基于紅外探測(cè)的智能燈誘裝置研究＊

郭建軍，林麗君，王克強(qiáng)

基于紅外探測(cè)的智能燈誘裝置研究＊

郭建軍，林麗君，王克強(qiáng)

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510225）

設(shè)計(jì)了一套基于紅外探測(cè)的智能燈誘裝置，它采用太陽能蓄電供電，同時(shí)將紅外探測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能控制等技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程中。首先根據(jù)農(nóng)田面積對(duì)農(nóng)田進(jìn)行分塊處理，并在每一個(gè)分塊內(nèi)布置一套該裝置；然后在蟲害防治過程中，該裝置在中央控制系統(tǒng)的智能控制下可以跨分塊進(jìn)行蟲害防治，并且會(huì)選擇最佳路徑到達(dá)目的地；最后，基于紅外探測(cè)的智能燈誘裝置對(duì)整個(gè)農(nóng)田的蟲害進(jìn)行有效的物理防治，同時(shí)通過手機(jī)平臺(tái)APP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)害蟲信息和植物生長(zhǎng)情況。該裝置有效地減少了田間害蟲的數(shù)量，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，具有很好的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，并且市場(chǎng)應(yīng)用前景良好。

紅外探測(cè)；環(huán)保節(jié)能；物理防治；智能燈誘

在國(guó)外，紅外探測(cè)現(xiàn)已比較成熟地運(yùn)用在預(yù)警及情報(bào)收集領(lǐng)域，導(dǎo)航及目標(biāo)探測(cè)、瞄準(zhǔn)領(lǐng)域，偵察、遙感及目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域。在中國(guó)，紅外探測(cè)器芯片一直受制于西方政府和供應(yīng)商，但現(xiàn)在已突破，能自己生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)的熱探測(cè)器和光子探測(cè)器目前做得較好[1]。

中國(guó)長(zhǎng)期貫徹堅(jiān)持預(yù)防為主的綜合植保方針。隨著農(nóng)業(yè)蟲害發(fā)生逐年加重，農(nóng)藥使用量不斷加大，使用過程中出現(xiàn)的用藥劑量、用藥次數(shù)、用藥時(shí)機(jī)和用藥殘留等問題正逐年增多，加上人們的食品安全意識(shí)不斷增強(qiáng)，對(duì)綠色、無公害食品的需求越來越大，迫切需要一種既能殺蟲又無害的除蟲方式[2]。目前已有方法中，利用昆蟲的趨光性，應(yīng)用燈光誘殺農(nóng)業(yè)害蟲是一項(xiàng)重要的物理防治措施，也是綜合防治的重要組成部分[3-4]。

基于此，提出“基于紅外探測(cè)的智能燈誘裝置研究”，該裝置利用紅外探測(cè)技術(shù)對(duì)田間蟲害信息進(jìn)行采集，并上傳給中央控制系統(tǒng)；中央控制系統(tǒng)根據(jù)智能監(jiān)測(cè)所收集的各種蟲害信息，對(duì)燈誘裝置進(jìn)行智能控制，對(duì)其進(jìn)行路徑優(yōu)化，在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)蟲害最嚴(yán)重的地方，對(duì)蟲害進(jìn)行有效防治。該裝置采用弱光性太陽能電池板、免維護(hù)鎳氫電池技術(shù)，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存?zhèn)溆茫米罴巡ㄩL(zhǎng)、瞬間多變的光色及光波共振原理誘殺害蟲。在蟲害防治過程中，通過GSM信息平臺(tái)，可以將田間信息傳輸?shù)绞謾C(jī)平臺(tái)，并且通過手機(jī)平臺(tái)可定時(shí)檢測(cè)害蟲信息和植物生長(zhǎng)情況，手機(jī)平臺(tái)通過中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令到智能燈誘裝置，使其執(zhí)行相關(guān)指令，從而使燈誘設(shè)備在整個(gè)田間進(jìn)行宏觀協(xié)調(diào)分配，最終達(dá)到手機(jī)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制的目的。該研究將從中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、紅外蟲害數(shù)量探測(cè)與定位子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空中軌道靜音移動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能太陽能蓄電供電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、燈誘殺蟲裝置設(shè)計(jì)、手機(jī)平臺(tái)控制系統(tǒng)六個(gè)方面展開。

1 中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中央控制是整個(gè)裝置的控制核心，對(duì)燈誘裝置進(jìn)行宏觀智能控制，它可以分析從紅外害蟲數(shù)量探測(cè)與定位系統(tǒng)傳回來的數(shù)據(jù)，確定燈誘裝置放置于田間的位置；可以規(guī)劃出燈誘裝置的移動(dòng)路徑；可以連接網(wǎng)絡(luò)，向用戶實(shí)時(shí)發(fā)送田間害蟲的分布情況，并可以根據(jù)用戶指令調(diào)度燈誘裝置；可以分析從太陽能蓄電系統(tǒng)傳回來的電池?cái)?shù)據(jù)，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行智能供電。

2 紅外害蟲數(shù)量探測(cè)與定位子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外害蟲數(shù)量探測(cè)與定位系統(tǒng)是一個(gè)集紅外害蟲數(shù)量探測(cè)和害蟲群定位于一體的系統(tǒng)，它可以不間斷地探測(cè)田間一定區(qū)域內(nèi)的害蟲數(shù)量，并對(duì)該區(qū)域內(nèi)害蟲數(shù)量持續(xù)較多的范圍進(jìn)行定位，最后將這些信息傳送至中央控制系統(tǒng)。一個(gè)完整的紅外害蟲數(shù)量探測(cè)與定位子系統(tǒng)可以分為兩部分：探測(cè)部分和分析部分。探測(cè)部分由4個(gè)熱成像儀構(gòu)成，置于軌道框架的四角，拍攝田間全方位熱像圖；分析部分由單片機(jī)運(yùn)算系統(tǒng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)分析熱成像儀傳回的圖像，通過視覺技術(shù)，計(jì)算害蟲數(shù)與定位較大害蟲群所處區(qū)域，并向中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳送相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

3 空中軌道靜音移動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空中軌道靜音移動(dòng)子系統(tǒng)主要由懸掛式單軌和軌道小車構(gòu)成。其中，懸掛式單軌是一種軌道為一條帶形的梁體，軌道小車是懸掛于軌道梁下運(yùn)行的交通工具。該空中軌道交通系統(tǒng)包括軌道、支架等，其特征在于軌道安裝在支架里，與地面保持足夠的距離。

布局地點(diǎn)及線路狀況：含線別、架空線路數(shù)量及名稱、線間距、相鄰線路軌面高差、直線或曲線、曲線地段的計(jì)劃及實(shí)際的半徑和正矢。為了讓位置比較準(zhǔn)確且易于確定，總體上將實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)整體劃分成多個(gè)方塊區(qū)域，再在每一個(gè)方塊單位里面設(shè)定軌道時(shí)采用足球烯的幾何結(jié)構(gòu)。

根據(jù)足球烯晶向族求和與線性鏈內(nèi)聚能的概念，可求出足球烯晶向族內(nèi)晶向上排列的最小間距，對(duì)此可以將足球烯晶向族比擬為昆蟲，足球烯晶向族數(shù)量對(duì)應(yīng)為昆蟲數(shù)量。這種描述方法適用于對(duì)分布在足球烯中昆蟲數(shù)量求和的計(jì)算，可運(yùn)用物理函數(shù)以及數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算出智能燈誘裝置跨分塊進(jìn)行蟲害防治的最優(yōu)運(yùn)行路徑，從而快速到達(dá)指定位置。

選擇懸掛式單軌小車攜帶智能燈誘裝置并固定，根據(jù)紅外探測(cè)儀上所顯示的坐標(biāo)位置，經(jīng)過中央控制系統(tǒng)計(jì)算得出最優(yōu)路徑，軌道小車沿著軌道行駛至指定位置，智能燈誘裝置將對(duì)預(yù)定位置進(jìn)行綠色蟲害防治。為了降低噪聲，采用無刷直流電動(dòng)機(jī)低噪聲驅(qū)動(dòng)技術(shù)，原來的矩形波驅(qū)動(dòng)方式更換為正弦波驅(qū)動(dòng)方式，而采用的正弦波驅(qū)動(dòng)方式比矩形波驅(qū)動(dòng)方式噪聲更低。

4 智能太陽能蓄電供電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能太陽能蓄電供電子系統(tǒng)是一個(gè)集蓄電與供電一體的系統(tǒng)，它白天通過太陽能電池板向蓄電組充電，晚上則通過蓄電池組向整套系統(tǒng)供電。智能電池組管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組的電壓、電流等各方面情況，保護(hù)電池組和整套設(shè)備，并把相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至中央控制系統(tǒng)，也可以連接市電電網(wǎng)，當(dāng)蓄電池組沒電時(shí)，用以應(yīng)急供電。智能太陽能蓄電供電子系統(tǒng)分為三部分：充電部分、蓄電供電部分和智能控制部分。充電部分由太陽能電池板與變壓器構(gòu)成，蓄電供電部分由蓄電池組與向其他系統(tǒng)的供電接口構(gòu)成，智能控制系統(tǒng)由各電池電路傳感器和單片機(jī)構(gòu)成。

5 燈誘殺蟲裝置設(shè)計(jì)

殺蟲燈具是利用（365±50）nm波長(zhǎng)紫外光對(duì)昆蟲具有激備較強(qiáng)的趨光、趨波、趨色、趨性的特性原理，確定對(duì)昆蟲的誘導(dǎo)波長(zhǎng)，研制專用光源，利用放電產(chǎn)生的低溫等離子體、紫外光輻射對(duì)害蟲間生的趨光興奮效應(yīng)，引誘害蟲撲向燈的光源，光源外配置高壓擊殺網(wǎng)，殺死害蟲，使害蟲落下專用的接蟲袋內(nèi)，達(dá)到滅殺害蟲的目的。本燈具利用太陽能供電，在控制器的控制下，白天太陽能電池板向蓄電池組充電，晚上蓄電池組提供電力給殺光燈負(fù)載。控制器在任何情況下（陽光充足或長(zhǎng)期陰雨天）都能確保蓄電池組不因過充或過放而損壞，同時(shí)具備光控時(shí)控聲控溫度補(bǔ)償及防雷反極性保護(hù)等功能。

6 手機(jī)平臺(tái)控制系統(tǒng)

將手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制應(yīng)用在中央控制系統(tǒng)中能夠使農(nóng)戶脫離現(xiàn)場(chǎng)，隨時(shí)隨地接收農(nóng)田內(nèi)害蟲信息。實(shí)現(xiàn)了一種基于STM-32型單片機(jī)嵌入式的智能紅外燈誘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，借助EMCP物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，結(jié)合Windows遠(yuǎn)程桌面平臺(tái)及手機(jī)APP遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。建立基于CC2430的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口傳遞信息。將傳感器通過485總線連接GM10-DTU模塊的485通訊端口上，無線傳感器可將無線網(wǎng)關(guān)接到GM10-DTU模塊上。嵌入式控制器與GM10-DTU通過接口相連接，并且在GM10內(nèi)置一張GPRS數(shù)據(jù)卡就能和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，田間現(xiàn)場(chǎng)采集終端通過232/485連接后，GM10模塊會(huì)自動(dòng)采集各傳感器的測(cè)量值，并將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紼MCP物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。手機(jī)借助云聯(lián)物通APP，就可以將紅外設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)了，無論身處何地打開手機(jī)隨時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)害蟲信息。手機(jī)APP能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)、查看數(shù)據(jù)、定時(shí)采集環(huán)境信息以及指定小車到指定位置等功能。服務(wù)器端能夠準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)信息，存儲(chǔ)查詢信息，發(fā)送控制命令。手機(jī)端使用數(shù)據(jù)流量上網(wǎng)，通過APP能夠達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控效果。

7 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套設(shè)施農(nóng)業(yè)中太陽能蓄電供電的智能燈誘裝置，同時(shí)將紅外探測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能控制等技術(shù)應(yīng)用該設(shè)計(jì)中。該裝置應(yīng)用誘蟲燈集中消滅大量有效蟲源，迫使大量害蟲回避離去，利用紅外線探測(cè)裝置探測(cè)害蟲位置并通過中央控制系統(tǒng)智能地控制，讓燈誘裝置能夠?qū)φ麄€(gè)農(nóng)田的蟲害進(jìn)行有效的物理防治。手機(jī)APP能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)、查看數(shù)據(jù)、定時(shí)采集環(huán)境信息以及指定小車到指定位置等功能。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能物理殺蟲，能夠應(yīng)用于各種不同的農(nóng)田，并能智能應(yīng)對(duì)各種情況，對(duì)發(fā)展中國(guó)的生態(tài)農(nóng)業(yè)有現(xiàn)實(shí)意義。

［1］史衍麗.第三代紅外探測(cè)器的發(fā)展與選擇［J］.紅外技術(shù)，2013，35（1）：1-8.

［2］馬鵬鵬.基于圖像的水稻燈誘害蟲智能識(shí)別與計(jì)數(shù)技術(shù)的研究［D］.杭州：浙江理工大學(xué)，2018.

［3］冼鼎翔，姚青，楊保軍，等.基于圖像的水稻燈誘害蟲自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的研究［J］.中國(guó)水稻科學(xué)，2015，29（3）：299-304.

［4］袁若辰，王連震，艾雨豪，等.基于紅外探測(cè)和無線傳輸?shù)牡叵虏次伙@示裝置［J］.通信技術(shù)，2019，52（5）：1263-1267.

S24

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.016

2095－6835（2019）17－0038－02

郭建軍（1982—），男，河北邯鄲人，博士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化。

廣東省本科高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（編號(hào)：2018A022758）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（編號(hào)：201802048037、201802299045）；優(yōu)秀博士人才專項(xiàng)資助經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（編號(hào)：KA180530512）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：KA1721404）；2017年大學(xué)生創(chuàng)新基金立項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：2017A37、2017A39、2017A42）；2017年大學(xué)生創(chuàng)業(yè)基金立項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：2017WCY19）

〔編輯：王霞〕