藏區(qū)農(nóng)田驅(qū)鳥(niǎo)設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬海龍　李春青　張思遜

摘? 要：農(nóng)牧業(yè)是西藏自治區(qū)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，在西藏地區(qū)農(nóng)田經(jīng)常遭受鳥(niǎo)類(lèi)的影響，極大地危害了種子和莊稼，對(duì)此設(shè)計(jì)一款設(shè)備解決本問(wèn)題。該設(shè)備利用紅外線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)農(nóng)田中鳥(niǎo)類(lèi)，監(jiān)測(cè)到鳥(niǎo)類(lèi)入侵農(nóng)田后設(shè)備會(huì)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器定向發(fā)射特定16～25 kHz頻率超聲波驅(qū)趕鳥(niǎo)類(lèi)，采用驅(qū)趕的方式進(jìn)行工作，這樣的話(huà)，保護(hù)了種子和幼苗免受鳥(niǎo)類(lèi)傷害，提高農(nóng)田的產(chǎn)量，科技的應(yīng)用對(duì)農(nóng)田保護(hù)有很大的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田保護(hù);超聲驅(qū)趕;生態(tài)保護(hù);紅外線(xiàn)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319;S441? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）09-0043-03

Design and Implementation of Bird Repellent Equipment for Farmland in Tibetan Area

MA Hailong，LI Chunqing，ZHANG Sixun

（School of Information Science and Technology，Tibet University，Lhasa? 850000，China）

Abstract：Farmers industry is a traditional industries and pillar industries of the Tibet autonomous region，in the Tibetan area of farmland is often subjected to the influence of the birds，the great harm of seeds and crops，to design a product to solve this problem，the device using infrared sensors to monitor farmland birds，birds invasion detected after farmland directional emission device drives the ultrasonic generator specific 16～25 kHz frequency ultrasonic drive birds，adopt the way of driving to work，in this way，to protect the seeds and seedlings from bird damage，improve the yield of farmland，the application of science and technology has a great role in promoting the protection of farmland.

Keywords：farmland protection;ultrasonic drive;ecological protection;infrared monitoring

0? 引? 言

青稞是青藏高原特有的糧食農(nóng)作物，2019年西藏青稞的總種植面積將增至214.17萬(wàn)畝，產(chǎn)量將突破92萬(wàn)噸，是西藏種植面積最大、產(chǎn)量最多的農(nóng)作物，千百年來(lái)成為藏族人民主要的生活“口糧”。農(nóng)田剛播種完或幼苗時(shí)，一些鳥(niǎo)類(lèi)極大地危害了種子和莊稼，而農(nóng)民由于沒(méi)有很好的驅(qū)趕鳥(niǎo)群的設(shè)備，只能靠鞭炮、田間木偶、捕鳥(niǎo)網(wǎng)來(lái)阻止鳥(niǎo)類(lèi)入侵，這種方法不僅使得農(nóng)民需要花費(fèi)大量的人力、物力及財(cái)力來(lái)驅(qū)趕鳥(niǎo)群，而且既不方便也不環(huán)保，不僅不能治本，還會(huì)破壞生態(tài)平衡，增加農(nóng)民勞作的工作量，所以農(nóng)民迫切需要一種既能治本，環(huán)保系數(shù)又高的驅(qū)鳥(niǎo)設(shè)備。

為了阻止鳥(niǎo)類(lèi)入侵，保護(hù)農(nóng)田，幫助農(nóng)民更方便地管理農(nóng)田，2018年各研究機(jī)構(gòu)在各地區(qū)制定了多種措施對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)行防御治理。也研制出了許多防鳥(niǎo)的方法和裝置，諸如：防鳥(niǎo)刺、彩帶、風(fēng)力反光防鳥(niǎo)器、玩具蛇以及引鳥(niǎo)裝置等，相關(guān)設(shè)備研究如文獻(xiàn)[1，2]。然而，經(jīng)過(guò)鳥(niǎo)類(lèi)一段時(shí)間適應(yīng)后，設(shè)備的防、驅(qū)鳥(niǎo)效果就很差[1]。

西藏大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院在2019年啟動(dòng)相關(guān)科研項(xiàng)目，助力保護(hù)西藏地區(qū)農(nóng)田可持續(xù)生態(tài)發(fā)展，已形成相關(guān)科研成果和產(chǎn)品，作者基于該項(xiàng)目的研究成果和在農(nóng)田保護(hù)這領(lǐng)域問(wèn)題探索的欠缺進(jìn)行農(nóng)田保護(hù)的研究工作，也為本項(xiàng)目提供了一定的理論基礎(chǔ)。本文基于曹永興[3]的研究成果，得到超聲波可以通過(guò)刺激鳥(niǎo)類(lèi)的神經(jīng)系統(tǒng)使其生理紊亂，逃離入侵地的研究理論，再結(jié)合西藏大學(xué)在智能控制領(lǐng)域的研究的成果基礎(chǔ)，將兩者整合成一個(gè)設(shè)備，使其能應(yīng)用在西藏地區(qū)，保護(hù)農(nóng)田免受鳥(niǎo)類(lèi)傷害，方便農(nóng)民的日常勞作，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4]。

為此利用超聲波技術(shù)進(jìn)行驅(qū)趕入侵鳥(niǎo)類(lèi)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方便管理設(shè)備，使設(shè)備更加智能化，方便服務(wù)廣大農(nóng)民使用。采用驅(qū)趕的方式解決鳥(niǎo)類(lèi)入侵農(nóng)田的問(wèn)題，控制客戶(hù)端基于Wi-Fi模塊的智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)組成，通過(guò)智能移動(dòng)終端APP，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)農(nóng)田設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。利用紅外線(xiàn)傳感器計(jì)數(shù)清點(diǎn)鳥(niǎo)類(lèi)數(shù)量和入侵情況，采用頻率為16～55 kHz的超聲波進(jìn)行驅(qū)趕。

該設(shè)備可以保護(hù)種子在播種后或剛發(fā)芽期間不受鳥(niǎo)類(lèi)影響，正常發(fā)芽生長(zhǎng)，提高農(nóng)田產(chǎn)量，增加農(nóng)民的收益，為農(nóng)業(yè)的科技防護(hù)領(lǐng)域人員提供一定的參考價(jià)值，方便他們進(jìn)行深層次的工作研究。

1? 系統(tǒng)總體方案

為了迎合農(nóng)民的需求，本文設(shè)計(jì)了一款電子驅(qū)鳥(niǎo)的設(shè)備。此設(shè)備可實(shí)現(xiàn)智能化管理，不僅能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控覓食農(nóng)作物的外部鳥(niǎo)群的活動(dòng)情況，還能通過(guò)參數(shù)分析鳥(niǎo)群的動(dòng)向，而且還可以自動(dòng)控制超聲波、燈光等設(shè)備管理農(nóng)作物。同時(shí)，還可以通過(guò)手機(jī)、平板等信息終端向管理者推送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物信息化、智能化的遠(yuǎn)程管理，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)施在農(nóng)業(yè)物生產(chǎn)中的作用且保證農(nóng)作物在信息化管理下安全生長(zhǎng)。

該設(shè)備利用安全可靠的超聲波，農(nóng)田外圍有自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)智能化、信息化驅(qū)趕鳥(niǎo)群，智能監(jiān)控鳥(niǎo)群，只需設(shè)定設(shè)備參數(shù)便能自動(dòng)控制電子驅(qū)趕鳥(niǎo)群設(shè)備。該方式可減少勞動(dòng)力的輸出，秉承當(dāng)代我國(guó)所推行的可持續(xù)發(fā)展的政策，緩解農(nóng)作物保護(hù)與環(huán)境之間的矛盾，以此實(shí)現(xiàn)環(huán)保綠色的生態(tài)環(huán)境的理念。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制客戶(hù)端系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案是基于Wi-Fi模塊的智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)組成的，在A(yíng)PP智能移動(dòng)終端，采用Eclipse編寫(xiě)移動(dòng)終端上的程序，程序語(yǔ)言采用Java編寫(xiě)，通過(guò)APP控制軟件實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)農(nóng)田設(shè)備的界面的控制功能。并利用客戶(hù)終端自帶Wi-Fi模塊與外界設(shè)備進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)終端來(lái)控制農(nóng)田保護(hù)設(shè)備的愿景，讓用戶(hù)足不出戶(hù)就可以管理自己的農(nóng)田，讓農(nóng)民的種植途徑更加簡(jiǎn)潔、便利;當(dāng)農(nóng)田中有大量鳥(niǎo)類(lèi)時(shí)，此客戶(hù)端將發(fā)出相應(yīng)的聲音警示，以便農(nóng)民可以及時(shí)了解并采取相應(yīng)的措施。

2.2? 硬件實(shí)現(xiàn)

（1）通信協(xié)議的選擇：應(yīng)用手機(jī)Wi-Fi與外部Wi-Fi模塊進(jìn)行通訊，采用UART接口的符合Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，并引用內(nèi)置無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE 802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)串口數(shù)據(jù)到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。模塊內(nèi)部采用單片機(jī)的串口通信協(xié)議及I2C串行總線(xiàn)連接各模塊。

（2）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：本裝置首先利用太陽(yáng)能發(fā)電，利用蓄電池儲(chǔ)存電能用于夜間使用，輸出電壓為19 V（12 V為蓄電池充電）短路電流為5.4 A;開(kāi)路電壓為20 V;峰值電流為

5.0 A;轉(zhuǎn)換效率為18%;外形尺寸為1 200 mm*540 mm;由采用STM32F103C8T6芯片的單片機(jī)作為主控制器;利用紅外線(xiàn)傳感器計(jì)數(shù)清點(diǎn)鳥(niǎo)類(lèi)數(shù)量，采用京西BISS0001熱釋電紅外處理芯片和尼賽拉RE200B-P熱釋電紅外傳感器，蜂窩型菲涅爾透鏡，性能穩(wěn)定可靠。本裝置最大的特色為超聲波驅(qū)趕鳥(niǎo)群裝置，超聲波對(duì)這些動(dòng)物的聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)有攻擊性，會(huì)使其感到痛苦，進(jìn)而使其自主離開(kāi)，超聲波頻率為16～25 kHz;供電方式為蓄電池（太陽(yáng)能光伏板發(fā)電儲(chǔ)蓄在蓄電池）;額定功率為6 W，輸出功率為100 W;本裝置的特點(diǎn)為主動(dòng)性和智能性，利用入侵檢測(cè)技術(shù)對(duì)有害動(dòng)物出現(xiàn)的位置進(jìn)行探測(cè)，從而有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)對(duì)有害動(dòng)物的驅(qū)趕。如圖1所示為設(shè)備整體效果圖。

2.2.1? 總控處理電路

根據(jù)項(xiàng)目和具體的技術(shù)指標(biāo)需求，選擇符合真正能監(jiān)測(cè)農(nóng)田中鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)周邊數(shù)據(jù)要求的傳感器，并選擇特定超聲波發(fā)生裝置定向驅(qū)趕入侵者，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)農(nóng)田的功能效果，該設(shè)備由超聲波發(fā)生器作為整個(gè)裝置的驅(qū)趕功能實(shí)現(xiàn)模塊，用內(nèi)置的紅外線(xiàn)傳感器作為設(shè)備的監(jiān)控功能模塊，如圖2所示。

2.2.2? 報(bào)警預(yù)警電路

調(diào)節(jié)好預(yù)定的點(diǎn)位器后，通過(guò)外置紅外線(xiàn)傳感器所采集得紅外光譜圖在通過(guò)總控的數(shù)據(jù)概率的累加處理后給出一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度，從主控板輸出給對(duì)應(yīng)的預(yù)警電路輸出口OUT1，在經(jīng)過(guò)LM358運(yùn)算放大器放大后，由IN2-接入蜂鳴器。如圖3所示為報(bào)警預(yù)警電路的電路圖。

為了能實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互能力，我們采用語(yǔ)音式警告入侵者，為此我們?cè)谠O(shè)備上使用了語(yǔ)音芯片和功率放大電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)在入侵者入侵時(shí)自動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)提示，如果無(wú)果后將警報(bào)信息傳送給控制應(yīng)用。

3? 測(cè)試

3.1? 硬件測(cè)試

在農(nóng)田設(shè)置一個(gè)設(shè)備，并且準(zhǔn)備完備的所需裝備儀器，進(jìn)行為期一個(gè)月的測(cè)試，在電子農(nóng)田保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行的情況下加入動(dòng)物，對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行情況進(jìn)行檢驗(yàn)，在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備的不足，再進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)多次測(cè)試與改進(jìn)使設(shè)備處于優(yōu)良狀態(tài)。

3.2? 總控程序測(cè)試

本文擬采用大量實(shí)驗(yàn)來(lái)著手對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施，首先通過(guò)大量對(duì)比試驗(yàn)確定最佳的控制方案，再通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比選出最佳的符合要求的軟硬件，通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式完善整個(gè)電子農(nóng)田保護(hù)設(shè)備。

4? 結(jié)? 論

據(jù)調(diào)查，一些鳥(niǎo)類(lèi)極大地危害了莊稼，使得一些農(nóng)民收入受到了極大的影響。所以本文研究了一種驅(qū)鳥(niǎo)設(shè)備，使農(nóng)作物的產(chǎn)量得到極大的提升，還不會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)。本設(shè)備能為西藏農(nóng)民方便地保護(hù)農(nóng)田，減少農(nóng)田損失，增加收益，提高農(nóng)民生活質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：馬海龍（1997—），男，漢族，青海樂(lè)都人，本科，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向：智能控制;李春青（1996—），男，漢族，青?；ブ?，本科，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向：智能控制。