基于TracePro的LED光照鹅孵化机设计及试验*

郭彬彬，刘宁，丁为民，陈信信,3，施振旦,3

(1.江苏省农业科学院，农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京市，210014；2.南京农业大学工学院，南京市，210031；3.江苏大学农业工程学院，江苏镇江，212013)

0 引言

提高禽蛋孵化率的重点在于孵化机的优化设计。因此，该领域的大部分研究都集中在确定这些机器的最佳环境条件上，包括温湿度、翻蛋角度，以及二氧化碳浓度(通风)等[1-4]。商业化生产中，禽蛋孵化完全在闭灯黑暗环境下进行[5]，因此孵化机设计时均未考虑光照系统。行业中现有的孵化机仅配备普通应急照明系统，以便在发生特殊状况时孵化师傅可以不用打开机门便可观察到孵化机内情况。

禽类对光照十分敏感，且具有视网膜和视网膜外两种光感受器，分别可以通过视网膜—下丘脑视交叉上核—松果体以及颅骨—松果体/下丘脑两条路径传播光信号[6]，光照逐渐成为调节家禽生产力的重要因素[7-9]。有研究表明，在人工孵化过程中将鸡胚暴露在光照下会影响孵化率、出雏特性及改善雏苗孵化以后的生长性能和动物福利[10-12]，但是光照对鹅种蛋孵化性能的影响国内外还未有人研究。此外，在国内，例如依爱、中国电子科技集团公司第四十一研究所等生产的水禽孵化机大都在吸取国外孵化设备企业的先进技术基础上进行改进研发而来，主要集中在温湿度自动控制、翻蛋定时调节及翻蛋机构的研发设计上[4,13]，也未考虑光照系统。更值得注意的是，禽蛋入孵时被均匀整齐的排布在每层蛋架的蛋盘上，各层之间存在光线遮挡问题。在以往对鸡、火鸡和鹌鹑孵化的诸多研究中，采用从孵化机顶部、侧墙安装光源或蛋托两侧给光的模式[11,14-15]，会使得上下层之间或同层中间与两边光照强度不均匀，影响胚胎发育整齐度，进而影响到出壳。且团队前期研究发现，不同光照强度会影响到孵化率。再者，鹅种蛋体积较鸡蛋大，平均蛋重约150 g，是鸡种蛋重量的3倍，单位重量散热面积相对较小，在孵化后期的胚胎发育过程中，鹅胚胎代谢强度大、产热量高，容易造成蛋温升高，甚至出现蛋温超高现象，影响孵化率，因此需要对种蛋进行喷水晾蛋处理以降低蛋温[16]，传统的灯管和灯泡遇水极易引发电路短路问题。所以，孵化机内光照系统设计时，光照均匀性和光照系统的防水安全性是非常重要的指标。

本文基于鹅种蛋孵化机内的特殊环境条件，选用LED灯带作为发光光源，以辐照度均匀度、孵化机容蛋量和安全性为设计指标，利用光学仿真软件TracePro对LED灯带安装条数、水平间距、受光距离进行仿真，提出灯带最佳布置方案，设计了LED光照鹅孵化机。基于此，以传统黑暗孵化为对照，研究了不同光色LED光照(白色、红色和绿色)对鹅种蛋孵化性能、鹅胚发育和出雏特性的影响，从而为后续LED光照鹅孵化机的研制提供指导。

1 LED光照鹅孵化机设计

1.1 孵化机整体结构与工作原理

LED光照鹅孵化机整体结构如图1所示，主要由电源、壳体、蛋架、翻蛋装置、温湿度调节装置、LED照明装置和底轮几部分组成。孵化过程中，通过翻蛋电机控制蛋架实现前后各45°角度的翻转，通过温湿度传感器、排风扇、搅拌风机、加热管、加湿装置自动控制温湿度；LED灯带穿过灯管后安装固定在每层蛋架上，可为鹅蛋额外补充单色光；分别通过光照控制箱里的定时器和调光器实现灯光开启和强度大小调节。

图1 LED光照孵化机示意图Fig.1 Schematic diagram of the LED-lighting incubator1.底轮 2.箱体 3.LED照明装置 4.翻蛋装置 5.总电源控制箱 6.光照控制箱 7.蛋架 8.排风扇 9.加热管 10.搅拌风机 11.加湿装置

1.2 灯带布置方案确定

1.2.1 灯带布置建模与仿真

为确保孵化机内每层种蛋光照的均匀性，根据孵化机结构与尺寸，确定LED灯带安装在每层种蛋上方的蛋盘架上，而灯带条数N、水平间距L、受光距离H则需要通过模拟仿真来确定。根据LED灯带上灯珠排布特征和发光角度(120°)，理论计算光线的分布，将灯带简化为均匀发光的长条形光源，单条灯带为长110 cm，宽1 cm，厚0.5 cm。在Trace Pro Expert软件中，将矩形的长条面(110 cm×1 cm)作为发光面。光源类型为表面光源，以波长0.56 μm的绿光为例进行仿真，场角分布为Lambertian发光场型，总光线条数为10万条，照度为50 W/m2。光照接收平面为长110 cm，宽80 cm，厚1 cm。因为绿色和红色LED光照经过白色蛋壳过滤后光谱基本不会发生变化[12]，且平均有99.8%的光被蛋壳吸收，仅有少量的光会到达胚胎[17-18]。因此，接收平面的类型设置为Default-Perfect Absorber。孵化机内实际蛋盘宽78 cm，蛋盘间距14 cm，在确保容蛋量缩减量≤20%的前提下，确定仿真方案如表1所示。

表1 仿真方案Tab.1 Simulation scheme

通过仿真后得到的接收平面辐照度云图如图2所示。从图2中可以看出，随着灯带条数和受光距离的增加，辐照度分布越来越均匀，且辐照度值也会随距离的增加而衰减。当受光距离较近时，灯带正下方及其附近两边辐照度较强，并逐渐向两边迅速衰减，增加灯带条数会使这种现象得以改善。对比几种方案下得到的辐照度云图可以直观的看出，当灯带条数N≥3条，受光距离H≥20 cm时，辐照度分布比较均匀。因此初定灯带布置方案为N=3，L=25 cm，H=20，25 cm和N=4，L=20 cm，H=20，25 cm。

(a)N=2，L=40 cm；H=15 cm (b)N=2，L=40 cm；H=20 cm (c)N=2，L=40 cm；H=25 cm

1.2.2 不同灯带布置下辐照度实测

为确定灯带最佳布置方案，同时验证仿真结果的可靠性，运用角钢搭建与孵化机的外形尺寸相同的试验平台(图3)，并基于此平台，分别对初定的灯带布置方案进行实际测量。该平台尺寸(长×宽×高)为1.2 m×1.2 m×1.5 m。角钢上打有规则的孔洞可实现不同数值L及H的调整，在框架侧面设置卡槽，便于安装光照接收板。为避免外界自然光照的影响，实测操作选择夜晚黑暗条件下进行，关闭室内照明灯，仅打开灯带电源。测量仪器选择FZ-A型辐照计，其波长可测量范围为400～1 000 nm，量程为0.1～199 900 μW/cm2。测点布置如图4所示，共有8行3列24个采集点。为方便测量操作，用铅笔预先将24个采集点绘制在光照接收板上。

(a)实物图

图4 光照采集点示意图Fig.4 Schematic diagram of light collection point1～5.光照接收板 6.灯带 7.角钢支架

测量过程中每个点重复测3次，取3次平均值作为该点的辐照度值。测量数据在Microsoft Excel中进行处理。参照建筑照明设计标准[19]中照度均匀度的计算方法，接收平面处辐照度均匀度计算方法：辐照度均匀度=最小辐照度/平均辐照度，辐照度均匀度计算值越接近1，表明光照分布越均匀。

图5展示了4种初定灯带布置方案下(N=3，L=25 cm，H=20，25 cm；N=4，L=20 cm，H=20，25 cm)的辐照度实测结果。从图5可以看出，4种方案下辐照度分布趋势与仿真结果相同，横向呈先上升后下降的趋势，且随着灯带条数的增加，其变化越来越平缓。通过计算，4组辐照度均匀度整体相差不大，分别为0.692，0.717，0.723和0.746。考虑到孵化机的容蛋量和灯带增加的孵化机制造成本，最终确定方案为N=3，L=25 cm，H=20 cm，即安装灯带3条，水平间距为25 cm，受光距离为20 cm。此时孵化机内辐照度均匀度为0.692，与常见的在蛋盘架两边加装灯带方式[11]相比，辐照度均匀度增加6.9%，使得试验光照条件更为优化。该种灯带布置方案下，以容蛋量为10 240 枚的标准孵化机为例，在不改变箱体尺寸的前提下，蛋架改进后容蛋量减少约20%，从实际生产的角度来考虑，在厂家可接受范围之内。因此，按照此灯带安装方式及要求，既满足光照均匀性的要求，又实现孵化箱内空间最大化利用的目的。

由表4可知2017年水稻季各处理下的水稻产量均比2016年高。2016年及2017年水稻季各处理下水稻平均产量分别为9.82 t/hm2和11.32 t/hm2，2017年水稻季平均比2016年水稻季增产2.50 t/hm2，增产比例达25.5%。主要是因为2016年水稻季底肥较多，营养生长旺盛且持久，转移到穗部的养分较少，导致结实率偏低。且由于底肥的干扰，2016年水稻季不同处理的水稻产量差异不如2017年水稻季显著。

图5 不同灯带布置方案辐照度实测结果Fig.5 Illumination irradiance of different lamp belt layout schemes

1.3 灯带加装设计

依据LED灯带布置方案的仿真和实测结果确定的最佳方案，对孵化机内蛋盘架进行改装设计，即加大蛋盘架间距及加装LED灯带，将蛋盘架间距由原来的14 cm增加到20 cm。考虑到孵化机内光照系统的防水要求，将灯带穿过透明有机玻璃圆管(外径尺寸18 mm，壁厚1.5 mm)，再将玻璃圆管打孔安装于蛋盘架上。圆管两头用玻璃胶封堵好，并将露在管外的灯带用黑色电工胶布缠住，遮挡多余的光线。透明有机玻璃圆管除了起到保护LED灯带免于沾染污渍的作用外，由于其本身的结构特性还具有散光作用，会使光照均匀性更好。

1.4 光照调控系统设计

LED光照鹅孵化机的光照调控系统主要由总开关、LED灯变压器、LED调光器、时控开关和LED灯带组成，各器件接线并集合于控制盒内，其接线如图6所示。LED灯带的额定电压为12 V，而孵化机通用电源电压为220 V，因此需进行电压转换。考虑到电路的安全可靠性，直接选用220 V转12 V的防雨型LED开关电源(FY-400-12)。此电源具备开机浪涌吸收、短路保护、过载保护、INPUT电磁兼容滤波、高压脉冲吸收等功能，且供电稳定、使用寿命长、能耗低、转化率高。辐照度大小调节通过旋钮式无极调光器(GEEPUT，DC12～24 V)实现。该调光器基于PWM(脉冲宽度调制)技术控制电压和电流输出，改变灯具亮度明暗，既保护了灯带，又能满足不同辐照度要求。为减轻人力劳动，LED开关采用定时控制，通过微电脑时控开关(KG316T)实现。该时控开关最高可设定28组数据，可设置日循环和周循环两种模式，具有停电记忆功能，断电后无需重新设置，且控制精度精确到秒，满足各种时间控制需求。

图6 光照调控系统接线图Fig.6 Wiring diagram of lighting control system注：1口是正极的入，2口是正极的出，3口是负极的入，4口是负极的出。

2 LED光照孵化试验与结果

为确定LED光照鹅孵化机最佳孵化期光照方案，选用不同LED单色光进行鹅种蛋孵化试验。

2.1 试验材料与方法

试验在安徽天之骄鹅业有限公司进行。采用4台样机进行鹅种蛋孵化，其中1台为常规孵化机(对照组)，另外3台为LED光照孵化机(试验组)，光源分别为LED全光谱白光、单色红光、单色绿光。光照强度设置为0.5～0.6 W/m2。试验采用同来源种蛋2 304枚，平均蛋重为143.2±11.2 g，在18 ℃蛋库中储存5天后平均分为4组，每组4个重复，排放在4台孵化机内的4层蛋盘上。设置光照周期对照组为24 h全黑暗，试验组为12 h有光、12 h无光的间歇光照制度，采用变温、变湿孵化条件，将整个孵化周期划分为6个不同阶段，温度控制在36.8 ℃～38.4 ℃，湿度控制在55%～70%[20]，通过排风扇、加热管和加湿装置的配合实现温湿度自动调控。

整个孵化周期内，第7天头照，剔除无精蛋和死胚，并记录无精蛋和死胚数量；入孵10天后每隔1天进行喷水晾蛋操作；第18天进行第2次照蛋(二照)，剔除死胚蛋，记录死胚数并观察胚蛋闭合情况；第27天落盘，将胚蛋转入出雏机中，随后，每隔8 h记录出雏数，直到孵化期满30天截止，绘制出雏时间分布曲线及累积出雏曲线。最终统计每组试验实际出雏数，并分别计算种蛋受精率、头照活胚率、二照活胚率、出雏阶段死胚率、受精蛋孵化率，计算方法如下

种蛋受精率=(入孵蛋总数-无精蛋数)/入孵蛋总数×100%

头照活胚率=(入孵蛋总数-无精蛋数-头照死胚数)/入孵蛋总数×100%

二照活胚率=(入孵蛋总数-无精蛋数-头照死胚数-二照死胚数)/入孵蛋总数×100%

受精蛋孵化率=实际出雏数/(入孵蛋数-无精蛋数)×100%

此外，于15日龄开始，每隔1周于各组随机抽取10枚种蛋，分别对种蛋和胚胎进行称重，并计算胚蛋比(无卵黄胚胎重/蛋重)，以分析不同光照处理对胚胎发育的影响。

2.2 试验结果

2.2.1 孵化性能

如表2所示，4个孵化处理组的种蛋受精率之间没有显著性差异，均在95%左右。对照组与实验组中孵化前、中期胚胎存活率均无显著差异，而最终受精蛋孵化率，LED白光组和红光组显著高于对照组，孵化率分别提高了2.39和4.39个百分点，而LED绿光组孵化率与黑暗条件下孵化基本相同，表明各光照处理下LED白光组和红光组孵化后期胚胎死亡率显著降低，这与Archer等[10,12]在白壳鸡蛋上的研究结果相一致，由此表明鹅种蛋孵化过程中可以施加LED红光或白光来提高孵化率、提升孵化企业的经济收益。而孵化后期死亡率的降低主要体现在出雏阶段，结果表明，落盘至出雏结束，LED红光和白光组胚胎死亡率显著(P<0.05)降低，分别比黑暗组低4.90和1.94个百分点。

表2 不同光照环境下鹅种蛋孵化性能Tab.2 Hatching performance of goose eggs under different light environment

2.2.2 胚胎发育

胚胎发育情况最直观的体现在胚胎体重上。孵化期间光照刺激对胚胎发育会产生显著影响，且在不同发育阶段，不同LED光照会产生不同的作用(图7)。

(a)胚胎体重

孵化后期开始，LED绿光显示出对胚胎发育的显著促进作用，22和29胚龄胚胎体重均显著高于对照组。LED白光和红光下，孵化早、晚期胚胎发育较缓，15和29胚龄时胚胎体重显著低于对照组(P<0.05)，在22胚龄时与对照组相持平，但均显著低于绿光组。同时考虑鹅蛋本身重量时，在孵化中期开始，LED绿光下胚蛋比显著大于对照组，且一直持续到出壳前；而LED白光和红光作用下，在15和22胚龄时胚蛋比与对照组无差异，出雏前显著低于对照组(P<0.05)。实际生产中，可以通过鹅苗绝对体重来衡量其质量特性，该体重直接与出雏前胚胎体重相关。因此可以说，与黑暗孵化相比，孵化期间单色绿光具有促进胚胎发育、提升鹅苗出生体重的作用，而红光和白光对此无利。

2.2.3 出雏特征

除孵化率以外，出雏特性也是衡量孵化质量的重要指标，不同颜色光照下鹅苗出雏规律如图8所示。LED绿光条件下鹅苗出雏规律与黑暗条件下基本相同，出雏窗口期约为56 h，而LED红光和白光下出雏时间比较集中，出雏窗口期比对照组缩短，缩短时间长达16 h(图8(a))，且出雏时间较晚，晚约16 h。说明LED白光和红光延迟了出雏时间，但出雏比较集中，缩短了出雏窗口期。通过进一步分析发现，各光照处理组累积出雏率曲线均近似于累积概率的对数正态分布。绿光组累积出雏率曲线与对照组基本重合，孵化率从50%上升到90%耗时约14 h；同样的，红光组和白光组累积出雏率曲线基本重合，孵化率从30%上升到90%耗时约13 h，但是由于出雏时间较晚，导致出雏率上升到90%所用的孵化时间延长约8 h(图8(b))。二者综合分析得到，与对照组相比，LED红光和白光更有利于提高出雏特性，主要体现在缩短了出雏窗口期，而LED绿光对出雏特性无影响。

(a)出雏时间分布

3 讨论

鹅种蛋孵化性能体现在孵化率、鹅苗质量各个方面。本文的研究表明，在孵化机内合理安装LED光源，孵化期间给与鹅种蛋光照刺激会改善孵化性能，且不同LED光照会产生不同的效果。与黑暗孵化相比，LED红光和白光能显著提高受精蛋孵化率。之所以LED白光和红光均有提高孵化率的作用，主要取决于蛋壳对不同光的过滤特性。研究表明，LED白光经白色蛋壳过滤后，波长较短的蓝光绝大部分被蛋壳吸收，而波长在600～760 nm范围之内的红橙光被增强，因此产生与红光相似的效果[12]。而孵化率的提高主要体现在孵化后期，尤其是出雏阶段的胚胎死亡率大大减少。这可能与孵化后期胚胎发育大小有关。在前期翻蛋角度对孵化性能的影响试验中发现，体重较大的胚胎在出壳期间死亡率大于体重较轻的胚胎。29胚龄时，黑暗组无卵黄胚胎重和胚蛋比均显著大于红光组和白光组，过大的体重会导致胚胎在蛋内活动受限，最终体力耗尽，无法破壳而出致死。LED绿光则起到促进胚胎发育、提升幼雏出生重的作用，这在鸡蛋孵化上已得到证实，且其分子调控机制也已明晰[21-23]，但LED绿光在提高孵化率方面无优势[24]。

此外，LED红光和白光虽没有缩短孵化时间，但出苗时间更为集中，耗时减少约16 h，显著缩短了出雏窗口期。出雏窗口期缩短有众多益处，一是避免了孵化工人多次开机门捡苗的麻烦，即节省了人力，又减少了开机扰乱孵化机内环境的次数。二是出苗集中可以使鹅苗集中上市、同步饮水和喂开口料，有助于肉鹅优良生长性能的发挥。出雏较早的鹅苗，由于存放时间过长，不能及时喂水和喂料，容易脱水，且会影响到肠道发育及某些生长相关的酶的活性，最终影响生长发育[25-26]。

综合考虑各项试验结果，不同LED光照对鹅种蛋孵化起不同作用。孵化企业可根据自身孵化规模和实际情况选用LED白光、红光或绿光。虽然LED白光和红光能提高孵化率，但是同样累积出雏率达到90%所用的孵化时间延长，会导致用电增加。而LED绿光在提高孵化率方面效果不显著，却促进了胚胎发育，使得鹅苗体重增加。相同的市场行情下，体重较大的鹅苗单价比体重小的鹅苗高，且更受买家欢迎。因此，在高性能LED光照孵化机研制时，可根据用户不同需求安装不同颜色LED灯，满足其多样化生产需求。

4 结论

以辐照度均匀度为主要设计指标，利用光学仿真软件TracePro Expert作为辅助，设计了LED光照鹅孵化机。同时研究了不同LED光照对孵化性能和胚胎发育的影响，从而为后续高性能鹅孵化机的进一步研制提供理论依据。

1)鹅种蛋孵化机内LED灯带安装时，灯带条数、水平间距和受光距离是影响光照均匀的主要条件。增加灯带条数、缩小水平间距和适当缩小受光距离均会增加辐照度均匀度。考虑到安装和使用成本，对于宽80 cm的标准蛋盘，灯带条数为3条、水平间距为25 cm、受光距离为20 cm时效果最佳，既能满足蛋盘各处光照均匀，又能最大化利用孵化机内空间。

2)与黑暗孵化相比，0.5～0.6 W/m2的LED红光和白光能显著提高受精蛋孵化率，分别提高4.39和2.39百分点，而该强度的LED绿光对孵化率影响不大，却能起到促进胚胎发育、提升雏苗体重的作用。

3)与黑暗孵化相比，0.5～0.6 W/m2的LED红光和白光下出苗比较集中，能缩短出雏窗口期约16 h，而绿光孵化与黑暗孵化出雏规律相一致。