基于太阳能LED 光谱智能照明驱虫灯设计开发

徐微微，于顺，秦国强，卜金鹏，单宏伟

（吉林工程技术师范学院 电气与信息工程学院，吉林长春，130052）

0 引言

由于目前化石生物燃料仍以能源为主导，全球生态环境污染问题，如能源危机、环境污染、气候迅速变暖等仍在持续高速增长。空气污染已经成为世界上主要健康风险，据世界卫生组织统计，每年因空气污染死亡的人数约为370 万人。环境保护和生态环境污染的有效治理已迫在眉睫。作为一种二次能源，太阳能是一种不受限制的，清洁的燃料。不需要其他燃料来产生太阳能。对环境安全无污染[1～2]。农作物经常发生的害虫问题困扰多年，需要长期大量使用农药来驱赶昆虫，农药残留在农作物、土壤和水体中，环境中的有害物质大大增加，危害到生态环境和人类健康，形成了农药污染。因此，有效地驱赶昆虫，找到既能驱走昆虫又不会对人体健康造成伤害的产品和方法是非常重要的[3]。与传统光源相比，发光二极管（LED）相具有亮度更高、能耗更少、波长范围更窄等优点。LED 灯作为诱虫光源，能有效降低对天敌昆虫的误杀，成为目前诱虫效果最好的光源。现阶段，诱虫灯、超声波驱虫、高压电击等物理驱虫方法可减少害虫的抗药性、安全无污染、降低成本等优势受到越来越多的关注。物联网技术作为一种新兴技术，抗干扰能力强，功耗小，覆盖范围大。针对目前诱虫灯存在的问题，提出加快研发具有智能功能的诱虫灯具有重要意义[4～6]。因此，利用太阳能LED 新光源的方法，以及利用LED 可见光分析昆虫的趋光行为特性，针对太阳能LED 光源驱逐害虫种类和驱逐规律等方面开展正确的害虫防治和应用研究，为病虫害防治带来了新的研究思路。为了扩大捕捉昆虫的光谱，光源采用单一的浅白色、白蓝色、白黄色和白红色组合来增加驱虫种类，并研究哪种光源对驱虫有效[7]。此外，在此基础上，设计了一种能够将实时环境温度、湿度、光照强度等天气信息远程推送到手机上，供用户参考的天气监测装置，应用在昆虫防治、环境监测方面具有操作简单，经济高效等优势[8]。本文通过分析太阳能LED 防控虫害的基本原理，阐述用于控制害虫的太阳能LED 光谱智能照明灯装置的硬软件电路设计方案和仿真模拟，并讨论利用太阳能LED 技术控制害虫的应用前景。

1 控制系统硬件电路设计

ESP8266 内置超低功耗32 位RISC 微处理器，CPU时钟速度最高可达160 MHz，支持RTOS 实时操作系统和WiFi 协议栈，尤其适用于各类物联网应用数据保存和远程访问[8]。该设计是基于ESP8266 物联网控制系统的太阳能LED 光谱智能驱虫灯控制系统。太阳能LED 光谱智能驱虫灯控制系统主要是由ESP8266 物联网控制系统、可控硅频率调节电路、红外控制电路、DTH11 温湿度传感器，雨水传感器组成。硬件系统的整体结构形态如图1 所示。

图1 硬件系统总体结构框图

太阳能LED 光谱智能照明驱虫系统，通过ESP8266 网络驱动器板接收发射信号，可控硅组件调整LED 发光波长和发光频率，通过不同波长和强度的变化来驱赶害虫；温度和湿度传感器以及雨水传感器实时监控自然状态下的温度、湿度。在云端租用服务器之后通过PHPSTUDY 将整个环境部署。Phpstudy 是该程序包集成最新的Apache+PHP+My SQL+phpMyAdmin+ZendOptimizer 一次性安装，无须配置即可使用，是非常方便、好用的PHP 调试环境。

首先进行登录，操作系统选择的是linux 版的centOS7.3 以及64 位的操作系统，管理云服务器的软件有XShell，Putty，SecureCRT 等，我这里选择的是XShell，还有通过XFTP 软件可以进行和云服务器的文件传输。并且使用了宝塔以及Tomcat 面板进行云端控制。

其中，pin 表示输出PWM 信号的引脚，value表示PWM 脉冲信号的占空比，取值范围为0 到255。在实际应用中，可以通过物联网平台将指令发送到Arduino 中，Arduino 接收指令后，通过相应算法计算出PWM 脉冲的占空比，进而控制电机运动或LED 亮度等。这种方式可以方便实现智能化的控制和管理。经过对两块舵机初始化完成后，将需要执行的参数，在循环结构void loop()函数中编写，通过在void loop()函数调用子函数Trans()函数，完成对手势数据的处理以及和舵机的数据传输交互，将收到的手势数据经过处理之后使作出相应的反应。本设计使用的是PUTTY 配合VNC 进行远程控制。在接入云端服务器之后使用VNC 进行远程桌面进行控制，登录成功后，会出现如图界面，井号符代表当前是超级用户。之后就可以进行服务器的配置和数据流的操作了。因为要部署java 项目，所以必须有jdk 和服务器，服务器用的是Tomcat。当前目录在root 目录下，关于linux 的目录结构，在root 目录下新建了一个java 目录，在java 目录下，新建一个jpk的根目录一个tomcat 的主程序目录，可以使用XFtp 进行文件的传输，连接XFtp 和连接XShell 一样。在浏览器网址栏输入：你的域名或IP：18083，如：www.domain.com:18083，成功进入后会弹出登录面板，初始用户名为：admin 初始密码：public，如果没有登录进去，请注意是否输错或没有将18083 加入安全组。在Arduino 中，通过analogWrite()函数可以输出PWM 脉冲，具体用法如下：analogWrite(pin,value);//将PWM 输出到指定的引脚，占空比由0 到255 之间的value 值决定。

选择单片机ESP8266 作为环境控制专用芯片，通过检测DTH11 温湿度传感器和雨水传感器等多种环境参数并将其推送至用户微信中。系统在开始调试工作并在完成系统初始化过程后，ESP8266 将信号直接输出到PWM 信号I/O口，进而传递到可控硅模块，通过对可控硅模块上的信号的变化来调整LED 灯亮的程度以及其在频率上的变化，四色LED 光源对防治害虫效果最好，因此LED 光源由红、蓝、黄、白光四种LED 组成，白光LED 可兼用照明光源。红色、蓝色、黄色、白色四色LED 均串联一个可控硅模块，通过PWM端口发送信号的变化，进而调节照明强度、频率和开关。ESP8266 在LCD1602 显示器上连接了一个小型有源蜂鸣器，LCD1602 执行温湿度和降水状态，一旦发现降水，就会开始报警，避免电路进水造成危险。

2 控制系统软件流程设计

根据硬件系统总体结构形式进行系统程序编写、远程控制程序编写、服务器架构以及微信推送程序接口调用。本设计的硬件程序编写部分采用了vscode 制作的程序，系统程序部分包括DTH11 传感器、雨水传感器、红外控制。远程软件控制APP 程序以及微信推送接口调用使用IntelliJIDEA，服务器架构使用phpstuday 进行一键搭建。软件设计通过执行中的主程序调用功能模块。软件构图使用了proteus 的7.8 版本进行模拟控制系统软件设计。模拟控制系统软件流程如图2 所示。

图2 控制系统软件流程图

主要由初始化程序、光强度检测程序、雨水检测程序、LED 频闪调节程序、温湿度检测程序、显示程序等组成系统软件方案。ESP8266 单片机初始化运行，电路控制系统进入工作状态。当自然光照度值小于系统设定值的2～3倍时，系统将自动点亮并进入工作状态。当自然光照度值超过30倍时，LED 灯频闪调整通过分程序实现，使光强达到预设值，LED 灯在太阳光下点亮并进入充电状态。利用DHT11 温湿度传感器和雨水传感器在LCD1602 显示器实时监控温湿度变化，在降雨状态下有源蜂鸣器开始报警，通过手机远程遥控电路开关状态，可防止高温驱虫回路的隐患。远程推送遥控通过个人服务器向每个设备发送微信，包括实时传感器数据情况以及发送互联网天气预报，用户可以通过手机app进行远程遥控改变LED 频率变化以及开关设备。

该控制系统通过ESP8266 单片机对LED 灯进行不同颜色的驱动。红色、蓝色、黄色、白色四色LED 均串联一个可控硅模块，通过PWM 端口发送信号的变化，进而调节照明强度、频率和开关，通过不同强度光波长和频率的变化来驱赶害虫，实现害虫的智能化控制。

3 仿真调试与模拟

为了可以更加灵活方便进行程序上的电路实际设计调试，采用了Proteus 7.8 版本对电路设计进行了仿真电路的现场调试和仿真计算与仿真模拟。本设计采用4 个可控硅分别控制4 组LED 灯的亮灭，P2.6 引脚监测光强和外界环境温湿度。当光敏传感器检测到的光照强度低于系统设置的阈值时作出相应调整机制，使其电流阻值逐渐增大，即该三极管电流进入导通状态。对本系统程序进行模拟调试验证时，使用Proteus 进行仿真模拟调试并对其相应问题进行排除解决。

硬件调试过程主要包括调试LED 灯源的光强，能否在LED 灯开启或关闭时响应蜂鸣器等；LCD1602 显示屏显示倒计时时间和温度湿度，雨雾天气能否启动驱虫灯，LED灯的频闪效果能否达到。

软件安装调试建议使用proteus7.8 版本对该程序对系统进行安装测试。首先应采用软件Keil 将自己编写过的定时程序直接烧录保存到系统ESP8266 中，并在其最小系统内存中试运行。在程序运行的过程中，检查自己编写好的定时器程序代码中语句是否存在错误、定时程序本身能否正确实现各种硬件要求，以及该程序代码在其它硬件装置上使用的可执行性。其仿真模拟设计框图如图3 所示。

图3 仿真模拟设计框图

仿真结果显示各个传感器以及主控系统运行正常，各种参数调节较为灵敏。服务器压力测试正常允许较大基数的用户正常使用，数据传输正常，微信接口调用正常且手机APP 无任何逻辑漏洞，符合整体结果的预设。

4 结论

太阳能LED 光谱智能照明驱虫灯系统设计，主要由ESP8266 物联网控制系统、可控硅调节电路、红外控制电路、DTH11 温湿度传感器，雨水传感器等元件组成。防治害虫过程中，针对昆虫周围环境的温度和湿度等参数进行远程监测，利用ESP8266 单片机，控制硅组件调整LED 发光波长和发光频率，通过不同强度光波长和频率的变化来驱赶害虫，实现“驱虫灯、智能化、物联网技术”为一体的害虫的智能化控制。由于自然界不同种类的昆虫对太阳能LED 光源发出的光波长、光强度、光频率等参数的识别敏感度一般都有所不同，因此，针对特定害虫需要采用相关参数来进行有效的定向的科学驱逐。太阳能LED 光谱智能照明驱虫灯主要可广泛直接地应用于城市各类建筑室内外等公共场所。