郭建軍，林麗君，王克強

基于紅外探測的智能燈誘裝置研究＊

郭建軍，林麗君，王克強

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 自動化學院，廣東 廣州 510225）

設(shè)計了一套基于紅外探測的智能燈誘裝置，它采用太陽能蓄電供電，同時將紅外探測、實時監(jiān)測與智能控制等技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計過程中。首先根據(jù)農(nóng)田面積對農(nóng)田進行分塊處理，并在每一個分塊內(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行蟲害防治，并且會選擇最佳路徑到達目的地；最后，基于紅外探測的智能燈誘裝置對整個農(nóng)田的蟲害進行有效的物理防治，同時通過手機平臺APP實時監(jiān)測害蟲信息和植物生長情況。該裝置有效地減少了田間害蟲的數(shù)量，提高了勞動生產(chǎn)率，具有很好的生態(tài)優(yōu)勢，并且市場應(yīng)用前景良好。

紅外探測；環(huán)保節(jié)能；物理防治；智能燈誘

在國外，紅外探測現(xiàn)已比較成熟地運用在預警及情報收集領(lǐng)域，導航及目標探測、瞄準領(lǐng)域，偵察、遙感及目標識別領(lǐng)域。在中國，紅外探測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)，國內(nèi)的熱探測器和光子探測器目前做得較好[1]。

中國長期貫徹堅持預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)、用藥時機和用藥殘留等問題正逐年增多，加上人們的食品安全意識不斷增強，對綠色、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“基于紅外探測的智能燈誘裝置研究”，該裝置利用紅外探測技術(shù)對田間蟲害信息進行采集，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)測所收集的各種蟲害信息，對燈誘裝置進行智能控制，對其進行路徑優(yōu)化，在最短的時間內(nèi)到達蟲害最嚴重的地方，對蟲害進行有效防治。該裝置采用弱光性太陽能電池板、免維護鎳氫電池技術(shù)，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能儲存?zhèn)溆?，利用最佳波長、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，可以將田間信息傳輸?shù)绞謾C平臺，并且通過手機平臺可定時檢測害蟲信息和植物生長情況，手機平臺通過中央控制系統(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)備在整個田間進行宏觀協(xié)調(diào)分配，最終達到手機平臺遠程控制的目的。該研究將從中央控制系統(tǒng)設(shè)計、紅外蟲害數(shù)量探測與定位子系統(tǒng)設(shè)計、空中軌道靜音移動子系統(tǒng)設(shè)計、智能太陽能蓄電供電子系統(tǒng)設(shè)計、燈誘殺蟲裝置設(shè)計、手機平臺控制系統(tǒng)六個方面展開。

1 中央控制系統(tǒng)設(shè)計

中央控制是整個裝置的控制核心，對燈誘裝置進行宏觀智能控制，它可以分析從紅外害蟲數(shù)量探測與定位系統(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路徑；可以連接網(wǎng)絡(luò)，向用戶實時發(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)傳回來的電池數(shù)據(jù)，對各子系統(tǒng)進行智能供電。

2 紅外害蟲數(shù)量探測與定位子系統(tǒng)設(shè)計

紅外害蟲數(shù)量探測與定位系統(tǒng)是一個集紅外害蟲數(shù)量探測和害蟲群定位于一體的系統(tǒng)，它可以不間斷地探測田間一定區(qū)域內(nèi)的害蟲數(shù)量，并對該區(qū)域內(nèi)害蟲數(shù)量持續(xù)較多的范圍進行定位，最后將這些信息傳送至中央控制系統(tǒng)。一個完整的紅外害蟲數(shù)量探測與定位子系統(tǒng)可以分為兩部分：探測部分和分析部分。探測部分由4個熱成像儀構(gòu)成，置于軌道框架的四角，拍攝田間全方位熱像圖；分析部分由單片機運算系統(tǒng)構(gòu)成，負責分析熱成像儀傳回的圖像，通過視覺技術(shù)，計算害蟲數(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)計傳送相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

3 空中軌道靜音移動子系統(tǒng)設(shè)計

空中軌道靜音移動子系統(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、曲線地段的計劃及實際的半徑和正矢。為了讓位置比較準確且易于確定，總體上將實驗地點整體劃分成多個方塊區(qū)域，再在每一個方塊單位里面設(shè)定軌道時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)量對應(yīng)為昆蟲數(shù)量。這種描述方法適用于對分布在足球烯中昆蟲數(shù)量求和的計算，可運用物理函數(shù)以及數(shù)學函數(shù)計算出智能燈誘裝置跨分塊進行蟲害防治的最優(yōu)運行路徑，從而快速到達指定位置。

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

4 智能太陽能蓄電供電子系統(tǒng)設(shè)計

智能太陽能蓄電供電子系統(tǒng)是一個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)可實時監(jiān)測電池組的電壓、電流等各方面情況，保護電池組和整套設(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)，當蓄電池組沒電時，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構(gòu)成。

5 燈誘殺蟲裝置設(shè)計

殺蟲燈具是利用（365±50）nm波長紫外光對昆蟲具有激備較強的趨光、趨波、趨色、趨性的特性原理，確定對昆蟲的誘導波長，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載。控制器在任何情況下（陽光充足或長期陰雨天）都能確保蓄電池組不因過充或過放而損壞，同時具備光控時控聲控溫度補償及防雷反極性保護等功能。

6 手機平臺控制系統(tǒng)

將手機APP遠程控制應(yīng)用在中央控制系統(tǒng)中能夠使農(nóng)戶脫離現(xiàn)場，隨時隨地接收農(nóng)田內(nèi)害蟲信息。實現(xiàn)了一種基于STM-32型單片機嵌入式的智能紅外燈誘遠程監(jiān)控系統(tǒng)，借助EMCP物聯(lián)網(wǎng)云平臺，結(jié)合Windows遠程桌面平臺及手機APP遠程網(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)進行通信，田間現(xiàn)場采集終端通過232/485連接后，GM10模塊會自動采集各傳感器的測量值，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。手機借助云聯(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隨時監(jiān)控現(xiàn)場害蟲信息。手機APP能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時監(jiān)測、控制外圍執(zhí)行機構(gòu)、查看數(shù)據(jù)、定時采集環(huán)境信息以及指定小車到指定位置等功能。服務(wù)器端能夠準確轉(zhuǎn)發(fā)信息，存儲查詢信息，發(fā)送控制命令。手機端使用數(shù)據(jù)流量上網(wǎng)，通過APP能夠達到遠程監(jiān)控效果。

7 結(jié)語

本文設(shè)計了一套設(shè)施農(nóng)業(yè)中太陽能蓄電供電的智能燈誘裝置，同時將紅外探測、實時監(jiān)測與智能控制等技術(shù)應(yīng)用該設(shè)計中。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，利用紅外線探測裝置探測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€農(nóng)田的蟲害進行有效的物理防治。手機APP能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時監(jiān)測、控制外圍執(zhí)行機構(gòu)、查看數(shù)據(jù)、定時采集環(huán)境信息以及指定小車到指定位置等功能。本設(shè)計實現(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)對各種情況，對發(fā)展中國的生態(tài)農(nóng)業(yè)有現(xiàn)實意義。

［1］史衍麗.第三代紅外探測器的發(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別與計數(shù)技術(shù)的研究［D］.杭州：浙江理工大學，2018.

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

［4］袁若辰，王連震，艾雨豪，等.基于紅外探測和無線傳輸?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，研究方向為機器視覺、農(nóng)業(yè)自動化。

廣東省本科高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（編號：2018A022758）；教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（編號：201802048037、201802299045）；優(yōu)秀博士人才專項資助經(jīng)費項目（編號：KA180530512）；廣東省科技計劃項目（編號：KA1721404）；2017年大學生創(chuàng)新基金立項項目（編號：2017A37、2017A39、2017A42）；2017年大學生創(chuàng)業(yè)基金立項項目（編號：2017WCY19）

〔編輯：王霞〕