基于物聯網光伏智能水稻害蟲防治監控系統設計

張文涵++吳海濤++姜賀++王潤濤

摘 要：在東北水稻害蟲發生面積和危害程度逐漸增大，嚴重影響水稻產量和品質的狀況下，該文設計了一款具有檢測天氣變化、裝置的傾斜角、自動清理高壓電網上蟲體，以及采集數據并傳送給用戶功能的光伏智能水稻害蟲防治監控系統。系統主要由預警裝置、殺蟲裝置、清潔裝置、供電及電源控制部分組成，合理減少農藥使用次數，實現了水稻高產和優質的目的，同時使系統更加智能化。

關鍵詞：水稻害蟲防治 光伏發電 頻振式LED燈 GSM模塊

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（c）-0094-02

東北水稻種植面積逐年擴大，隨著全球氣候變暖等因素的變化，其水稻害蟲發生面積和危害程度逐漸增大，對東北優質水稻生產構成了較大影響。在此背景下，利用昆蟲的趨光性對其進行誘殺防治是目前所采取的主要物理措施。傳統的殺蟲黑光燈受安裝地點、高度以及每天必須人為進行開關的限制，不僅耗電且管理維護不便；放有毒劑的集蟲箱容易散漏，造成人畜中毒等事故。因此為了節省大量人力物力，方便管理，防止事故發生，該文結合當今物聯網技術——GSM技術、ZigBee技術，研究和設計一款基于物聯網的光伏智能水稻害蟲物理防治監控系統。

1 系統整體設計

系統采用光伏發電技術，利用太陽能電池板、蓄電池、控制器構成的光伏發電裝置為系統供電，避免使用大量的電纜，減少安全隱患事故的發生并且節約能源[1]；采用頻振式LED燈配以紫外燈構成寬譜誘蟲光源，具有壽命長、可靠耐用、維護費用極為低廉的優點，且針對傳統殺蟲裝置需人工定期清潔電網的問題，增加了清潔裝置與害蟲收集裝置；采用角度傳感器、重量采集模塊、火情采集模塊收集裝置信息，并與GSM模塊和ZigBee模塊結合，向用戶進行多方面預警。系統框圖如圖1所示。

2 系統主體設計

2.1 預警裝置設計

預警裝置包括角度傳感器、雨水傳感器、重量采集模塊、火情采集模塊、微處理器、數據發送模塊。

角度傳感器主要由ADXL335構成，利用其測量裝置的角度數據，單片機采集數據，進行判斷，如若裝置發生一定的角度偏離后，自動發送至用戶報警，從而避免毒劑的集蟲箱散漏，造成人畜中毒等事故發生。

雨水傳感器主要由雨水檢測模塊構成，利用其檢測裝置所在環境檢測是否下雨，當下雨時，其自動將裝置高壓電網部分切斷供電，防止發生漏電、觸電事故。

重量采集模塊主要由高精度壓力傳感器構成，通過壓力傳感器測量昆蟲編織袋的重量，進而通過多天的累計測量并記錄數據，從而大致判斷害蟲的數量以及蟲害的強度。

火情采集模塊主要由煙霧傳感器構成，通過對裝置周圍環境煙霧含量的檢測，進而判斷該環境是否發生火災，從而及時傳輸至用戶端，提醒用戶火災的發生。

微處理器主要由低功耗MSP430單片機構成，其接收重量采集模塊的數據以及煙霧傳感器的數據并進行處理，傳輸至數據發送模塊。

數據發送模塊主要由GSM模塊和ZigBee模塊構成，GSM模塊接收來自微處理器的信息，并將其轉換成短信的形式發送至用戶端，用戶也可以短信形式向GSM模塊發出指令控制本系統的部分功能，ZigBee模塊可以和農田中其他裝置相互通信。

2.2 殺蟲裝置設計

殺蟲裝置包括誘蟲裝置、高壓電網、害蟲收集裝置。

誘蟲裝置主要是由高亮度LED燈以及紫外燈構成的寬譜誘蟲光源[2]。由于不同種類的昆蟲對不同波段光潛的敏感性不同，而人類看不見的長波紫外光對數百種害蟲也具有較強的誘集力[3]。寬譜誘蟲光源誘殺害蟲種類多、效果好、數量大。其對于鱗翅目類各種成蟲有特效，如菜蛾、棉鈴蟲、地老虎、美國白蛾等；對鞘翅目、雙翅目、同翅目、直翅目等類的多種昆蟲也有顯著誘集效果。據文獻查閱，根據各種環境中的不完全統計，誘殺害蟲超過1 500種，對于絕大部分常見的各類害蟲都有效。

同時，與傳統的殺蟲黑光燈及其他光源相比，超高亮LED具有壽命長、可靠耐用、維護費用極為低廉的優點。

高壓電網由不銹鋼材料制成，其放置在光源外圍，用以保護光源免遭外力撞擊，并通以高壓電，對害蟲進行滅殺處理。

害蟲收集裝置由收集袋和機械傳送部分組成，當用戶需要更換收集袋或檢查害蟲的種類以及數量時，可以控制機械傳動部分升降收集袋，方便用戶的使用。

2.3 清潔裝置設計

清潔裝置包括清潔盤以及機械傳動部分。

清潔盤由不銹鋼材料制成，按照高壓電網的形狀進行設計，貼合性較高；機械傳動部分由直流電機和皮帶構成，直流電機帶動皮帶轉動，皮帶攜帶清潔盤對高壓電網進行清理，提高了裝置的殺蟲效果，同時也避免人工清潔電網的繁瑣過程，減輕了用戶的負擔。

2.4 供電裝置與電源控制裝置設計

供電裝置主要由太陽能電池板、蓄電池、控制器構成的光伏發電系統。利用太陽能電池板對蓄電池進行充電，同時蓄電池保證對除自身以外的其他裝置進行不間斷供電；電源控制裝置主要由電磁繼電器構成，利用電磁繼電器，用戶可以在檢查害蟲收集裝置時將高壓電網的電源關閉，保證人身安全；在清潔電網時，電網電源將自動關閉。

3 結語

該系統結合了頻振式紫外燈技術，傳感器檢測技術和物聯網技術——GSM技術、ZigBee技術，實現了智能化害蟲的物理防治監控，綠色無污染，以此提高東北水稻高產和優質，在一定程度上為保持良好的生態環境、促進人與自然的和諧統一、減少農副產品的農藥殘余量上作出了貢獻。同時，由于農電地區用電不方便，該系統結合太陽能光伏發電技術，開發新能源，為裝置提供能源，從而避免使用大量的電纜，減少安全隱患事故的發生并節約能源。

但是系統還存在些需要改進的地方，由于太陽能電池板的電能轉化效率不是很高，而且蓄電池自身容量及使用壽命也有一定的限制，導致系統在連續陰雨天氣下無法長期使用。

參考文獻

[1] 王長貴.太陽能光伏發電實用技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2] 劉春明，李宏光，等.性誘劑和頻振式殺蟲燈在紅河州烤煙生產中示范應用試驗[J].陜西農業科學，2014，60（70）：12-16.

[3] 張純胄，楊捷.害蟲趨光性及其應用技術的研究進展[J].華東昆蟲學報，2007，16（2）：131-135.