基于太陽能LED 光譜智能照明驅蟲燈設計開發

徐微微，于順，秦國強，卜金鵬，單宏偉

（吉林工程技術師范學院 電氣與信息工程學院，吉林長春，130052）

0 引言

由于目前化石生物燃料仍以能源為主導，全球生態環境污染問題，如能源危機、環境污染、氣候迅速變暖等仍在持續高速增長。空氣污染已經成為世界上主要健康風險，據世界衛生組織統計，每年因空氣污染死亡的人數約為370 萬人。環境保護和生態環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生太陽能。對環境安全無污染[1～2]。農作物經常發生的害蟲問題困擾多年，需要長期大量使用農藥來驅趕昆蟲，農藥殘留在農作物、土壤和水體中，環境中的有害物質大大增加，危害到生態環境和人類健康，形成了農藥污染。因此，有效地驅趕昆蟲，找到既能驅走昆蟲又不會對人體健康造成傷害的產品和方法是非常重要的[3]。與傳統光源相比，發光二極管（LED）相具有亮度更高、能耗更少、波長范圍更窄等優點。LED 燈作為誘蟲光源，能有效降低對天敵昆蟲的誤殺，成為目前誘蟲效果最好的光源。現階段，誘蟲燈、超聲波驅蟲、高壓電擊等物理驅蟲方法可減少害蟲的抗藥性、安全無污染、降低成本等優勢受到越來越多的關注。物聯網技術作為一種新興技術，抗干擾能力強，功耗小，覆蓋范圍大。針對目前誘蟲燈存在的問題，提出加快研發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，針對太陽能LED 光源驅逐害蟲種類和驅逐規律等方面開展正確的害蟲防治和應用研究，為病蟲害防治帶來了新的研究思路。為了擴大捕捉昆蟲的光譜，光源采用單一的淺白色、白藍色、白黃色和白紅色組合來增加驅蟲種類，并研究哪種光源對驅蟲有效[7]。此外，在此基礎上，設計了一種能夠將實時環境溫度、濕度、光照強度等天氣信息遠程推送到手機上，供用戶參考的天氣監測裝置，應用在昆蟲防治、環境監測方面具有操作簡單，經濟高效等優勢[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計方案和仿真模擬，并討論利用太陽能LED 技術控制害蟲的應用前景。

1 控制系統硬件電路設計

ESP8266 內置超低功耗32 位RISC 微處理器，CPU時鐘速度最高可達160 MHz，支持RTOS 實時操作系統和WiFi 協議棧，尤其適用于各類物聯網應用數據保存和遠程訪問[8]。該設計是基于ESP8266 物聯網控制系統的太陽能LED 光譜智能驅蟲燈控制系統。太陽能LED 光譜智能驅蟲燈控制系統主要是由ESP8266 物聯網控制系統、可控硅頻率調節電路、紅外控制電路、DTH11 溫濕度傳感器，雨水傳感器組成。硬件系統的整體結構形態如圖1 所示。

圖1 硬件系統總體結構框圖

太陽能LED 光譜智能照明驅蟲系統，通過ESP8266 網絡驅動器板接收發射信號，可控硅組件調整LED 發光波長和發光頻率，通過不同波長和強度的變化來驅趕害蟲；溫度和濕度傳感器以及雨水傳感器實時監控自然狀態下的溫度、濕度。在云端租用服務器之后通過PHPSTUDY 將整個環境部署。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 調試環境。

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

其中，pin 表示輸出PWM 信號的引腳，value表示PWM 脈沖信號的占空比，取值范圍為0 到255。在實際應用中，可以通過物聯網平臺將指令發送到Arduino 中，Arduino 接收指令后，通過相應算法計算出PWM 脈沖的占空比，進而控制電機運動或LED 亮度等。這種方式可以方便實現智能化的控制和管理。經過對兩塊舵機初始化完成后，將需要執行的參數，在循環結構void loop()函數中編寫，通過在void loop()函數調用子函數Trans()函數，完成對手勢數據的處理以及和舵機的數據傳輸交互，將收到的手勢數據經過處理之后使作出相應的反應。本設計使用的是PUTTY 配合VNC 進行遠程控制。在接入云端服務器之后使用VNC 進行遠程桌面進行控制，登錄成功后，會出現如圖界面，井號符代表當前是超級用戶。之后就可以進行服務器的配置和數據流的操作了。因為要部署java 項目，所以必須有jdk 和服務器，服務器用的是Tomcat。當前目錄在root 目錄下，關于linux 的目錄結構，在root 目錄下新建了一個java 目錄，在java 目錄下，新建一個jpk的根目錄一個tomcat 的主程序目錄，可以使用XFtp 進行文件的傳輸，連接XFtp 和連接XShell 一樣。在瀏覽器網址欄輸入：你的域名或IP：18083，如：www.domain.com:18083，成功進入后會彈出登錄面板，初始用戶名為：admin 初始密碼：public，如果沒有登錄進去，請注意是否輸錯或沒有將18083 加入安全組。在Arduino 中，通過analogWrite()函數可以輸出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ESP8266 作為環境控制專用芯片，通過檢測DTH11 溫濕度傳感器和雨水傳感器等多種環境參數并將其推送至用戶微信中。系統在開始調試工作并在完成系統初始化過程后，ESP8266 將信號直接輸出到PWM 信號I/O口，進而傳遞到可控硅模塊，通過對可控硅模塊上的信號的變化來調整LED 燈亮的程度以及其在頻率上的變化，四色LED 光源對防治害蟲效果最好，因此LED 光源由紅、藍、黃、白光四種LED 組成，白光LED 可兼用照明光源。紅色、藍色、黃色、白色四色LED 均串聯一個可控硅模塊，通過PWM端口發送信號的變化，進而調節照明強度、頻率和開關。ESP8266 在LCD1602 顯示器上連接了一個小型有源蜂鳴器，LCD1602 執行溫濕度和降水狀態，一旦發現降水，就會開始報警，避免電路進水造成危險。

2 控制系統軟件流程設計

根據硬件系統總體結構形式進行系統程序編寫、遠程控制程序編寫、服務器架構以及微信推送程序接口調用。本設計的硬件程序編寫部分采用了vscode 制作的程序，系統程序部分包括DTH11 傳感器、雨水傳感器、紅外控制。遠程軟件控制APP 程序以及微信推送接口調用使用IntelliJIDEA，服務器架構使用phpstuday 進行一鍵搭建。軟件設計通過執行中的主程序調用功能模塊。軟件構圖使用了proteus 的7.8 版本進行模擬控制系統軟件設計。模擬控制系統軟件流程如圖2 所示。

圖2 控制系統軟件流程圖

主要由初始化程序、光強度檢測程序、雨水檢測程序、LED 頻閃調節程序、溫濕度檢測程序、顯示程序等組成系統軟件方案。ESP8266 單片機初始化運行，電路控制系統進入工作狀態。當自然光照度值小于系統設定值的2～3倍時，系統將自動點亮并進入工作狀態。當自然光照度值超過30倍時，LED 燈頻閃調整通過分程序實現，使光強達到預設值，LED 燈在太陽光下點亮并進入充電狀態。利用DHT11 溫濕度傳感器和雨水傳感器在LCD1602 顯示器實時監控溫濕度變化，在降雨狀態下有源蜂鳴器開始報警，通過手機遠程遙控電路開關狀態，可防止高溫驅蟲回路的隱患。遠程推送遙控通過個人服務器向每個設備發送微信，包括實時傳感器數據情況以及發送互聯網天氣預報，用戶可以通過手機app進行遠程遙控改變LED 頻率變化以及開關設備。

該控制系統通過ESP8266 單片機對LED 燈進行不同顏色的驅動。紅色、藍色、黃色、白色四色LED 均串聯一個可控硅模塊，通過PWM 端口發送信號的變化，進而調節照明強度、頻率和開關，通過不同強度光波長和頻率的變化來驅趕害蟲，實現害蟲的智能化控制。

3 仿真調試與模擬

為了可以更加靈活方便進行程序上的電路實際設計調試，采用了Proteus 7.8 版本對電路設計進行了仿真電路的現場調試和仿真計算與仿真模擬。本設計采用4 個可控硅分別控制4 組LED 燈的亮滅，P2.6 引腳監測光強和外界環境溫濕度。當光敏傳感器檢測到的光照強度低于系統設置的閾值時作出相應調整機制，使其電流阻值逐漸增大，即該三極管電流進入導通狀態。對本系統程序進行模擬調試驗證時，使用Proteus 進行仿真模擬調試并對其相應問題進行排除解決。

硬件調試過程主要包括調試LED 燈源的光強，能否在LED 燈開啟或關閉時響應蜂鳴器等；LCD1602 顯示屏顯示倒計時時間和溫度濕度，雨霧天氣能否啟動驅蟲燈，LED燈的頻閃效果能否達到。

軟件安裝調試建議使用proteus7.8 版本對該程序對系統進行安裝測試。首先應采用軟件Keil 將自己編寫過的定時程序直接燒錄保存到系統ESP8266 中，并在其最小系統內存中試運行。在程序運行的過程中，檢查自己編寫好的定時器程序代碼中語句是否存在錯誤、定時程序本身能否正確實現各種硬件要求，以及該程序代碼在其它硬件裝置上使用的可執行性。其仿真模擬設計框圖如圖3 所示。

圖3 仿真模擬設計框圖

仿真結果顯示各個傳感器以及主控系統運行正常，各種參數調節較為靈敏。服務器壓力測試正常允許較大基數的用戶正常使用，數據傳輸正常，微信接口調用正常且手機APP 無任何邏輯漏洞，符合整體結果的預設。

4 結論

太陽能LED 光譜智能照明驅蟲燈系統設計，主要由ESP8266 物聯網控制系統、可控硅調節電路、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，針對昆蟲周圍環境的溫度和濕度等參數進行遠程監測，利用ESP8266 單片機，控制硅組件調整LED 發光波長和發光頻率，通過不同強度光波長和頻率的變化來驅趕害蟲，實現“驅蟲燈、智能化、物聯網技術”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太陽能LED 光源發出的光波長、光強度、光頻率等參數的識別敏感度一般都有所不同，因此，針對特定害蟲需要采用相關參數來進行有效的定向的科學驅逐。太陽能LED 光譜智能照明驅蟲燈主要可廣泛直接地應用于城市各類建筑室內外等公共場所。