自動(dòng)追蹤式太陽能蟲害監(jiān)測(cè)儀控制設(shè)計(jì)

李芝茹，江舒楠，吳曉峰*，徐克生，張北航，苗振坤，李全罡，潘文婷

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；3.國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，哈爾濱 150086；4.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)試驗(yàn)中心，江西 分宜 336600)

自動(dòng)追蹤式太陽能蟲害監(jiān)測(cè)儀控制設(shè)計(jì)

李芝茹1，3，江舒楠2，吳曉峰1，3*，徐克生3，張北航1，3，苗振坤1，3，李全罡1，3，潘文婷4

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；3.國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，哈爾濱 150086；4.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)試驗(yàn)中心，江西 分宜 336600)

介紹其自動(dòng)追蹤式太陽能蟲害監(jiān)測(cè)儀的基本功能和工作特點(diǎn)，著重闡述其硬件構(gòu)成、控制原理、數(shù)據(jù)的采集傳輸和讀取分析等。應(yīng)用PLC技術(shù)和GPRS技術(shù)，結(jié)合太陽能光伏技術(shù)和微量傳感技術(shù)對(duì)蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)。上位機(jī)為組態(tài)軟件設(shè)為主站，下位機(jī)PLC相當(dāng)于從站，通過DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)鏈接，將傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后儲(chǔ)存在PLC相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集區(qū)，上位機(jī)可直接通過DTU從數(shù)據(jù)采集區(qū)讀取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試其應(yīng)用效果，儀器易于操作、靈敏度高、耗能低，觀測(cè)界面清晰、可讀性強(qiáng)，可監(jiān)測(cè)到試驗(yàn)區(qū)常見的各類飛蟲，能廣泛適用于易爆發(fā)蟲災(zāi)、可忽略網(wǎng)絡(luò)延遲、無需對(duì)監(jiān)測(cè)害蟲進(jìn)行圖譜分析的區(qū)域?？蔀檗r(nóng)林作物的蟲害防治工作提供數(shù)據(jù)參考，但仍需對(duì)傳感器精度控制問題作進(jìn)一步研究。

太陽能；蟲害監(jiān)測(cè)；控制系統(tǒng)；PLC

0 引言

農(nóng)林作物蟲災(zāi)的大面積爆發(fā)，會(huì)對(duì)作物造成不可修復(fù)的機(jī)械性損傷，直接影響其質(zhì)量和產(chǎn)量，從而降低作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)功能[1]。因此，能否及時(shí)對(duì)蟲災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和提前預(yù)警是蟲害防治工作的關(guān)鍵。常用的害蟲監(jiān)測(cè)辦法有人工觀察計(jì)數(shù)、使用粘蟲板、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合監(jiān)測(cè)軟件等。其中人工觀察計(jì)數(shù)，最為簡(jiǎn)便直觀，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力、準(zhǔn)確度不高，僅適用于溫室、庭院、苗圃等近距離小范圍農(nóng)林作物的蟲害監(jiān)測(cè)；粘蟲板或蟲膠的使用，更為環(huán)保有效，但針對(duì)性過強(qiáng)、廣泛適用性欠缺、監(jiān)測(cè)功能不明顯，不同顏色粘蟲板對(duì)不同害蟲的誘集效果相差迥異，因此同樣不適用于遠(yuǎn)距離大面積區(qū)域的蟲害監(jiān)測(cè)[2-3]；在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與監(jiān)測(cè)軟件相結(jié)合的災(zāi)害預(yù)測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展，在森林防火、草原生態(tài)預(yù)警、農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4-7]。

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與相應(yīng)蟲害監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)，首先要應(yīng)用數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)。Zigbee技術(shù)是較為常用的低速、近距離無線通信技術(shù)，陳超、周錦榮等[8]利用Zigbee技術(shù)和TMS320F28335高速處理器相結(jié)合，設(shè)計(jì)可監(jiān)測(cè)溫濕度、火焰、煙霧情況的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但基于Zigbee技術(shù)的無線傳輸技術(shù)使用時(shí)需要建立基站，不宜在大面積、地形復(fù)雜的區(qū)域應(yīng)用。而GPRS技術(shù)傳輸速率高，自適應(yīng)能力強(qiáng)，多用作遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的無線傳輸。趙文宏[9]、曹軍[10]、賀園園等[11]等利用GPRS技術(shù)監(jiān)測(cè)農(nóng)田的蟲害情況，可觀察到滅殺蟲體的圖片。張恩迪等[12-13]通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將觀測(cè)數(shù)據(jù)上傳到有固定IP的Web服務(wù)器，經(jīng)終端設(shè)備隨時(shí)上網(wǎng)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用、模塊選取、軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)開發(fā)等都較為科學(xué)合理，但其應(yīng)用DATA-LYNX昆蟲計(jì)數(shù)傳感器所獲取的數(shù)據(jù)，僅限于通過性激素吸引而來的昆蟲，并通過蟲體撞擊傳感器引發(fā)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，無法準(zhǔn)確判斷監(jiān)測(cè)到的是哪種昆蟲，也難免存在一只昆蟲多次撞擊傳感器的情況造成計(jì)數(shù)虛高，或者撞擊力度不足無法監(jiān)測(cè)到一部分害蟲。而Holguin[14]等通過基于光敏電阻和紅外傳感相結(jié)合的辦法對(duì)昆蟲數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，較單純的使用DATA-LYNX昆蟲計(jì)數(shù)傳感器更為有效。對(duì)已收集的昆蟲進(jìn)行識(shí)別，Karlos Espinoza等[15]通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，能對(duì)溫室昆蟲精確識(shí)別。李小林等[16]在原有LBP紋理特征提取算法基礎(chǔ)上應(yīng)用CLBP表達(dá)昆蟲紋理特征，最后用KNN算法得到的昆蟲分類準(zhǔn)確率高達(dá)96.4%。規(guī)避了傳統(tǒng)的軟件昆蟲識(shí)別技術(shù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)模糊、泛泛、只能抽取中間值的不便，得出的結(jié)論更為精準(zhǔn)。

綜上所述，當(dāng)前我國無線傳輸技術(shù)和昆蟲識(shí)別技術(shù)的發(fā)展都較為完善，但昆蟲計(jì)數(shù)或數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)多采用圖像識(shí)別或傳感器計(jì)數(shù)，成本高、難度大，且大多數(shù)蟲害監(jiān)測(cè)設(shè)備，供電模塊采取常規(guī)的光伏設(shè)備和儲(chǔ)能電池交替使用的方式，難免存在光能利用率不高或者能量供應(yīng)不足的情況，影響對(duì)蟲害的監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)的太陽能蟲害監(jiān)測(cè)儀，應(yīng)用高能效光伏設(shè)備作為能量來源，可對(duì)太陽光進(jìn)行自動(dòng)追蹤，根據(jù)需要靈活改變工作位置和高度。結(jié)合微動(dòng)控制技術(shù)和GPRS技術(shù)，在提高光能利用率的前提下，進(jìn)行稱重和計(jì)數(shù)相結(jié)合的辦法監(jiān)測(cè)蟲害情況，更為合理有效。適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)或林區(qū)、果園、苗圃、溫室等可忽略網(wǎng)絡(luò)延遲、無需對(duì)監(jiān)測(cè)害蟲進(jìn)行圖譜分析的區(qū)域，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 儀器總體結(jié)構(gòu)及功能

本設(shè)計(jì)中的太陽能蟲害監(jiān)測(cè)儀外觀如圖1所示，硬件部分由太陽能光伏系統(tǒng)、滅蟲燈、微動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、電動(dòng)氣缸和液壓油缸構(gòu)成，作業(yè)時(shí)連接PC端配合監(jiān)測(cè)。太陽能光伏系統(tǒng)向儀器提供能量，完成微動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)、電動(dòng)氣缸移動(dòng)、黑光燈誘蟲、高壓電網(wǎng)殺蟲，壓力傳感器稱重、紅外計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)、控制模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換七部分功用。通過強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的鋁型材框架連接太陽能電池板、滅蟲燈、電控箱。應(yīng)用升降平穩(wěn)可靠、結(jié)構(gòu)緊湊的液壓油缸實(shí)現(xiàn)儀器的升降，以適應(yīng)光照度條件差(如溫室)或郁閉度較高林分的光能收集。應(yīng)用定位精準(zhǔn)的齒輪式旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與太陽能電池板連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的自動(dòng)追蹤，同時(shí)用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制的電動(dòng)氣缸調(diào)節(jié)太陽能板高度角[17]。其中太陽能電池板功率50 W，儲(chǔ)能用蓄電池規(guī)格12 V/55 Ah；選取連接方便、抗干擾能力強(qiáng)的英芯RS422/485串口頭，以及電磁兼容性強(qiáng)的SIMATIC PM207 5A模塊。精度1 MPa的壓力傳感器和2.5 mm高精度DQCL3205光柵紅外計(jì)數(shù)器。選取勻速控制法對(duì)太陽光進(jìn)行追蹤，近似認(rèn)為24 h地球自傳一周即太陽方位角上15 °/h或4 min/°勻速運(yùn)動(dòng)，由此確定電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速。

儀器主要針對(duì)蛾類成蟲等有趨光性的飛蟲，飛蟲滅殺后由傳感器拾取其數(shù)目、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，配合常規(guī)昆蟲分類以綜合觀測(cè)作業(yè)區(qū)域的蟲害發(fā)生情況。相對(duì)于傳統(tǒng)的太陽能設(shè)備：其電池板可對(duì)太陽光進(jìn)行自動(dòng)追蹤，整機(jī)作業(yè)高度可流暢調(diào)節(jié)，滅蟲效果可通過PC端實(shí)時(shí)觀測(cè)，其界面清晰、可讀性強(qiáng)。光伏設(shè)備的光能利用率高，能廣泛適用于林區(qū)、果園、苗圃和溫室等可忽略網(wǎng)絡(luò)延遲、無需對(duì)監(jiān)測(cè)害蟲進(jìn)行圖譜分析的區(qū)域，能基本監(jiān)測(cè)到試驗(yàn)季節(jié)常見的具有趨光性的害蟲。

1-腳輪；2-電控箱；3-鋁型材框架； 4-液壓油缸；5-滅蟲燈；6-旋轉(zhuǎn)平臺(tái)； 7-太陽能電池板；8-電動(dòng)推桿。圖1 裝置結(jié)構(gòu)和外觀效果Fig.1 Structure and appearance of the device

2 數(shù)據(jù)的采集傳輸與分析

2.1 數(shù)據(jù)的采集與傳輸

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of control system

滅蟲數(shù)據(jù)的采集主要通過壓力傳感器和紅外計(jì)數(shù)器完成，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)模塊轉(zhuǎn)換為信號(hào)后，通過PLC將模擬信號(hào)儲(chǔ)存到相應(yīng)區(qū)域，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其程序設(shè)計(jì)和部分I/O點(diǎn)設(shè)置如圖3、圖4所示。數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思路為：組態(tài)軟件為上位機(jī)設(shè)為主站，下位機(jī)PLC相當(dāng)于從站；通過DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)鏈接，將紅外計(jì)數(shù)器計(jì)量的數(shù)據(jù)在編程軟件中設(shè)定好定值，將壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)通過連接PLC儲(chǔ)存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集區(qū)；上位機(jī)若要讀取蟲害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可直接通過DTU從數(shù)據(jù)采集區(qū)讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)，從主站通過DTU提取紅外計(jì)數(shù)器計(jì)量的數(shù)據(jù)。

圖3 程序界面Fig.3 Program interface

圖4 控制部分I/O點(diǎn)設(shè)置Fig.4 I/O point set of control part

2.2 數(shù)據(jù)的讀取與分析

在進(jìn)行滅蟲數(shù)據(jù)讀取之前，先將接收信號(hào)和監(jiān)測(cè)使用的PC終端與GPRS模塊進(jìn)行配置，實(shí)際的滅蟲情況即可通過組態(tài)軟件以曲線的形式觀察到，如圖5所示，其中X軸表示工作累計(jì)時(shí)間(單位h)，設(shè)定每晚18：00為工作原點(diǎn)，時(shí)間依次遞推；Y軸為累積滅殺害蟲后傳感器反饋回的信號(hào)，設(shè)定為累計(jì)壓力換算回重力的物理量(單位mg)；由此可通過曲線的變化情況推測(cè)害蟲的發(fā)生情況：當(dāng)試驗(yàn)地蟲口密度較小時(shí)，曲線較為平緩，可通過裝置進(jìn)行常規(guī)蟲害監(jiān)測(cè)；當(dāng)試驗(yàn)地蟲口密度較大時(shí)，曲線較為陡峭，此時(shí)應(yīng)引起管理部門重視，研究收集到的害蟲種類及數(shù)量，預(yù)測(cè)蟲害的發(fā)生，及時(shí)采取相應(yīng)的措施和手段進(jìn)行蟲害治理。

圖5 終端監(jiān)測(cè)界面Fig.5 Terminal monitoring interface

3 儀器試驗(yàn)

在東北林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)和中國林科院亞熱帶林業(yè)試驗(yàn)中心分別進(jìn)行了儀器試驗(yàn)，成功監(jiān)測(cè)到試驗(yàn)區(qū)常見的害蟲，如圖6所示，其中東北林業(yè)大學(xué)試驗(yàn)林場(chǎng)試驗(yàn)臨近秋季，獲取數(shù)據(jù)的代表性不強(qiáng)；中國林科院亞熱帶林業(yè)試驗(yàn)中心油茶良種采穗園中的試驗(yàn)，成功監(jiān)測(cè)到了油茶苗木代表性害蟲茶蠶(AndrcwabipunctataWalker)[19]。2016年油茶苗受茶蠶危害嚴(yán)重，主要是茶蠶幼蟲啃食樹葉甚至連同葉柄吃光，不僅危害油茶苗木，對(duì)茶樹、山茶也危害嚴(yán)重。本次試驗(yàn)通過儀器滅殺和人工識(shí)別成功監(jiān)測(cè)出茶蠶成蟲，而成蟲的大量存在勢(shì)必大量產(chǎn)卵造成蟲災(zāi)，每頭雌蛾一次可產(chǎn)卵百余粒，一年發(fā)生2～3代[20-22]，因此，可對(duì)下一年茶蠶發(fā)生情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前采取應(yīng)對(duì)措施以減輕損失。

通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)儀器的實(shí)時(shí)觀測(cè)界面數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，造成這一現(xiàn)象的主要原因是壓力傳感器和紅外計(jì)數(shù)器的精度較難控制。本次試驗(yàn)采用的壓力傳感器精度1 MPa，光柵紅外計(jì)數(shù)器精度2.5 mm，試驗(yàn)中，一方面有部分害蟲被誘蟲燈吸引卻并未被高壓電網(wǎng)滅殺，而是直接穿過電網(wǎng)掉落到集蟲盒里，并在集蟲盒中爬行或飛動(dòng)，因此，造成傳感器數(shù)據(jù)波動(dòng)；另一方面也出現(xiàn)害蟲已被滅殺但并未如預(yù)期那樣掉落到集蟲盒內(nèi)，因此，紅外計(jì)數(shù)器雖然感知但壓力傳感器無法檢測(cè)到，或有的害蟲體積過小紅外計(jì)數(shù)器無法感知；其三還存在一部分害蟲因高壓滅殺后直接粘黏在滅蟲燈上，蟲體沒有落下，因此，紅外計(jì)數(shù)器和壓力傳感器都無法探測(cè)到這一部分害蟲。

圖6 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面Fig.6 Real-time monitoring interface and collected pests

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)中的太陽能蟲害監(jiān)測(cè)儀應(yīng)用PLC技術(shù)和GPRS技術(shù)，結(jié)合太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和微量傳感技術(shù)對(duì)蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過對(duì)常用蟲害監(jiān)測(cè)辦法及其各自利弊的分析，有針對(duì)性的提出本設(shè)計(jì)中的裝置更適用于遠(yuǎn)距離、大面積區(qū)域的蟲害監(jiān)測(cè)，并通過試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)儀器進(jìn)行綜合分析：其易于操作、耗能低，觀測(cè)界面清晰、可讀性強(qiáng)，能監(jiān)測(cè)到試驗(yàn)區(qū)常見的各類飛蟲，廣泛適用于林區(qū)、農(nóng)田、果園、苗圃、溫室等易于爆發(fā)蟲災(zāi)的區(qū)域，可為農(nóng)林作物的蟲害防治工作提供數(shù)據(jù)參考。但仍需對(duì)傳感器精度進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步完善儀器集蟲裝置結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同害蟲、不同環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

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Design of the Automatic Tracking Solar Pest Monitoring DeviceControl System

Li Zhiru1，3，Jang Shunan2，Wu Xiaofeng1，3*，Xu Kesheng3，Zhang Beihang1，3，Miao Zhenkun1，3，Li Quangang1，3，Pan Wenting4

(1.Research Institute of Forestry New Technology，Beijing 100091；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040；3.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，the State Forestry Administration，Harbin 150086；4.Subtropical Experimental Center，Chinese Academy of Forestry，F(xiàn)enyi 336600)

This paper introduced the basic functions and working characteristics of the automatic tracking solar pest monitor，and emphatically expounded its hardware structure，control principle，data collection and transmission，data analysis，etc.PLC and GPRS combined with solar photovoltaic and micro sensor were used for pest monitoring.The host computer was the configuration software served as master station and the slave computer PLC was served as slave station.Through the DTU data transmission or data link，the data collected by the sensor was converted and stored in the corresponding PLC data acquisition area，and the host computer can directly read the data from the data acquisition area through the DTU.By testing the application effect，the device had the advantages of easy operation，high sensitivity，low energy consumption，clear and readable observation interface，which can monitor common types of insects in experiment area.It can be widely used in places where pests outbreak frequently，network delay can be negligible and no need to do atlas analysis of monitoring pests.The device can provide data reference for pest control in crops of agriculture and forest，but there still needed a further study on the sensor precision control problem.

Solar energy；pest monitoring；control system；PLC

2017-01-10

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(CAFINT2015C13)

李芝茹，碩士，工程師。研究方向：林業(yè)機(jī)械。

*通信作者：吳曉峰，本科，高級(jí)工程師。研究方向：林業(yè)機(jī)械。E-mail：286710269@qq.com

李芝茹，江舒楠，吳曉峰，等.自動(dòng)追蹤式太陽能蟲害監(jiān)測(cè)儀控制設(shè)計(jì)[J].森林工程，2017，33(3)：69-73.

TP 391.44

A

1001-005X(2017)03-0069-05