黑水虻幼虫人工养殖环境补光系统设计

廖家骏，何新鹏，刘华，常若葵

（天津农学院 工程技术学院，天津 300392）

黑水虻幼虫在生长时期以餐厨垃圾、动物粪便等有机物为食物，将其高效转化为自身的营养物质，在人工饲养黑水虻幼虫阶段[1-2]，可通过改变光照强度来提升其幼虫对餐厨垃圾的处理能力。人工补光从光源、控制、数据反馈等方面出发，通过控制器、传感器、电机、光源等模块实现补光系统，使黑水虻幼虫在适宜的环境中提升生存率及其处理厨余垃圾的效率。

根据资料显示，光照是控制黑水虻幼虫生长发育的重要因素[1]，也是限制有机废物处理能力的主要因素。因此，在冬季、阴雨天和人工室内养殖需要找到一种能替代太阳光的人工光源，促进黑水虻幼虫的生长发育。

已有补光系统多用于智能交通或者蔬菜大 棚[2]，对动物昆虫进行补光较少。对黑水虻补光多半是为提升黑水虻成虫产卵率，目前对黑水虻幼虫进行补光的相关资料与文献少。黑水虻幼虫补光是以后的重要研究方向[3-4]。

本系统主要对养殖箱内的黑水虻幼虫进行补光，整个系统主要由补光、控制、环境温湿度及光照强度的监测组成。通过多传感器将监测到的光照强度、温度、湿度等数据上传到上位机界面，根据实时环境参数与黑水虻幼虫需要的环境参数对比，控制光源与电机，使养殖箱内的环境参数符合黑水虻幼虫的生活环境，电机开关、升降与光源开关都由PLC完成控制。整个系统的参数与控制可通过一体机触摸屏进行显示与控制。

1 硬件系统

1.1 系统结构

本系统总设计结构框图如图1所示。

图1 系统总设计结构框图

系统通过多传感器采集数据后送到PLC主控器，PLC利用控制算法通过控制电机正反转，进而控制灯带上升或者下降，为黑水虻幼虫生长提供合适的光照强度。

1.2 PLC控制器

本系统以MM40MR-12MT-700ES-D系列PLC作为主控器，采用24 V，75 W直流电源供电，含16路继电器输入，12路晶体管输出，24路光耦输出，4路0～10 V模拟量输入，2路NTC10 k温度输入，2路0～10 V模拟量输出。一体机触摸屏屏幕尺寸155 mm×86 mm。实物如图2所示。

图2 MM40MR-12MT-700ES-D PLC实物图

在此补光系统中，输入X0、X1为启动停止，输出为Y0、Y1、Y2。传感器模块采用485通讯方式连接COM3口。

1.3 补光模块

系统补光模块如图3所示，补光箱[5]由自然光的冷光和暖光光带构成，可根据实际需要增减光带数量灯带。采用24 V，14 W直流供电。一个灯箱由6根灯带、嵌入式开关、亚克力板、分线器组成，可实现PLC控制或手动控制。

图3 补光模块实物图

补光模块模拟自然光为黑水虻幼虫进行补光。为了贴近黑水虻幼虫的生存环境，补光系统采用自然光灯带。

在试验测试中，选取灯带的长度为70 cm，灯带为等间距分布，因此根据公式（1），计算得到黑水虻幼虫补光环境中，灯带与灯带之间的距离为8～10 cm，这样做成的补光模块足以对整个养殖箱进行补光而又不至于浪费太多。灯带24 V/ 14 W直流供电，电流约是0.583 A。

本系统采用6条灯带且每条灯带都可拆卸。

1.4 升降电机

电机在整个补光系统中只有升降作用，所以称其为升降电机。此系统中选用电葫芦。电葫芦的优势是体积小、起重重量大、适合安装在系统中，便于PLC控制。

通过PLC控制电机正反转可以实现补光模块的自由升降，也可通过上位机界面相应的按钮来控制电葫芦的开关与升降。实物如图4所示。

图4 升降电机实物图

1.5 传感器模块

为了获取黑水虻幼虫养殖箱内环境参数和补光模块的光照强度，需选择一款光照传感器；由于补光模块在发光时会产生热量，而湿度也会对黑水虻幼虫生长有影响，为了满足黑水虻幼虫的生存条件还要进行温湿度的检测，所以模块选择了光照、温湿度三合一传感器。该传感器使测量系统的成本和体积降低，减少了系统设计与布线的复杂性。

该传感器具有-40～80 ℃的温度量程，0～100% RH的湿度量程，0～65 535 lx的光照强度量程。在25 ℃情况下，具有±0.5 ℃的温度精度和±3% RH湿度精度，还拥有小于0.4 W的低功耗，使用RS485标准ModBus通信协议等特点，适用于温室大棚、动物养殖等环境。温湿度、光照传感器实物如图5所示。

图5 温湿度、光照传感器实物图

2 系统的软件设计

2.1 上位机开发

本系统利用组态软件设计上位机[6]界面。其中，主界面包括3个位按钮控制灯带开关、电机开关与电机升降，还包括传感器模块获取养殖箱内的数据情况：光照、温度、湿度，便于养殖人员根据上位机界面获得的数据来控制灯带和电机。等待开关的写入地址是M10，电机开关的写入地址是M11，电机正反转的写入地址是M12。设计界面如图6所示。

图6 上位机界面

2.2 PLC开发流程图

PLC开发流程如图7所示。

3 RS-485总线

本系统中传感器模块通过RS-485与PLC建立通讯，将黑水虻幼虫养殖箱内数据通过485总线传给PLC。

485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，具有抑制共模干扰的能力。此外，总线收发器灵敏度高，信号在千米之外也可接收到。接口信号电平与TTL电平兼容，方便与TTL电路连接。RS-485用于多点互连时非常方便，可允许多个发送器连接到同一条总线上，可以省掉很多信号线，使补光系统的布线简单明了，也使整个养殖箱看起来简洁干净。

补光系统中的PLC作为下位机的控制核心，连接传感器、触摸屏，其通讯使用MODBUS-RTU协议。PLC串口接线如图8所示。

图8 PLC串口接线图

4 总结与展望

黑水虻幼虫的补光系统可实时获取到养殖箱内的光照强度、温度、湿度信息，并通过环境参数来调节灯带开关、电机开关与灯带升降，可实现实时调整黑水虻幼虫的环境参数。

本系统虽然完成了系统的补光与环境参数的监控，但传感器仅监测了影响黑水虻幼虫生长的 主要参数，数据也不够全面，例如气体环境参数也是黑水虻幼虫生活的重要参数。此外，控制设备还将风扇、加湿器等引入系统中，进而实现系统全自动环境监测与控制，即通过传感器得到的数据传入上位机，上位机能够自动地控制电机与光源来为整个系统完成补光操作，使得黑水虻幼虫环境补光系统自动化。

第二个发展方向是选取不同光源完成对于黑水虻幼虫的影响试验。该补光系统中所用到的光源是自然光光源，而光源有冷光、暖光的区别。可通过多种试验方案获得更多对比试验，从而得到最优的适应黑水虻幼虫生长发育与转化厨余垃圾的环境参数。