杜建軍，熊 巍，雷堡樂，陳 濤，李 榮，蘇 鵬，宋昌斌

(1.深圳市超頻三科技股份有限公司，廣東 深圳 518116；2.大連富谷食品有限公司，遼寧 大連 116400；3.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083)

引言

目前國(guó)內(nèi)大部分水產(chǎn)養(yǎng)殖車間使用的光照燈具仍然是傳統(tǒng)的日光燈等。如何選擇適合特定養(yǎng)殖水產(chǎn)動(dòng)物的繁殖、生長(zhǎng)發(fā)育、品質(zhì)調(diào)控所需要的光環(huán)境參數(shù)，一直是困擾養(yǎng)殖戶的問題。由于LED具有節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、智能可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，其在設(shè)施水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)日益凸顯。

1 設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則

水產(chǎn)動(dòng)物的光照在很多方面與植物光照相比有明顯的區(qū)別。植物光照光譜主要是紅藍(lán)二色[1]，而水產(chǎn)截然不同，以魚類為例，光照通過魚視覺器官、腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)，影響內(nèi)分泌腦垂體活動(dòng)，進(jìn)而影響魚行為與代謝生長(zhǎng)系統(tǒng)。光作為能量進(jìn)入水域可以獨(dú)立的對(duì)魚類的攝食、生殖、內(nèi)分泌起著直接或間接地重要的影響[2]。即，水產(chǎn)動(dòng)物特有生理結(jié)構(gòu)決定了它們特有的感光敏感度和趨光特性。因?yàn)樗a(chǎn)動(dòng)物種類2萬(wàn)種以上[3]，每一物種在上億年進(jìn)化的環(huán)境棲息地，如海水、淡水、深層、淺層、河口、溪流光環(huán)境迥然不同，進(jìn)化出視覺神經(jīng)器官對(duì)光譜色的反應(yīng)與偏好都大相徑庭，并且不同種類和處于不同發(fā)育階段的水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)光譜色的喜好和趨光性表現(xiàn)不同。比如大菱鲆(Scophthalmusmaximus)受精卵發(fā)育、孵化期間，選擇橙光和全光譜作為光源，顯著提高苗種成活率。在大菱鲆開始變態(tài)及變態(tài)完成后，采用藍(lán)光作為光源，有助于提高特定生長(zhǎng)率[4]。因此在現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，對(duì)LED光照光譜提出了更高的集約、操作便利及智能控制要求。為調(diào)節(jié)水產(chǎn)動(dòng)物的生理節(jié)律、攝食行為、性腺發(fā)育，在水產(chǎn)養(yǎng)殖LED光源設(shè)計(jì)時(shí)，需要實(shí)驗(yàn)得出個(gè)體種類的光譜喜好需求參數(shù)，然后根據(jù)不同生長(zhǎng)階段的水產(chǎn)個(gè)體需要的光譜色，運(yùn)用智能控制系統(tǒng)進(jìn)行有序調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。從而，增加水產(chǎn)養(yǎng)殖生長(zhǎng)效率，提高商品魚的產(chǎn)量。

2 工程概況

2.1 LED燈具車間布置

表1 養(yǎng)殖車間燈具數(shù)量分布表

電源為L(zhǎng)ED提供恒定電流。節(jié)點(diǎn)控制器(SG200)接收Z(yǔ)igbee信號(hào)，通過0～10V調(diào)光線控制執(zhí)行電源電流輸出。網(wǎng)關(guān)(SG600)將Wifi信號(hào)傳為Zigbee信號(hào)，并通過Zigbee協(xié)議與節(jié)點(diǎn)控制器實(shí)現(xiàn)通訊。設(shè)計(jì)燈具有控制要求，平板電腦將指令通過路由器傳遞給網(wǎng)關(guān)。

苗種培育區(qū)選用LED全光譜燈，100～300 lx可調(diào)光強(qiáng)，漸開漸滅防止應(yīng)激反應(yīng)，防水防潮。采用加三防罩可調(diào)光的T8燈管及防水泛光燈，光強(qiáng)接近100 lx。采用懸掛方式安裝，防水達(dá)到IP65，防腐達(dá)到WF2。具有Zigbee協(xié)議自組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)(圖3)。

圖1 黃條養(yǎng)殖車間布燈控制示意圖

圖2 紅鰭東方鲀養(yǎng)殖車間布燈控制示意圖

圖3 Zigbee協(xié)議無(wú)線控制流程圖

2.2 管理模式

2.3 運(yùn)營(yíng)維護(hù)

項(xiàng)目通過對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖照明系統(tǒng)日常維護(hù)工作，使整個(gè)照明系統(tǒng)始終處于良好的工作狀態(tài)。將燈具規(guī)格與使用說明書、車間組網(wǎng)示意圖及燈具分布圖、車間SG600網(wǎng)關(guān)IP列表、軟件操作說明文件交付使用方，定期對(duì)智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查，及時(shí)處理端子連接掉線等問題。對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)，重點(diǎn)培訓(xùn)輸入及讀取Zigbee自組網(wǎng)技術(shù)管理信息系統(tǒng)參數(shù)，使其能熟悉設(shè)備、系統(tǒng)和運(yùn)行狀況，熟悉操作和故障處理，正確地進(jìn)行操作和判斷LED燈具運(yùn)行狀況，掌握一般的LED燈具維修技能。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 LED光環(huán)境養(yǎng)殖的比較效益

水產(chǎn)科研研究表明[5，6]：黃光對(duì)紅鰭東方鲀仔稚魚生長(zhǎng)、發(fā)育具有促進(jìn)作用；黃光和紅光組歐洲舌齒鱸的消化酶活力高，有利于歐洲舌齒鱸幼魚消化吸收飼料中的蛋白質(zhì)和淀粉，所以用色溫2 500 K、T8三防燈管適應(yīng)紅鰭東方鲀仔稚魚、歐洲舌齒鱸幼魚光照生理生長(zhǎng)要求。同時(shí)Zigbee協(xié)議自組網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)漸亮漸滅，消除水產(chǎn)動(dòng)物應(yīng)激反應(yīng)，提高其免疫力，減少病害發(fā)生。

表2 LED與白熾燈光環(huán)境下3種魚類2種生長(zhǎng)指標(biāo)比較表

按富谷公司年產(chǎn)量1 000噸水產(chǎn)品計(jì)算，與傳統(tǒng)燈具相比，項(xiàng)目實(shí)施1年后實(shí)際統(tǒng)計(jì)，水產(chǎn)品產(chǎn)量年增量超5%，即每年增加水產(chǎn)品超50噸。按照其珍品魚類平均80元/kg來計(jì)算：每年能增加經(jīng)濟(jì)效益400萬(wàn)元，效益顯著。

3.3 節(jié)能效果

項(xiàng)目初始計(jì)劃采用882盞傳統(tǒng)節(jié)能燈，考慮到LED光源光譜可變、耗能低等因素，且可智能控制，因此改為L(zhǎng)ED燈具。采用18 W T8三防燈管211盞，40 W LED防水泛光燈337盞、60 W 280盞、24 W LED工礦燈35盞工程實(shí)施用燈可滿足要求。平均按照每天20 h、一個(gè)月30 d、電費(fèi)1元/度來計(jì)算(表3)。

表3 LED燈具代替?zhèn)鹘y(tǒng)燈具節(jié)能表

由表3可知，每月能節(jié)約2萬(wàn)余度電，年節(jié)電預(yù)計(jì)超20萬(wàn)度，節(jié)能效果明顯。

3.4 模式推廣

繼本工程項(xiàng)目后，超頻三公司為杭州恒澤生態(tài)農(nóng)業(yè)公司完成了基于LED光照調(diào)控的養(yǎng)殖加州鱸示范場(chǎng)總計(jì)7 237 m2，其中循環(huán)水車間3 040 m2、魚跑道2 900 m2、工廠化循環(huán)水育苗基地1 297 m2，并運(yùn)用采用Zigbee 自組網(wǎng)控制技術(shù)。經(jīng)相關(guān)專家現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收鑒定，室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖配套LED光環(huán)境調(diào)控較普通光照對(duì)照組的特定生長(zhǎng)率(SGR)提高9.6%；池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖的特定生長(zhǎng)率(SGR)提高6.6%，達(dá)到設(shè)計(jì)與使用要求，情況良好。黃山鼎新生態(tài)農(nóng)業(yè)公司養(yǎng)殖的光唇魚、山東圣航水產(chǎn)公司養(yǎng)殖的大菱鲆等養(yǎng)殖場(chǎng)也有小規(guī)模使用LED光照，結(jié)果表明仔魚的成活率及特殊生長(zhǎng)率都有不同程度的提高。

3.5 小結(jié)

由于工程時(shí)間限制，LED光源選擇是在參考現(xiàn)有理論與文獻(xiàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，而對(duì)養(yǎng)殖水產(chǎn)動(dòng)物光譜敏感性、輻射光強(qiáng)及光周期的實(shí)驗(yàn)是在后期進(jìn)行的，因此光源設(shè)計(jì)沒有達(dá)到精準(zhǔn)地步。因?yàn)橐恍┖Ｋ~類在仔稚期對(duì)光敏感性有可塑性，所以在條件允許下，應(yīng)該事先實(shí)驗(yàn)取得關(guān)鍵光要素參數(shù)[8]。在工程應(yīng)用中，光照強(qiáng)度概念不容易被科學(xué)地使用。水產(chǎn)動(dòng)物光度系統(tǒng)用描述光輻射能的輻射度量學(xué)或光量子通量密度為宜，但建筑照明按人的視覺效應(yīng)進(jìn)行度量，光強(qiáng)評(píng)價(jià)采用lx(勒克斯)標(biāo)準(zhǔn)，所以在工程設(shè)計(jì)中我們采用的是lx照度單位，以使水產(chǎn)使用者對(duì)輻射強(qiáng)度有直觀感受。

4 結(jié)語(yǔ)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖面積是6554.83萬(wàn)m2，若20 m2一盞燈，需330萬(wàn)盞。養(yǎng)殖車間所用燈功率視不同養(yǎng)殖品種在20～80 W。若取平均價(jià)格500元/盞，則LED燈具加上智能控制系統(tǒng)的潛在市場(chǎng)規(guī)模至少16.5億元[9]，LED光照應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖這一細(xì)分領(lǐng)域很有前景。目前，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中絕大多數(shù)使用的是傳統(tǒng)光源，即便是使用LED光源，有些養(yǎng)殖戶也是按照人眼的舒適性布置養(yǎng)殖車間光環(huán)境。所以，傳統(tǒng)光照觀念已經(jīng)落后于養(yǎng)殖業(yè)精準(zhǔn)工業(yè)集約化發(fā)展要求。本光照工程的實(shí)施，為水產(chǎn)養(yǎng)殖與照明業(yè)跨界融合、科學(xué)地實(shí)施LED光照工程提供了有益的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。