基于紅外傳感器的實蠅類害蟲實時監(jiān)測裝置的設計

梁勇 趙健 林營志 陳世雄 池美香 邱榮洲

摘要：監(jiān)測實蠅類害蟲發(fā)生動態(tài)，是對其有效防控的基本前提。設計出1種可自動誘捕與計數(shù)的實蠅類害蟲實時監(jiān)測裝置，為提高實蠅類害蟲監(jiān)測和預測預報的準確度與時效性提供了1種新裝備。該裝置由害蟲誘殺裝置、紅外計數(shù)傳感器、紅外計數(shù)遠程測控儀、實時監(jiān)測軟件等組成，利用特定引誘物、發(fā)光二極管（LED）光源對實蠅誘集的特性，采用紅外傳感器進行實時計數(shù)。選取橘小實蠅進行裝置測試試驗，在實驗室環(huán)境下測試實時監(jiān)測系統(tǒng)的檢測成功率。試驗結(jié)果表明，該裝置可以實時獲取進入紅外計數(shù)感應區(qū)的實蠅數(shù)量，當時間間隔≥7 s時，實時監(jiān)測系統(tǒng)的檢測成功率為98%。利用該裝置可以實現(xiàn)通過手機查詢實蠅類害蟲實時蟲量、小時蟲量和日蟲量的統(tǒng)計匯總數(shù)據(jù)，方便用戶及時、準確地得知實蠅類害蟲發(fā)生的動態(tài)變化，掌握實蠅的發(fā)生規(guī)律。

關鍵詞：實蠅;紅外計數(shù);自動誘捕;發(fā)光二極管（LED）;實時監(jiān)測;軟件設計

中圖分類號： S126;TP212.9文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0230-05

收稿日期：2019-12-02

基金項目：中央引導地方科技發(fā)展專項（編號：2017L3007）;福建省農(nóng)業(yè)科學院科研項目（編號：A2017-28）;福建省農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新團隊（編號：STIT2018-1-8）。

作者簡介：梁?勇（1986—），男，福建福州人，碩士，助理農(nóng)藝師，主要從事植保技術(shù)研究。Tel：（0591）87572332;E-mail：278017592@qq.com。

通信作者：邱榮洲，碩士，副研究員，主要從事數(shù)字植保技術(shù)研究。Tel：（0591）87572332;E-mail：49497479@qq.com。

實蠅是雙翅目（Diptera）實蠅科（Tephritidae）昆蟲的統(tǒng)稱，是水果和蔬菜類作物的重要害蟲，被世界上許多國家和地區(qū)列為重要檢疫性有害生物。我國是世界上受實蠅危害較重的國家之一，其中危害果蔬的重要優(yōu)勢種有橘小實蠅（Bactrocera dorsalis Hendel）、橘大實蠅（B. minax Enderlein）、瓜實蠅（B. cucurbitae Coquillett）、南瓜實蠅（B. tau Walker）和番石榴果實蠅（B. correcta Bezzi）等[1]，每年給我國果蔬產(chǎn)業(yè)造成重大經(jīng)濟損失[2-3]。監(jiān)測實蠅發(fā)生動態(tài)，是對其有效防控的基本前提。實蠅的監(jiān)測手段主要是采集腐爛脫落的蟲果，或借助特定的引誘物（如實蠅性誘劑和食物誘餌）以及相應的誘捕器進行誘捕監(jiān)測，并通過定期人工統(tǒng)計實蠅成蟲數(shù)量。該方法以人工調(diào)查為主，需要大量勞動力，且無法對田間蟲害情況進行快速監(jiān)測[4]。

為了解決害蟲監(jiān)測上費時費力的問題，新的監(jiān)測技術(shù)不斷被探索[5]。隨著計算機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的發(fā)展，目前農(nóng)業(yè)害蟲自動識別與監(jiān)測技術(shù)主要有圖像識別、聲音信號識別、雷達識別、紅外計數(shù)等[6-7]。基于圖像的昆蟲自動識別與計數(shù)的研究通過無線網(wǎng)絡將田間高清害蟲照片傳輸?shù)街骺仄脚_中，在主控平臺中對農(nóng)田中常見的害蟲實現(xiàn)特征提取和識別[8-9]。燈光和色板誘蟲譜廣，適用于監(jiān)測點昆蟲多樣性調(diào)查[10]。朱世明等利用基于光學暗場反射測量的光學遙感技術(shù)探測飛行的農(nóng)業(yè)害蟲[11]。基于紅外傳感器的昆蟲自動識別與計數(shù)的研究采用含有性信息素的誘捕器進行害蟲的誘捕，害蟲落入紅外傳感器后，形成計數(shù)脈腫，觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)[12-13]。

誘捕器配合使用的紅外自動計數(shù)技術(shù)因具有低成本、低功耗等優(yōu)點，是害蟲測報中不錯的技術(shù)選擇，在梨小食心蟲、橘小實蠅、斜紋夜蛾等鱗翅目害蟲的自動監(jiān)測中進行了試驗與應用[14-16]。本研究利用特定引誘物、LED光源對實蠅誘集的特性，采用紅外傳感器進行實時計數(shù)，設計出1種的可自動誘捕與計數(shù)的實蠅類害蟲實時監(jiān)測裝置，為實時獲取害蟲發(fā)生數(shù)量的動態(tài)數(shù)據(jù)，掌握害蟲的發(fā)生規(guī)律提供1種新裝備。

1?系統(tǒng)總體設計

本害蟲實時監(jiān)測裝置總體上可分為3個部分：數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)服務端、數(shù)據(jù)查詢端。數(shù)據(jù)采集端主要由害蟲誘殺裝置、紅外計數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）、太陽能供應組件等組成，電源由太陽能板供電，蓄電池作為不間斷電源，結(jié)構(gòu)如圖1所示。害蟲誘殺裝置有LED燈版、性誘劑、高壓電網(wǎng)、進蟲盒等零部件。主要原理是利用昆蟲間化學通信和物理學反應來引誘昆蟲進入高壓電網(wǎng)，當觸碰到電網(wǎng)后，會被高壓擊倒，掉入紅外計數(shù)感覺區(qū)，觸發(fā)紅外計數(shù)傳感器計數(shù)，最后DTU將計數(shù)結(jié)果通過4G網(wǎng)絡上傳到數(shù)據(jù)服務器。軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)服務接口和手機查詢客戶端組成，采用JAVA、SQL Server、Apache開發(fā)，管理人員可以通過手機或PC端進行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

2?終端硬件設計

2.1?LED燈板

LED燈板由鋁基板、LED燈珠、導光板組成（圖2）。鋁基板采用雙面設計，結(jié)構(gòu)為電路層、絕緣層、鋁基、絕緣層、電路層，在雙面板上同時設置LED燈珠，光線誘集面積更大，誘引效果更好。可用于昆蟲誘捕的特定波長有：紅（波長640 nm±10 nm）、黃（波長575 nm±10 nm）、綠（波長520 nm±10 nm）、青（波長490 nm±10 nm）、藍（波長465 nm±10 nm）、紫（波長430 nm±10 nm）等。LED燈珠使用特定波長的顏色時，就可誘引趨向特定波長顏色的多種昆蟲。本設計利用實蠅類昆蟲趨黃光特性，選用黃色（波長575 nm±10 nm）LED燈珠，8個燈珠均勻分布在鋁基板的雙面上，兩面的LED燈珠再覆蓋1層導光板。導光板可以把LED燈珠光源轉(zhuǎn)化成面光源，使光線散布得更為均勻，當LED燈板垂直安裝時，兩面照射的范圍近似于360°，對趨光性昆蟲的誘引效果更佳。LED雙面燈板的輸入電源為直流電5 V，使用弱電電源供電，安全性更高。對LED雙面燈板進行光譜測試，光譜測定的主波長為582.4 nm，符合特定波長黃色（波長575 nm±10 nm）的范圍。

2.2?逆變電路及高壓模塊

逆變電路由電源組件、高頻振蕩器、五倍壓整流電路和高壓電網(wǎng)組成（圖3）。三極管Q1和變壓器T1構(gòu)成的自激振蕩電路，將3.3 V直流電逆變成高頻交流電，在T1的高壓繞組N3兩端得到約AC 500 V的電壓，再經(jīng)D1-D5、C1-C5組成的五倍壓整流電路升高到DC 2 500 V左右，加到環(huán)形電網(wǎng)上，當害蟲觸碰電網(wǎng)相鄰兩極時，蟲體造成電網(wǎng)短路，立即被電弧擊暈或擊斃。

電源組件是由LM2596-3.3 V穩(wěn)壓芯片和少數(shù)幾個元器件組成（圖4）。LM2596系列是德州儀器（TI）生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓芯片，電路如圖5所示，內(nèi)含固定頻率振蕩器（150 kHz）

和基準穩(wěn)壓器（1.23 V），將輸出電壓的分壓電阻網(wǎng)絡的輸出同內(nèi)部基準穩(wěn)壓值1.23 V進行比較，若電壓有偏差，則可用放大器控制內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定，使環(huán)形電網(wǎng)可以獲得穩(wěn)定的高電壓。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路，可提供3.3、5、12 V及可調(diào)（-ADJ）等多個電壓檔次。本設計采用12 V太陽能電池組供電，由于太陽能電池組充電會隨著電量消耗而上下波動，根據(jù)自激振蕩電路的需要，選用3.3 V穩(wěn)壓芯片，將太陽能電池組提供的不穩(wěn)定電壓保持穩(wěn)定輸出。

2.3?紅外計數(shù)傳感器模塊

紅外計數(shù)傳感器計數(shù)原理是用紅外中斷傳感器感知害蟲進入監(jiān)測區(qū)引起的電阻特性差異。使用940 nm波段的紅外發(fā)射管，由多組紅外發(fā)射管和多組紅外接收管形成一個紅外檢測層，紅外接收管將紅外線光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出，只要有害蟲通過紅外檢測層，紅外接收管接收到的紅外線就有部分被遮擋，輸出的電信號就會發(fā)生變化，根據(jù)電信號的變化量對害蟲進行計數(shù)。如圖6，每當害蟲個體大小L，通過紅外檢測層A2位置時，引起電信號的變化，電信號變化的數(shù)量即為害蟲通過的數(shù)量。

害蟲數(shù)量數(shù)據(jù)由害蟲監(jiān)測紅外計數(shù)遠程測控儀采集，再由測控儀發(fā)送到中心服務器（圖7）。

2.4?紅外計數(shù)遠程測控儀

害蟲監(jiān)測紅外計數(shù)遠程測控儀集成了微控制器、GPRS通信模塊、主控電路等（圖8）。害蟲監(jiān)測紅外計數(shù)遠程測控儀可實現(xiàn)紅外計數(shù)采集，通過GPRS通信模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務器。害蟲監(jiān)測紅外計數(shù)遠程測控儀的微控制器為意法半導體的STM8S系列主流8位微控制器，適于工業(yè)、消費類和計算機市場的多種應用，特別是要實現(xiàn)大批量應用的情況。基于STM8專有內(nèi)核，STM8S系列8位微控制器采用ST的130 nm工藝技術(shù)和先進內(nèi)核架構(gòu)，主頻達到24 MHz，處理能力高達20 MIPS。當電源電壓為12 V時，工作電流在0.018～0.1 A之間，實現(xiàn)低功耗。主要參數(shù)指標如表1所示。

3?系統(tǒng)軟件設計

害蟲監(jiān)測模塊服務器無線數(shù)據(jù)中繼軟件監(jiān)測中心服務器，接收并存儲設備上傳數(shù)據(jù)，下發(fā)配置參數(shù)。軟件以Service形式后臺運行，通過配置文件和指定的SQL Server數(shù)據(jù)表加載用戶配置。系統(tǒng)定義容量10 kB，在網(wǎng)容量1 kB，網(wǎng)絡側(cè)吞吐量0.1 kB/s，還具備數(shù)據(jù)庫寫入緩沖功能，緩沖容量90 kB，緩沖區(qū)持久存儲有效期48 h。數(shù)據(jù)查詢端應用HTML5移動開發(fā)技術(shù)，設計開發(fā)跨平臺的手機查詢系統(tǒng)軟件，為用戶提供當前蟲量實時查看工具，包括最近24 h內(nèi)的小時匯總蟲量和最近30 d內(nèi)的每天匯總蟲量。

4?系統(tǒng)測試

在實驗室環(huán)境下，將田間誘集到的橘小實蠅帶回實驗室，放入-18 ℃冰凍室將活蟲凍死后取出，然后開啟害蟲實時監(jiān)測裝置，投放間隔時間分為5、6、7、8、9 s，每個時間間隔分別投入100只橘小實蠅進入監(jiān)測裝置。測試結(jié)果表明，當時間間隔為5 s時，利用實時監(jiān)測系統(tǒng)檢測出的橘小實蠅成功率為56%;當時間間隔為6 s時，橘小實蠅檢測成功率為84%;當時間間隔為7 s時，橘小實蠅檢測成功率為98%;當時間間隔為8 s和9 s時，橘小實蠅檢測成功率均為100%（圖9）。

5?結(jié)論

本研究開發(fā)了1種基于紅外傳感器的實蠅類害蟲實時監(jiān)測裝置，裝置包括害蟲誘殺裝置、紅外計數(shù)傳感器、紅外計數(shù)遠程測控儀、配套軟件系統(tǒng)等，實現(xiàn)了實蠅類害蟲的自動誘捕與計數(shù)。在實驗室環(huán)境下試驗數(shù)據(jù)表明，害蟲監(jiān)測紅外計數(shù)遠程測控儀接收和發(fā)送1條數(shù)據(jù)的時間間隔為6 s，當時間間隔小于6 s時，實時監(jiān)測系統(tǒng)檢測出的橘小實蠅數(shù)量會比人工少，存在數(shù)據(jù)漏報，當時間間隔≥7 s 時，實時監(jiān)測系統(tǒng)的檢測成功率為98%。系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了通過手機查詢實時蟲量、小時蟲量和日蟲量的統(tǒng)計匯總數(shù)據(jù)，方便用戶及時、準確地得知害蟲發(fā)生的動態(tài)變化，掌握害蟲的發(fā)生規(guī)律。本裝置針對實蠅白天活動的生活習性，以LED為光源，采用太陽能電池板直接供電，不僅減少了蓄電池的使用，保護環(huán)境，還可以節(jié)約設備功耗，降低項目建設成本。目前本系統(tǒng)僅在實驗室環(huán)境下測試，尚未在大田害蟲種類繁多、蟲態(tài)及其高溫、多雨等復雜多變的環(huán)境開展相關試驗，設備運行穩(wěn)定性、適用性需要在后續(xù)的工作中進一步驗證完善。

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