基于紅外感應(yīng)的稻縱卷葉螟智能監(jiān)測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

林峰

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福建 福州 350003)

稻縱卷葉螟屬鱗翅目螟蛾科昆蟲，為害大麥、小麥、甘蔗、粟等作物，是我國水稻主要害蟲之一[1]。稻縱卷葉螟是一種季節(jié)性遠距離遷飛害蟲[2-3]，隨季節(jié)時空的變化，在某一地區(qū)大面積為害，嚴重影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)，造成重大經(jīng)濟損失[4-7]。對稻縱卷葉螟發(fā)生動態(tài)進行準確識別與監(jiān)測是綜合防治的重要組成部分。傳統(tǒng)稻縱卷葉螟監(jiān)測主要采用集誘和田間調(diào)查等手段，存在需要大量勞力、耗時耗力、統(tǒng)計害蟲數(shù)量效率不高等問題[8]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)的普及和發(fā)展，智能害蟲監(jiān)測逐漸代替人工取樣調(diào)查成為新的趨勢[9-10]。

為解決傳統(tǒng)監(jiān)測耗時耗力的問題，科研人員在圖像智能識別[11-13]、音頻信號識別[14]、雷達技術(shù)識別[15-17]、紅外探測[18]等方面進行了深入研究和探索，害蟲智能監(jiān)測的部分技術(shù)已取得明顯進展和突破[19]。郭建軍等[20]采用特定波長的紫外光對昆蟲誘導(dǎo)，通過紅外計數(shù)響應(yīng)速度快、靈敏度高、準確率較高的優(yōu)點統(tǒng)計農(nóng)田害蟲數(shù)量信息，但燈誘無法對特定對像進行誘導(dǎo)。田冉等[21]應(yīng)用機器視覺識別技術(shù)和紅外傳感器相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對果樹害蟲自動識別計數(shù)，提高了害蟲識別的準確率，但是該方法步驟比較復(fù)雜，設(shè)備成本高，不易掌握，圖像數(shù)據(jù)處理時間長。馬鵬鵬等[22]利用水稻燈誘昆蟲的方式，進行圖像識別，實現(xiàn)對害蟲的分類和自動計數(shù)，但燈誘中會引來部分非目標昆蟲，導(dǎo)致識別率下降和誤檢率提高。

稻縱卷葉螟的測報方法主要有性誘監(jiān)測、燈誘監(jiān)測和稻田趕蛾[23-24]。燈誘監(jiān)測技術(shù)雖然引誘昆蟲效果明顯，但會引誘來非目標性昆蟲，專一性差；稻田趕蛾的方法則人工成本高、效率低、耗時耗力；稻縱卷葉螟性誘劑有良好的效果和專一性強的優(yōu)點[25-27]。

本研究通過性誘和紅外結(jié)合的方法，采用傳統(tǒng)性誘技術(shù)結(jié)合紅外感應(yīng)技術(shù)對稻縱卷葉螟進行自動監(jiān)測，設(shè)計了一款基于紅外感應(yīng)的稻縱卷葉螟智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過性誘劑將稻縱卷葉螟引至高壓電網(wǎng)，并將其擊殺，蟲體掉落至進蟲盒，通過紅外傳感器進行實時計數(shù)，并增加了電網(wǎng)自潔裝置。電網(wǎng)自潔裝置每日定時對電網(wǎng)進行自潔，清除蟲體及殘留物，解決了人工定時清理和安全問題，提高了稻田害蟲監(jiān)測的效率和準確性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

紅外感應(yīng)稻縱卷葉螟智能監(jiān)測系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電模塊、智能控制模塊、紅外計數(shù)模塊、高壓電網(wǎng)模塊、自潔模塊和中心服務(wù)器。光伏發(fā)電模塊采用光伏發(fā)電技術(shù)，由太陽能電池板、電池和控制器組成的光伏發(fā)電裝置向系統(tǒng)供電。智能控制模塊采用無線數(shù)據(jù)傳輸終端進行采集數(shù)據(jù)的接收和處理，通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務(wù)器(圖1)。紅外計數(shù)模塊對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的害蟲數(shù)量統(tǒng)計，并把數(shù)據(jù)發(fā)送至智能控制模塊處理。高壓電網(wǎng)模塊對性誘劑引誘的害蟲進行擊殺，擊殺后蟲體掉落至進蟲盒并對其計數(shù)。針對傳統(tǒng)殺蟲裝置需人工定期清潔電網(wǎng)的問題，增加了自潔裝置，每日定時對高壓電網(wǎng)進行清潔。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2 裝置主體設(shè)計

2.1 智能控制模塊

智能控制模塊集成了微控單元、無線通信模塊、SRAM&FLASH模塊、電源模塊、看門狗模塊和時鐘模塊等。圖2顯示，原理是通過RS232/RS485接收發(fā)器模塊接收溫濕度模塊和紅外計數(shù)模塊采集計數(shù)的數(shù)據(jù)，接收發(fā)器模塊將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過微控制單元的處理，數(shù)據(jù)暫存至FALSH&SRAM模塊，微控制單元處理數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到中心服務(wù)器。害蟲監(jiān)測紅外智能控制模塊采用的無線數(shù)據(jù)傳輸終端，其微控制器采用的是工業(yè)級32位通信處理器，適于工業(yè)、消費類和計算機市場的多種應(yīng)用，特別是要實現(xiàn)大批量應(yīng)用的情況。無線數(shù)據(jù)傳輸終端支持TCP server功能，并且同時支持4個TCP連接，提供5路I/O，可實現(xiàn)5路數(shù)字量輸入輸出；兼容2路脈沖計數(shù)功能、2路模擬量輸入和2路脈沖輸出，能根據(jù)域名IP地址訪問中心服務(wù)器，內(nèi)嵌標準的TCP/IP協(xié)議棧，并且支持透明數(shù)據(jù)傳輸和多觸發(fā)模式，包括短信和串口數(shù)據(jù)觸發(fā)等上下線模式。

圖2 智能控制模塊的原理

2.2 紅外傳感計數(shù)監(jiān)測模塊

紅外傳感計數(shù)監(jiān)測是用來監(jiān)測害蟲數(shù)量并統(tǒng)計的系統(tǒng)，可以不間斷地監(jiān)測田間一定區(qū)域內(nèi)的害蟲數(shù)量，最后將這些信息存儲在存儲單元然后傳送至中心服務(wù)器。紅外傳感計數(shù)原理是單個或多個LED發(fā)光二極管對射結(jié)構(gòu)[28-30]，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[31]。圖3顯示，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)。

圖3 紅外傳感計數(shù)監(jiān)測模塊的原理

2.3 光伏供電模塊

太陽能光伏供電系統(tǒng)主要包括太陽能板、太陽能控制器、儲蓄電池、逆變器和太陽能電池組件等，是一個集蓄電與供電一體的供電系統(tǒng)，環(huán)保節(jié)能，能避免使用大量電纜，減少安全隱患事故的發(fā)生，并且節(jié)約能源。原理是太陽能板通過日光照射將光能轉(zhuǎn)換成電能，太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進入蓄電池儲存，達到一定閾值，提供數(shù)據(jù)采集終端白天的供電[32-33]。太陽能板支架用于固定和安裝太陽能電池板，調(diào)節(jié)傾角以使太陽能板獲得最大的太陽輻射。盡可能地儲存白天太陽能電池組件的能量，同時也要存儲提前設(shè)定的連續(xù)陰雨天夜晚采集需要的電能，為晚上或者陰雨天氣提供電能。圖4為光伏供電模塊原理圖。

圖4 光伏供電模塊的原理

2.4 高壓電網(wǎng)及電網(wǎng)自潔模塊

高壓電網(wǎng)主要功能是能通過性誘劑將稻田害蟲引誘至高壓電網(wǎng)，將其電擊至專用進蟲盒內(nèi)。原理是電源模塊高壓發(fā)生器供電，高壓發(fā)生器瞬間產(chǎn)3 000 V左右的高壓，傳至高壓電網(wǎng)，害蟲觸碰電網(wǎng)時對其電擊并掉落至進蟲盒[34]。高壓電網(wǎng)擊殺害蟲后，害蟲某些部分會黏至電網(wǎng)，長期使用也會累積灰塵和污漬，導(dǎo)致電網(wǎng)擊殺效果不明顯，同時還會影響紅外感應(yīng)計數(shù)的數(shù)據(jù)，因此，需要對電網(wǎng)定期進行人工清潔。通過電網(wǎng)自清理的方式可以自動清理電網(wǎng)上的物體及灰塵黏附，降低能源損耗，節(jié)省大量人力物力，達到監(jiān)測害蟲的最佳效果[35]。高壓電網(wǎng)及電網(wǎng)自潔模塊包括進蟲盒、單片機、機械傳動裝置、清潔盤、高壓發(fā)生器和高壓電網(wǎng)。自潔模塊包括機械傳動裝置、單片機STC89C52和清潔盤。設(shè)計單片機STC89C52發(fā)送指令每日定時讓清潔盤對高壓電網(wǎng)進行清理。環(huán)繞高壓電網(wǎng)并可與電壓電網(wǎng)接觸，機械傳動裝置、進給軸與清潔盤固定連接，機械傳動裝置驅(qū)動清潔盤往復(fù)運動，帶動清潔盤對高壓電網(wǎng)的清潔。圖5為高壓電網(wǎng)及電網(wǎng)自潔模塊原理圖。

圖5 高壓電網(wǎng)及電網(wǎng)自潔模塊的原理

3 系統(tǒng)軟件

稻縱卷葉螟智能害蟲監(jiān)測系統(tǒng)可通手機APP查看，用戶通過手機APP不僅可以查詢蟲量、溫度、濕度、天氣等數(shù)據(jù)信息，也可以查詢稻縱卷葉螟田間發(fā)生動態(tài)，了解稻縱卷葉螟在田間峰值、峰形和峰次趨勢上的變化。用戶可以實地通過專用的GPS定位儀器或者手機定位獲取實時定位信息并制定項目任務(wù)，手機拍照采集周邊環(huán)境圖片并上傳至服務(wù)器，為用戶田間監(jiān)測管理節(jié)約了成本，提高了工作效率。圖6為手機APP稻縱卷葉螟智能害蟲監(jiān)測系統(tǒng)界面。

圖6 稻縱卷葉螟智能害蟲監(jiān)測系統(tǒng)的APP界面

4 系統(tǒng)測試

稻縱卷葉螟田間誘捕試驗在廈門市同安區(qū)四林村進行。稻縱卷葉螟專用性信息素誘芯由北京中捷四方有限公司生產(chǎn)提供。將誘芯固定于誘捕器內(nèi)，誘捕器固定于鐵桿上并置于稻田中，誘捕器底部低于水稻葉面約20～30 cm，每隔3 d倒出誘捕器集蟲罐內(nèi)蛾子并計數(shù)，每15 d更換誘芯，2020年8月1日起開始進行誘蛾量計數(shù)。害蟲遠程實時監(jiān)測自動計數(shù)系統(tǒng)累計記錄312頭，人工復(fù)核實際誘蛾量為284頭，除8月21—30日智能計數(shù)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)量略高于人工統(tǒng)計，其他時間復(fù)核準確率能達到100%(圖7)。害蟲實時監(jiān)測設(shè)備準確率為91.0%，自動計數(shù)準確率較高。在試驗過程中，性誘單一，稻縱卷葉螟誘集效果好，但誘捕害蟲受環(huán)境因素影響，誘捕器存在非靶標害蟲誤入的情況。

圖7 害蟲計數(shù)識別結(jié)果

5 討論

本研究結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、紅外感應(yīng)監(jiān)測技術(shù)和昆蟲性誘技術(shù)，實現(xiàn)了稻縱卷葉螟的誘擊和計數(shù)，并增加了高壓電網(wǎng)自潔系統(tǒng)。紅外感應(yīng)和性誘技術(shù)的相結(jié)合，性誘劑能引誘來目標昆蟲，紅外傳感器則能對昆蟲進行快速、有效計數(shù)，相比傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)約了設(shè)備成本并有效提高了田間監(jiān)測稻縱卷葉螟的工作效率，為預(yù)防稻縱卷葉螟的發(fā)生提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，提升了水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。在田間環(huán)境下試驗數(shù)據(jù)表明，誘集效果明顯，在紅外監(jiān)測計數(shù)準確性上，稻縱卷葉螟智能監(jiān)測系統(tǒng)準確率較高，在誘集量較大時，人工計數(shù)和自動計數(shù)的結(jié)果吻合度高。系統(tǒng)軟件幫助用戶通過手機查詢蟲量的匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)，方便用戶及時、準確地得知害蟲發(fā)生的動態(tài)，掌握害蟲的發(fā)生規(guī)律。本裝置針對稻縱卷葉螟采用性誘技術(shù)，通過太陽能電池板直接供電，不僅減少了蓄電池的使用，綠色環(huán)保無污染，還能節(jié)約設(shè)備功耗，降低項目建設(shè)成本。

6 小結(jié)

本系統(tǒng)采用的是紅外感應(yīng)自動計數(shù)和性誘電網(wǎng)擊殺的技術(shù)方法，能實時監(jiān)測稻縱卷葉螟在田間動態(tài)，提高基層測報人員的效率，避免調(diào)查中人工誤差和測報燈故障不能及時獲取數(shù)據(jù)信息的情況。目前系統(tǒng)還處于田間研究測試初期，稻田害蟲種類繁多，后續(xù)還需在多個地區(qū)的田間地頭以及復(fù)雜環(huán)境下開展相關(guān)試驗，提高系統(tǒng)的精確度、穩(wěn)定性和適用性。