系統(tǒng)初始化過程后，ESP8266 將信號(hào)直接輸出到PWM 信號(hào)I/O口，進(jìn)而傳遞到可控硅模塊，通過對(duì)可控硅模塊上的信號(hào)的變化來調(diào)整LED 燈亮的程度以及其在頻率上的變化，四色LED 光源對(duì)防治害蟲效果最好，因此LED 光源由紅、藍(lán)、黃、白光四種LED 組成，白光LED 可兼用照明光源。紅色、藍(lán)色、黃色、白色四色LED 均串聯(lián)一個(gè)可控硅模塊，通過PWM端口發(fā)送信號(hào)的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、頻率和開關(guān)。ESP8266 在LCD1602 顯示器上連接了一個(gè)小型有源蜂鳴器，LCD1602 執(zhí)行溫濕度和降水狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)降水，就會(huì)開始報(bào)警，避免電路進(jìn)水造成危險(xiǎn)。

2 控制系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行系統(tǒng)程序編寫、遠(yuǎn)程控制程序編寫、服務(wù)器架構(gòu)以及微信推送程序接口調(diào)用。本設(shè)計(jì)的硬件程序編寫部分采用了vscode 制作的程序，系統(tǒng)程序部分包括DTH11 傳感器、雨水傳感器、紅外控制。遠(yuǎn)程軟件控制APP 程序以及微信推送接口調(diào)用使用IntelliJIDEA，服務(wù)器架構(gòu)使用phpstuday 進(jìn)行一鍵搭建。軟件設(shè)計(jì)通過執(zhí)行中的主程序調(diào)用功能模塊。軟件構(gòu)圖使用了proteus 的7.8 版本進(jìn)行模擬控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。模擬控制系統(tǒng)軟件流程如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)軟件流程圖

主要由初始化程序、光強(qiáng)度檢測(cè)程序、雨水檢測(cè)程序、LED 頻閃調(diào)節(jié)程序、溫濕度檢測(cè)程序、顯示程序等組成系統(tǒng)軟件方案。ESP8266 單片機(jī)初始化運(yùn)行，電路控制系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)自然光照度值小于系統(tǒng)設(shè)定值的2～3倍時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)點(diǎn)亮并進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)自然光照度值超過30倍時(shí)，LED 燈頻閃調(diào)整通過分程序?qū)崿F(xiàn)，使光強(qiáng)達(dá)到預(yù)設(shè)值，LED 燈在太陽光下點(diǎn)亮并進(jìn)入充電狀態(tài)。利用DHT11 溫濕度傳感器和雨水傳感器在LCD1602 顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)控溫濕度變化，在降雨?duì)顟B(tài)下有源蜂鳴器開始報(bào)警，通過手機(jī)遠(yuǎn)程遙控電路開關(guān)狀態(tài)，可防止高溫驅(qū)蟲回路的隱患。遠(yuǎn)程推送遙控通過個(gè)人服務(wù)器向每個(gè)設(shè)備發(fā)送微信，包括實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)情況以及發(fā)送互聯(lián)網(wǎng)天氣預(yù)報(bào)，用戶可以通過手機(jī)app進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控改變LED 頻率變化以及開關(guān)設(shè)備。

該控制系統(tǒng)通過ESP8266 單片機(jī)對(duì)LED 燈進(jìn)行不同顏色的驅(qū)動(dòng)。紅色、藍(lán)色、黃色、白色四色LED 均串聯(lián)一個(gè)可控硅模塊，通過PWM 端口發(fā)送信號(hào)的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、頻率和開關(guān)，通過不同強(qiáng)度光波長(zhǎng)和頻率的變化來驅(qū)趕害蟲，實(shí)現(xiàn)害蟲的智能化控制。

3 仿真調(diào)試與模擬

為了可以更加靈活方便進(jìn)行程序上的電路實(shí)際設(shè)計(jì)調(diào)試，采用了Proteus 7.8 版本對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真電路的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和仿真計(jì)算與仿真模擬。本設(shè)計(jì)采用4 個(gè)可控硅分別控制4 組LED 燈的亮滅，P2.6 引腳監(jiān)測(cè)光強(qiáng)和外界環(huán)境溫濕度。當(dāng)光敏傳感器檢測(cè)到的光照強(qiáng)度低于系統(tǒng)設(shè)置的閾值時(shí)作出相應(yīng)調(diào)整機(jī)制，使其電流阻值逐漸增大，即該三極管電流進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)本系統(tǒng)程序進(jìn)行模擬調(diào)試驗(yàn)證時(shí)，使用Proteus 進(jìn)行仿真模擬調(diào)試并對(duì)其相應(yīng)問題進(jìn)行排除解決。

硬件調(diào)試過程主要包括調(diào)試LED 燈源的光強(qiáng)，能否在LED 燈開啟或關(guān)閉時(shí)響應(yīng)蜂鳴器等；LCD1602 顯示屏顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間和溫度濕度，雨霧天氣能否啟動(dòng)驅(qū)蟲燈，LED燈的頻閃效果能否達(dá)到。

軟件安裝調(diào)試建議使用proteus7.8 版本對(duì)該程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行安裝測(cè)試。首先應(yīng)采用軟件Keil 將自己編寫過的定時(shí)程序直接燒錄保存到系統(tǒng)ESP8266 中，并在其最小系統(tǒng)內(nèi)存中試運(yùn)行。在程序運(yùn)行的過程中，檢查自己編寫好的定時(shí)器程序代碼中語句是否存在錯(cuò)誤、定時(shí)程序本身能否正確實(shí)現(xiàn)各種硬件要求，以及該程序代碼在其它硬件裝置上使用的可執(zhí)行性。其仿真模擬設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示。

圖3 仿真模擬設(shè)計(jì)框圖

仿真結(jié)果顯示各個(gè)傳感器以及主控系統(tǒng)運(yùn)行正常，各種參數(shù)調(diào)節(jié)較為靈敏。服務(wù)器壓力測(cè)試正常允許較大基數(shù)的用戶正常使用，數(shù)據(jù)傳輸正常，微信接口調(diào)用正常且手機(jī)APP 無任何邏輯漏洞，符合整體結(jié)果的預(yù)設(shè)。

4 結(jié)論

太陽能LED 光譜智能照明驅(qū)蟲燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)、可控硅調(diào)節(jié)電路、紅外控制電路、DTH11 溫濕度傳感器，雨水傳感器等元件組成。防治害蟲過程中，針對(duì)昆蟲周圍環(huán)境的溫度和濕度等參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，利用ESP8266 單片機(jī)，控制硅組件調(diào)整LED 發(fā)光波長(zhǎng)和發(fā)光頻率，通過不同強(qiáng)度光波長(zhǎng)和頻率的變化來驅(qū)趕害蟲，實(shí)現(xiàn)“驅(qū)蟲燈、智能化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”為一體的害蟲的智能化控制。由于自然界不同種類的昆蟲對(duì)太陽能LED 光源發(fā)出的光波長(zhǎng)、光強(qiáng)度、光頻率等參數(shù)的識(shí)別敏感度一般都有所不同，因此，針對(duì)特定害蟲需要采用相關(guān)參數(shù)來進(jìn)行有效的定向的科學(xué)驅(qū)逐。太陽能LED 光譜智能照明驅(qū)蟲燈主要可廣泛直接地應(yīng)用于城市各類建筑室內(nèi)外等公共場(chǎng)所。