自動追蹤式太陽能蟲害監測儀控制設計

李芝茹，江舒楠，吳曉峰*，徐克生，張北航，苗振坤，李全罡，潘文婷

(1.中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091；2.東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040；3.國家林業局哈爾濱林業機械研究所，哈爾濱 150086；4.中國林業科學研究院亞熱帶林業試驗中心，江西 分宜 336600)

自動追蹤式太陽能蟲害監測儀控制設計

李芝茹1，3，江舒楠2，吳曉峰1，3*，徐克生3，張北航1，3，苗振坤1，3，李全罡1，3，潘文婷4

(1.中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091；2.東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040；3.國家林業局哈爾濱林業機械研究所，哈爾濱 150086；4.中國林業科學研究院亞熱帶林業試驗中心，江西 分宜 336600)

介紹其自動追蹤式太陽能蟲害監測儀的基本功能和工作特點，著重闡述其硬件構成、控制原理、數據的采集傳輸和讀取分析等。應用PLC技術和GPRS技術，結合太陽能光伏技術和微量傳感技術對蟲害進行監測。上位機為組態軟件設為主站，下位機PLC相當于從站，通過DTU進行數據傳輸或數據鏈接，將傳感器采集的數據轉換后儲存在PLC相應的數據采集區，上位機可直接通過DTU從數據采集區讀取相應的監測數據。經試驗測試其應用效果，儀器易于操作、靈敏度高、耗能低，觀測界面清晰、可讀性強，可監測到試驗區常見的各類飛蟲，能廣泛適用于易爆發蟲災、可忽略網絡延遲、無需對監測害蟲進行圖譜分析的區域?？蔀檗r林作物的蟲害防治工作提供數據參考，但仍需對傳感器精度控制問題作進一步研究。

太陽能；蟲害監測；控制系統；PLC

0 引言

農林作物蟲災的大面積爆發，會對作物造成不可修復的機械性損傷，直接影響其質量和產量，從而降低作物的經濟價值和生態功能[1]。因此，能否及時對蟲災進行監測和提前預警是蟲害防治工作的關鍵。常用的害蟲監測辦法有人工觀察計數、使用粘蟲板、網絡技術結合監測軟件等。其中人工觀察計數，最為簡便直觀，但費時費力、準確度不高，僅適用于溫室、庭院、苗圃等近距離小范圍農林作物的蟲害監測；粘蟲板或蟲膠的使用，更為環保有效，但針對性過強、廣泛適用性欠缺、監測功能不明顯，不同顏色粘蟲板對不同害蟲的誘集效果相差迥異，因此同樣不適用于遠距離大面積區域的蟲害監測[2-3]；在信息技術飛速發展的今天，互聯網技術與監測軟件相結合的災害預測技術飛速發展，在森林防火、草原生態預警、農田信息監測等領域廣泛應用[4-7]。

應用網絡技術與相應蟲害監測軟件進行災害預測，首先要應用數據無線傳輸技術。Zigbee技術是較為常用的低速、近距離無線通信技術，陳超、周錦榮等[8]利用Zigbee技術和TMS320F28335高速處理器相結合，設計可監測溫濕度、火焰、煙霧情況的火災監測系統。但基于Zigbee技術的無線傳輸技術使用時需要建立基站，不宜在大面積、地形復雜的區域應用。而GPRS技術傳輸速率高，自適應能力強，多用作遠距離數據的無線傳輸。趙文宏[9]、曹軍[10]、賀園園等[11]等利用GPRS技術監測農田的蟲害情況，可觀察到滅殺蟲體的圖片。張恩迪等[12-13]通過GPRS網絡將觀測數據上傳到有固定IP的Web服務器，經終端設備隨時上網獲取監測數據。其網絡技術應用、模塊選取、軟件設計和單片機開發等都較為科學合理，但其應用DATA-LYNX昆蟲計數傳感器所獲取的數據，僅限于通過性激素吸引而來的昆蟲，并通過蟲體撞擊傳感器引發的脈沖進行計數，無法準確判斷監測到的是哪種昆蟲，也難免存在一只昆蟲多次撞擊傳感器的情況造成計數虛高，或者撞擊力度不足無法監測到一部分害蟲。而Holguin[14]等通過基于光敏電阻和紅外傳感相結合的辦法對昆蟲數量進行監測，較單純的使用DATA-LYNX昆蟲計數傳感器更為有效。對已收集的昆蟲進行識別，Karlos Espinoza等[15]通過人工神經網絡與圖像識別技術相結合，能對溫室昆蟲精確識別。李小林等[16]在原有LBP紋理特征提取算法基礎上應用CLBP表達昆蟲紋理特征，最后用KNN算法得到的昆蟲分類準確率高達96.4%。規避了傳統的軟件昆蟲識別技術導出數據模糊、泛泛、只能抽取中間值的不便，得出的結論更為精準。

綜上所述，當前我國無線傳輸技術和昆蟲識別技術的發展都較為完善，但昆蟲計數或數據統計多采用圖像識別或傳感器計數，成本高、難度大，且大多數蟲害監測設備，供電模塊采取常規的光伏設備和儲能電池交替使用的方式，難免存在光能利用率不高或者能量供應不足的情況，影響對蟲害的監測。本設計的太陽能蟲害監測儀，應用高能效光伏設備作為能量來源，可對太陽光進行自動追蹤，根據需要靈活改變工作位置和高度。結合微動控制技術和GPRS技術，在提高光能利用率的前提下，進行稱重和計數相結合的辦法監測蟲害情況，更為合理有效。適用于偏遠山區或林區、果園、苗圃、溫室等可忽略網絡延遲、無需對監測害蟲進行圖譜分析的區域，具有一定的應用價值。

1 儀器總體結構及功能

本設計中的太陽能蟲害監測儀外觀如圖1所示，硬件部分由太陽能光伏系統、滅蟲燈、微動旋轉平臺、電動氣缸和液壓油缸構成，作業時連接PC端配合監測。太陽能光伏系統向儀器提供能量，完成微動旋轉平臺旋轉、電動氣缸移動、黑光燈誘蟲、高壓電網殺蟲，壓力傳感器稱重、紅外計數器計數、控制模塊數據轉換七部分功用。通過強度高、質量輕的鋁型材框架連接太陽能電池板、滅蟲燈、電控箱。應用升降平穩可靠、結構緊湊的液壓油缸實現儀器的升降，以適應光照度條件差(如溫室)或郁閉度較高林分的光能收集。應用定位精準的齒輪式旋轉平臺與太陽能電池板連接，以實現對太陽光的自動追蹤，同時用結構簡單、易于控制的電動氣缸調節太陽能板高度角[17]。其中太陽能電池板功率50 W，儲能用蓄電池規格12 V/55 Ah；選取連接方便、抗干擾能力強的英芯RS422/485串口頭，以及電磁兼容性強的SIMATIC PM207 5A模塊。精度1 MPa的壓力傳感器和2.5 mm高精度DQCL3205光柵紅外計數器。選取勻速控制法對太陽光進行追蹤，近似認為24 h地球自傳一周即太陽方位角上15 °/h或4 min/°勻速運動，由此確定電動旋轉平臺轉速。

儀器主要針對蛾類成蟲等有趨光性的飛蟲，飛蟲滅殺后由傳感器拾取其數目、質量等數據，配合常規昆蟲分類以綜合觀測作業區域的蟲害發生情況。相對于傳統的太陽能設備：其電池板可對太陽光進行自動追蹤，整機作業高度可流暢調節，滅蟲效果可通過PC端實時觀測，其界面清晰、可讀性強。光伏設備的光能利用率高，能廣泛適用于林區、果園、苗圃和溫室等可忽略網絡延遲、無需對監測害蟲進行圖譜分析的區域，能基本監測到試驗季節常見的具有趨光性的害蟲。

1-腳輪；2-電控箱；3-鋁型材框架； 4-液壓油缸；5-滅蟲燈；6-旋轉平臺； 7-太陽能電池板；8-電動推桿。圖1 裝置結構和外觀效果Fig.1 Structure and appearance of the device

2 數據的采集傳輸與分析

2.1 數據的采集與傳輸

圖2 控制系統結構圖Fig.2 Structure of control system

滅蟲數據的采集主要通過壓力傳感器和紅外計數器完成，傳感器采集的數據經模塊轉換為信號后，通過PLC將模擬信號儲存到相應區域，其控制系統結構如圖2所示。其程序設計和部分I/O點設置如圖3、圖4所示。數據傳輸的設計思路為：組態軟件為上位機設為主站，下位機PLC相當于從站；通過DTU進行數據傳輸或數據鏈接，將紅外計數器計量的數據在編程軟件中設定好定值，將壓力傳感器采集的數據通過連接PLC儲存在相應的數據采集區；上位機若要讀取蟲害監測數據，可直接通過DTU從數據采集區讀取傳感器采集的數據，從主站通過DTU提取紅外計數器計量的數據。

圖3 程序界面Fig.3 Program interface

圖4 控制部分I/O點設置Fig.4 I/O point set of control part

2.2 數據的讀取與分析

在進行滅蟲數據讀取之前，先將接收信號和監測使用的PC終端與GPRS模塊進行配置，實際的滅蟲情況即可通過組態軟件以曲線的形式觀察到，如圖5所示，其中X軸表示工作累計時間(單位h)，設定每晚18：00為工作原點，時間依次遞推；Y軸為累積滅殺害蟲后傳感器反饋回的信號，設定為累計壓力換算回重力的物理量(單位mg)；由此可通過曲線的變化情況推測害蟲的發生情況：當試驗地蟲口密度較小時，曲線較為平緩，可通過裝置進行常規蟲害監測；當試驗地蟲口密度較大時，曲線較為陡峭，此時應引起管理部門重視，研究收集到的害蟲種類及數量，預測蟲害的發生，及時采取相應的措施和手段進行蟲害治理。

圖5 終端監測界面Fig.5 Terminal monitoring interface

3 儀器試驗

在東北林業大學實驗林場和中國林科院亞熱帶林業試驗中心分別進行了儀器試驗，成功監測到試驗區常見的害蟲，如圖6所示，其中東北林業大學試驗林場試驗臨近秋季，獲取數據的代表性不強；中國林科院亞熱帶林業試驗中心油茶良種采穗園中的試驗，成功監測到了油茶苗木代表性害蟲茶蠶(AndrcwabipunctataWalker)[19]。2016年油茶苗受茶蠶危害嚴重，主要是茶蠶幼蟲啃食樹葉甚至連同葉柄吃光，不僅危害油茶苗木，對茶樹、山茶也危害嚴重。本次試驗通過儀器滅殺和人工識別成功監測出茶蠶成蟲，而成蟲的大量存在勢必大量產卵造成蟲災，每頭雌蛾一次可產卵百余粒，一年發生2～3代[20-22]，因此，可對下一年茶蠶發生情況進行預測，提前采取應對措施以減輕損失。

通過試驗，發現儀器的實時觀測界面數據波動較大，造成這一現象的主要原因是壓力傳感器和紅外計數器的精度較難控制。本次試驗采用的壓力傳感器精度1 MPa，光柵紅外計數器精度2.5 mm，試驗中，一方面有部分害蟲被誘蟲燈吸引卻并未被高壓電網滅殺，而是直接穿過電網掉落到集蟲盒里，并在集蟲盒中爬行或飛動，因此，造成傳感器數據波動；另一方面也出現害蟲已被滅殺但并未如預期那樣掉落到集蟲盒內，因此，紅外計數器雖然感知但壓力傳感器無法檢測到，或有的害蟲體積過小紅外計數器無法感知；其三還存在一部分害蟲因高壓滅殺后直接粘黏在滅蟲燈上，蟲體沒有落下，因此，紅外計數器和壓力傳感器都無法探測到這一部分害蟲。

圖6 實時監測界面Fig.6 Real-time monitoring interface and collected pests

4 結束語

本設計中的太陽能蟲害監測儀應用PLC技術和GPRS技術，結合太陽能光伏發電技術和微量傳感技術對蟲害進行監測。通過對常用蟲害監測辦法及其各自利弊的分析，有針對性的提出本設計中的裝置更適用于遠距離、大面積區域的蟲害監測，并通過試驗測試結果對儀器進行綜合分析：其易于操作、耗能低，觀測界面清晰、可讀性強，能監測到試驗區常見的各類飛蟲，廣泛適用于林區、農田、果園、苗圃、溫室等易于爆發蟲災的區域，可為農林作物的蟲害防治工作提供數據參考。但仍需對傳感器精度進行深入研究，進一步完善儀器集蟲裝置結構以適應不同害蟲、不同環境的監測。

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Design of the Automatic Tracking Solar Pest Monitoring DeviceControl System

Li Zhiru1，3，Jang Shunan2，Wu Xiaofeng1，3*，Xu Kesheng3，Zhang Beihang1，3，Miao Zhenkun1，3，Li Quangang1，3，Pan Wenting4

(1.Research Institute of Forestry New Technology，Beijing 100091；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040；3.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，the State Forestry Administration，Harbin 150086；4.Subtropical Experimental Center，Chinese Academy of Forestry，Fenyi 336600)

This paper introduced the basic functions and working characteristics of the automatic tracking solar pest monitor，and emphatically expounded its hardware structure，control principle，data collection and transmission，data analysis，etc.PLC and GPRS combined with solar photovoltaic and micro sensor were used for pest monitoring.The host computer was the configuration software served as master station and the slave computer PLC was served as slave station.Through the DTU data transmission or data link，the data collected by the sensor was converted and stored in the corresponding PLC data acquisition area，and the host computer can directly read the data from the data acquisition area through the DTU.By testing the application effect，the device had the advantages of easy operation，high sensitivity，low energy consumption，clear and readable observation interface，which can monitor common types of insects in experiment area.It can be widely used in places where pests outbreak frequently，network delay can be negligible and no need to do atlas analysis of monitoring pests.The device can provide data reference for pest control in crops of agriculture and forest，but there still needed a further study on the sensor precision control problem.

Solar energy；pest monitoring；control system；PLC

2017-01-10

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(CAFINT2015C13)

李芝茹，碩士，工程師。研究方向：林業機械。

*通信作者：吳曉峰，本科，高級工程師。研究方向：林業機械。E-mail：286710269@qq.com

李芝茹，江舒楠，吳曉峰，等.自動追蹤式太陽能蟲害監測儀控制設計[J].森林工程，2017，33(3)：69-73.

TP 391.44

A

1001-005X(2017)03-0069-05