基于紅外傳感器的實(shí)蠅類害蟲(chóng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

梁勇 趙健 林營(yíng)志 陳世雄 池美香 邱榮洲

摘要：監(jiān)測(cè)實(shí)蠅類害蟲(chóng)發(fā)生動(dòng)態(tài)，是對(duì)其有效防控的基本前提。設(shè)計(jì)出1種可自動(dòng)誘捕與計(jì)數(shù)的實(shí)蠅類害蟲(chóng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，為提高實(shí)蠅類害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度與時(shí)效性提供了1種新裝備。該裝置由害蟲(chóng)誘殺裝置、紅外計(jì)數(shù)傳感器、紅外計(jì)數(shù)遠(yuǎn)程測(cè)控儀、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件等組成，利用特定引誘物、發(fā)光二極管（LED）光源對(duì)實(shí)蠅誘集的特性，采用紅外傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)。選取橘小實(shí)蠅進(jìn)行裝置測(cè)試試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)成功率。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以實(shí)時(shí)獲取進(jìn)入紅外計(jì)數(shù)感應(yīng)區(qū)的實(shí)蠅數(shù)量，當(dāng)時(shí)間間隔≥7 s時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)成功率為98%。利用該裝置可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)查詢實(shí)蠅類害蟲(chóng)實(shí)時(shí)蟲(chóng)量、小時(shí)蟲(chóng)量和日蟲(chóng)量的統(tǒng)計(jì)匯總數(shù)據(jù)，方便用戶及時(shí)、準(zhǔn)確地得知實(shí)蠅類害蟲(chóng)發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化，掌握實(shí)蠅的發(fā)生規(guī)律。

關(guān)鍵詞：實(shí)蠅;紅外計(jì)數(shù);自動(dòng)誘捕;發(fā)光二極管（LED）;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： S126;TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）04-0230-05

收稿日期：2019-12-02

基金項(xiàng)目：中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)（編號(hào)：2017L3007）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研項(xiàng)目（編號(hào)：A2017-28）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（編號(hào)：STIT2018-1-8）。

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

為了解決害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)上費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，新的監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷被探索[5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的發(fā)展，目前農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)自動(dòng)識(shí)別與監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有圖像識(shí)別、聲音信號(hào)識(shí)別、雷達(dá)識(shí)別、紅外計(jì)數(shù)等[6-7]?；趫D像的昆蟲(chóng)自動(dòng)識(shí)別與計(jì)數(shù)的研究通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將田間高清害蟲(chóng)照片傳輸?shù)街骺仄脚_(tái)中，在主控平臺(tái)中對(duì)農(nóng)田中常見(jiàn)的害蟲(chóng)實(shí)現(xiàn)特征提取和識(shí)別[8-9]。燈光和色板誘蟲(chóng)譜廣，適用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)昆蟲(chóng)多樣性調(diào)查[10]。朱世明等利用基于光學(xué)暗場(chǎng)反射測(cè)量的光學(xué)遙感技術(shù)探測(cè)飛行的農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)[11]?；诩t外傳感器的昆蟲(chóng)自動(dòng)識(shí)別與計(jì)數(shù)的研究采用含有性信息素的誘捕器進(jìn)行害蟲(chóng)的誘捕，害蟲(chóng)落入紅外傳感器后，形成計(jì)數(shù)脈腫，觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)[12-13]。

誘捕器配合使用的紅外自動(dòng)計(jì)數(shù)技術(shù)因具有低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，是害蟲(chóng)測(cè)報(bào)中不錯(cuò)的技術(shù)選擇，在梨小食心蟲(chóng)、橘小實(shí)蠅、斜紋夜蛾等鱗翅目害蟲(chóng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用[14-16]。本研究利用特定引誘物、LED光源對(duì)實(shí)蠅誘集的特性，采用紅外傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)出1種的可自動(dòng)誘捕與計(jì)數(shù)的實(shí)蠅類害蟲(chóng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，為實(shí)時(shí)獲取害蟲(chóng)發(fā)生數(shù)量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，掌握害蟲(chóng)的發(fā)生規(guī)律提供1種新裝備。

1?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本害蟲(chóng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置總體上可分為3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)服務(wù)端、數(shù)據(jù)查詢端。數(shù)據(jù)采集端主要由害蟲(chóng)誘殺裝置、紅外計(jì)數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）、太陽(yáng)能供應(yīng)組件等組成，電源由太陽(yáng)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(chóng)誘殺裝置有LED燈版、性誘劑、高壓電網(wǎng)、進(jìn)蟲(chóng)盒等零部件。主要原理是利用昆蟲(chóng)間化學(xué)通信和物理學(xué)反應(yīng)來(lái)引誘昆蟲(chóng)進(jìn)入高壓電網(wǎng)，當(dāng)觸碰到電網(wǎng)后，會(huì)被高壓擊倒，掉入紅外計(jì)數(shù)感覺(jué)區(qū)，觸發(fā)紅外計(jì)數(shù)傳感器計(jì)數(shù)，最后DTU將計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器。軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)服務(wù)接口和手機(jī)查詢客戶端組成，采用JAVA、SQL Server、Apache開(kāi)發(fā)，管理人員可以通過(guò)手機(jī)或PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2?終端硬件設(shè)計(jì)

2.1?LED燈板

LED燈板由鋁基板、LED燈珠、導(dǎo)光板組成（圖2）。鋁基板采用雙面設(shè)計(jì)，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(shí)設(shè)置LED燈珠，光線誘集面積更大，誘引效果更好?？捎糜诶ハx(chóng)誘捕的特定波長(zhǎng)有：紅（波長(zhǎng)640 nm±10 nm）、黃（波長(zhǎng)575 nm±10 nm）、綠（波長(zhǎng)520 nm±10 nm）、青（波長(zhǎng)490 nm±10 nm）、藍(lán)（波長(zhǎng)465 nm±10 nm）、紫（波長(zhǎng)430 nm±10 nm）等。LED燈珠使用特定波長(zhǎng)的顏色時(shí)，就可誘引趨向特定波長(zhǎng)顏色的多種昆蟲(chóng)。本設(shè)計(jì)利用實(shí)蠅類昆蟲(chóng)趨黃光特性，選用黃色（波長(zhǎng)575 nm±10 nm）LED燈珠，8個(gè)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(dǎo)光板。導(dǎo)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(dāng)LED燈板垂直安裝時(shí)，兩面照射的范圍近似于360°，對(duì)趨光性昆蟲(chóng)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(duì)LED雙面燈板進(jìn)行光譜測(cè)試，光譜測(cè)定的主波長(zhǎng)為582.4 nm，符合特定波長(zhǎng)黃色（波長(zhǎng)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(dāng)害蟲(chóng)觸碰電網(wǎng)相鄰兩極時(shí)，蟲(chóng)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(gè)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(kāi)關(guān)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(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23 V），將輸出電壓的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出同內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓值1.23 V進(jìn)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(gè)電壓檔次。本設(shè)計(jì)采用12 V太陽(yáng)能電池組供電，由于太陽(yáng)能電池組充電會(huì)隨著電量消耗而上下波動(dòng)，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(yáng)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(jì)數(shù)傳感器模塊

紅外計(jì)數(shù)傳感器計(jì)數(shù)原理是用紅外中斷傳感器感知害蟲(chóng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)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(gè)紅外檢測(cè)層，紅外接收管將紅外線光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出，只要有害蟲(chóng)通過(guò)紅外檢測(cè)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(hào)就會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)電信號(hào)的變化量對(duì)害蟲(chóng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如圖6，每當(dāng)害蟲(chóng)個(gè)體大小L，通過(guò)紅外檢測(cè)層A2位置時(shí)，引起電信號(hào)的變化，電信號(hào)變化的數(shù)量即為害蟲(chóng)通過(guò)的數(shù)量。

害蟲(chóng)數(shù)量數(shù)據(jù)由害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)紅外計(jì)數(shù)遠(yuǎn)程測(cè)控儀采集，再由測(cè)控儀發(fā)送到中心服務(wù)器（圖7）。

2.4?紅外計(jì)數(shù)遠(yuǎn)程測(cè)控儀

害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)紅外計(jì)數(shù)遠(yuǎn)程測(cè)控儀集成了微控制器、GPRS通信模塊、主控電路等（圖8）。害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)紅外計(jì)數(shù)遠(yuǎn)程測(cè)控儀可實(shí)現(xiàn)紅外計(jì)數(shù)采集，通過(guò)GPRS通信模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務(wù)器。害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)紅外計(jì)數(shù)遠(yuǎn)程測(cè)控儀的微控制器為意法半導(dǎo)體的STM8S系列主流8位微控制器，適于工業(yè)、消費(fèi)類和計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的多種應(yīng)用，特別是要實(shí)現(xiàn)大批量應(yīng)用的情況?；赟TM8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(jìn)內(nèi)核架構(gòu)，主頻達(dá)到24 MHz，處理能力高達(dá)20 MIPS。當(dāng)電源電壓為12 V時(shí)，工作電流在0.018～0.1 A之間，實(shí)現(xiàn)低功耗。主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

3?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)模塊服務(wù)器無(wú)線數(shù)據(jù)中繼軟件監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器，接收并存儲(chǔ)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，下發(fā)配置參數(shù)。軟件以Service形式后臺(tái)運(yùn)行，通過(guò)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(luò)側(cè)吞吐量0.1 kB/s，還具備數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入緩沖功能，緩沖容量90 kB，緩沖區(qū)持久存儲(chǔ)有效期48 h。數(shù)據(jù)查詢端應(yīng)用HTML5移動(dòng)開(kāi)發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)跨平臺(tái)的手機(jī)查詢系統(tǒng)軟件，為用戶提供當(dāng)前蟲(chóng)量實(shí)時(shí)查看工具，包括最近24 h內(nèi)的小時(shí)匯總蟲(chóng)量和最近30 d內(nèi)的每天匯總蟲(chóng)量。

4?系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將田間誘集到的橘小實(shí)蠅帶回實(shí)驗(yàn)室，放入-18 ℃冰凍室將活蟲(chóng)凍死后取出，然后開(kāi)啟害蟲(chóng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，投放間隔時(shí)間分為5、6、7、8、9 s，每個(gè)時(shí)間間隔分別投入100只橘小實(shí)蠅進(jìn)入監(jiān)測(cè)裝置。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)間間隔為5 s時(shí)，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的橘小實(shí)蠅成功率為56%;當(dāng)時(shí)間間隔為6 s時(shí)，橘小實(shí)蠅檢測(cè)成功率為84%;當(dāng)時(shí)間間隔為7 s時(shí)，橘小實(shí)蠅檢測(cè)成功率為98%;當(dāng)時(shí)間間隔為8 s和9 s時(shí)，橘小實(shí)蠅檢測(cè)成功率均為100%（圖9）。

5?結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)了1種基于紅外傳感器的實(shí)蠅類害蟲(chóng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，裝置包括害蟲(chóng)誘殺裝置、紅外計(jì)數(shù)傳感器、紅外計(jì)數(shù)遠(yuǎn)程測(cè)控儀、配套軟件系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了實(shí)蠅類害蟲(chóng)的自動(dòng)誘捕與計(jì)數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)紅外計(jì)數(shù)遠(yuǎn)程測(cè)控儀接收和發(fā)送1條數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為6 s，當(dāng)時(shí)間間隔小于6 s時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的橘小實(shí)蠅數(shù)量會(huì)比人工少，存在數(shù)據(jù)漏報(bào)，當(dāng)時(shí)間間隔≥7 s 時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)成功率為98%。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)查詢實(shí)時(shí)蟲(chóng)量、小時(shí)蟲(chóng)量和日蟲(chóng)量的統(tǒng)計(jì)匯總數(shù)據(jù)，方便用戶及時(shí)、準(zhǔn)確地得知害蟲(chóng)發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化，掌握害蟲(chóng)的發(fā)生規(guī)律。本裝置針對(duì)實(shí)蠅白天活動(dòng)的生活習(xí)性，以LED為光源，采用太陽(yáng)能電池板直接供電，不僅減少了蓄電池的使用，保護(hù)環(huán)境，還可以節(jié)約設(shè)備功耗，降低項(xiàng)目建設(shè)成本。目前本系統(tǒng)僅在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試，尚未在大田害蟲(chóng)種類繁多、蟲(chóng)態(tài)及其高溫、多雨等復(fù)雜多變的環(huán)境開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、適用性需要在后續(xù)的工作中進(jìn)一步驗(yàn)證完善。

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