聲光氣組合蘋果園滅蟲驅(qū)鳥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李青鸞，王晨洋，徐 洛，閆小麗

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

蘋果營養(yǎng)價(jià)值高，富含礦物質(zhì)和維生素。中國是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國和消費(fèi)國，在世界蘋果產(chǎn)業(yè)中占有重要地位[1]。蘋果是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，蘋果產(chǎn)業(yè)促農(nóng)增收致富作用越來越突出。蟲害、鳥害已成為現(xiàn)代蘋果園農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大主要阻力[2]。蘋果蟲害一般從3月開始，到9月結(jié)束，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、涉及的病蟲害種類數(shù)量較多且影響較大。蟲害可能導(dǎo)致蘋果樹結(jié)畸形果、爛果，甚至可能導(dǎo)致其減產(chǎn)或絕收[3]。以昭通蘋果主產(chǎn)區(qū)為例，若不采取防治措施，果園蟲害自然危害損失率可達(dá)12.87%左右[4]。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，若按2%計(jì)算蘋果鳥害受損比例，全國因鳥害損失蘋果近60萬t[5]。

傳統(tǒng)的滅蟲驅(qū)鳥方法大致可分為物理方法、化學(xué)方法及生物方法。解決果園害蟲常用的方法是噴灑化學(xué)農(nóng)藥。但化學(xué)農(nóng)藥可導(dǎo)致環(huán)境污染問題，且頻繁使用化學(xué)農(nóng)藥會(huì)增強(qiáng)害蟲對(duì)農(nóng)藥的抗藥性，還會(huì)導(dǎo)致果品農(nóng)藥殘留量超標(biāo)，破壞果品品質(zhì)，不利于果園經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期發(fā)展[6-7]。在果園中，果農(nóng)常用張網(wǎng)捕鳥、拉反光條、置物驅(qū)鳥等物理方法進(jìn)行驅(qū)鳥，有時(shí)也會(huì)使用驅(qū)鳥劑。但是驅(qū)鳥的物理方法會(huì)對(duì)人力物力產(chǎn)生較大消耗，且網(wǎng)與反光條多為不可回收物，易對(duì)環(huán)境造成較大的污染。由于驅(qū)鳥劑有效作用時(shí)間較短，使用驅(qū)鳥劑進(jìn)行驅(qū)鳥對(duì)驅(qū)鳥劑的消耗較大，且作用效果不如其他方式明顯[8-9]。果農(nóng)還可以通過引進(jìn)天敵的方法對(duì)果園進(jìn)行驅(qū)鳥驅(qū)蟲，但是盲目引進(jìn)外來物種可能對(duì)環(huán)境造成不可逆損害。綜上可知，單一傳統(tǒng)的防治措施都有不可避免的弊端，研究發(fā)展新型及綜合防控技術(shù)具有重要意義。

本研究針對(duì)蘋果園滅蟲驅(qū)鳥，將物理方法與化學(xué)方法相結(jié)合，綜合運(yùn)用黑光燈滅蟲、超聲波驅(qū)鳥及藥劑驅(qū)鳥方式，擴(kuò)大裝置的有效工作范圍，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。已有的蘋果園蟲害鳥害綜合防治技術(shù)表明，采用綜合防治技術(shù)可以在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上有效地減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥的使用，降低果實(shí)的農(nóng)藥殘留，提高果實(shí)質(zhì)量[5，10-12]。但是已有的綜合防治技術(shù)存在技術(shù)綜合程度較低、相關(guān)研究較少等問題，因此，設(shè)計(jì)搭建一套集滅蟲驅(qū)鳥于一體的蘋果園綜合防治裝置具有重要意義。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)蘋果園傳統(tǒng)單一滅蟲驅(qū)鳥的方法，基于綠色高效綜合防控理念，設(shè)計(jì)聲光氣組合蘋果園滅蟲驅(qū)鳥裝置。本裝置由黑光燈模塊、超聲波模塊和藥劑擴(kuò)散模塊組成，3個(gè)模塊協(xié)同配合完成工作。其中，黑光燈模塊由黑光燈和瞬時(shí)高壓電網(wǎng)組成；超聲波模塊由超聲波發(fā)生器和紅外檢測(cè)模塊組成；藥劑擴(kuò)散模塊由鼓風(fēng)機(jī)和有孔料筒組成。

黑光燈滅蟲是利用黑光燈輻射出λ=360 nm的紫外線，以及害蟲的趨光性對(duì)害蟲進(jìn)行誘集，同時(shí)配合瞬時(shí)高壓電網(wǎng)對(duì)誘集到的害蟲進(jìn)行捕殺[13]。超聲波驅(qū)鳥是利用超聲波對(duì)鳥類的神經(jīng)系統(tǒng)和生理系統(tǒng)產(chǎn)生影響，當(dāng)超聲波發(fā)出頻率在20 kHz以上時(shí)，即可驅(qū)趕鳥類[14]。藥劑擴(kuò)散驅(qū)鳥是利用市場(chǎng)上已有的純天然無公害生物試劑釋放影響鳥類呼吸系統(tǒng)的特色氣味從而迫使鳥類離開，同時(shí)試劑配合鼓風(fēng)機(jī)和有孔料筒使用，擴(kuò)大其有效工作半徑[15]。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過程

聲光氣組合蘋果園滅蟲驅(qū)鳥裝置主要由超聲波模塊、黑光燈模塊、藥劑擴(kuò)散模塊和控制模塊構(gòu)成，裝置外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制系統(tǒng)由單片機(jī)、開關(guān)電源、兩路繼電器、紅外檢測(cè)模塊、功率放大模塊和光敏電阻模塊組成。其中，控制器是STC公司的STC89C51單片機(jī)，能滿足裝置硬件控制和裝置控制程序的需要。電源由開關(guān)電源外接220 V交流電提供。

1.端蓋 2.料筒擋板 3.料筒 4.機(jī)架 5.藥劑擴(kuò)散模塊 6.機(jī)架擋板 7.超聲波模塊及控制模塊 8.黑光燈 9.瞬時(shí)高壓電網(wǎng)圖1 裝置外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Device structure

整機(jī)結(jié)構(gòu)以機(jī)架擋板為基準(zhǔn)。黑光燈固定于擋板下部，瞬時(shí)高壓電網(wǎng)位于機(jī)架底部。超聲波發(fā)生器、紅外檢測(cè)裝置、鼓風(fēng)機(jī)固定于擋板上，由單片機(jī)控制各個(gè)模塊的工作狀態(tài)。固體驅(qū)鳥藥劑放置在機(jī)架頂部的有孔料筒內(nèi)，鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流通過軟管送入有孔料筒加速藥劑擴(kuò)散。

裝置供電后進(jìn)入工作狀態(tài)，各模塊的具體工作情況由光敏電阻控制。白天時(shí)鳥類活動(dòng)較為頻繁，當(dāng)光敏電阻檢測(cè)到周圍光強(qiáng)較大時(shí)，通過電壓比較電路給單片機(jī)輸入信號(hào)，單片機(jī)控制超聲波模塊和藥劑擴(kuò)散模塊進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥功能；夜晚時(shí)蟲類活動(dòng)較為頻繁，當(dāng)光敏電阻檢測(cè)到周圍光強(qiáng)較小時(shí)，給單片機(jī)輸入一個(gè)與白天相反的工作信號(hào)，使得超聲波和藥劑擴(kuò)散模塊關(guān)閉，黑光燈模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，完成夜間的滅蟲工作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 黑光燈模塊

黑光燈模塊由黑光燈管、瞬時(shí)高壓電網(wǎng)和兩路繼電器組成。瞬時(shí)高壓電網(wǎng)固裝于機(jī)架的下底面，黑光燈由繩結(jié)固聯(lián)在機(jī)架擋板下方。兩路繼電器的兩個(gè)控制端分別與黑光燈和紅外接近傳感器、瞬時(shí)高壓電網(wǎng)相連，繼電器的輸入端與單片機(jī)控制模塊相連。

光敏電阻是單片機(jī)控制模塊的核心元件。通過光敏電阻感知到光強(qiáng)的改變控制電壓比較電路輸出的電位高低，單片機(jī)控制模塊對(duì)繼電器的通斷進(jìn)行控制，黑光燈管與瞬時(shí)高壓電網(wǎng)同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，配合工作完成滅蟲。黑光燈模塊工作流程如圖2所示。

為達(dá)到良好的控制效果，利用萬用電表測(cè)量光敏電阻在光強(qiáng)變化下阻值的變化情況。根據(jù)光敏電阻阻值的變化情況，電壓比較電路取用阻值1 000 Ω的普通電阻作為比較電阻；根據(jù)黑光燈對(duì)害蟲的吸引效果不同，選擇360 nm、26 W的黑光燈管作為主要工作部件；對(duì)于瞬時(shí)高壓電網(wǎng)，選取輸出電壓為3 800～4 200 V。

圖2 黑光燈模塊工作流程Fig.2 Working flowchart of black light module

2.2 超聲波模塊

超聲波模塊由超聲波發(fā)生器、紅外檢測(cè)器、功率放大模塊和繼電器組成。超聲波發(fā)生器與功率放大模塊相連，固定在擋板上；紅外檢測(cè)器固裝于擋板四周的邊緣上。繼電器視作開關(guān)連接在單片機(jī)控制器和超聲波發(fā)生器之間，用于控制超聲波模塊的工作狀態(tài)。與黑光燈模塊的工作原理相同，單片機(jī)控制模塊通過對(duì)超聲波模塊內(nèi)的繼電器進(jìn)行控制，進(jìn)而使得超聲波發(fā)生器和紅外檢測(cè)器在白天同時(shí)工作。當(dāng)紅外檢測(cè)器檢測(cè)到有鳥類飛過時(shí)，超聲波發(fā)生器開始發(fā)出超聲波并持續(xù)10 s。發(fā)聲時(shí)間結(jié)束后，紅外檢測(cè)器再次檢測(cè)以決定超聲波發(fā)生器是否繼續(xù)發(fā)聲。二者配合工作完成驅(qū)鳥。超聲波模塊工作流程如圖3所示。

為增強(qiáng)紅外檢測(cè)器的檢測(cè)范圍，采用有菲涅爾光學(xué)透鏡的紅外檢測(cè)器，擴(kuò)大檢測(cè)的角度范圍；查閱資料顯示，頻率范圍在20～50 kHz的超聲波對(duì)驅(qū)鳥較為有效，取用可發(fā)出40 kHz的HY-SR04型超聲波發(fā)射模塊配合單片機(jī)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射頻率的改變；為使超聲波模塊的有效工作半徑與黑光燈模塊的有效工作半徑大致相符，取用功率放大倍數(shù)為33倍的功率放大模塊擴(kuò)大其有效工作半徑。

圖3 超聲波模塊工作流程Fig.3 Working flowchart of ultrasonic module

2.3 藥劑擴(kuò)散模塊

藥劑擴(kuò)散模塊由料筒、鼓風(fēng)機(jī)、固體驅(qū)鳥藥劑、開關(guān)電源和繼電器組成。料筒通過焊接固定在機(jī)架的最頂端，藥劑位于料筒內(nèi)的隔板上。鼓風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與料筒的進(jìn)風(fēng)口通過軟管相連，鼓風(fēng)機(jī)的電源與開關(guān)電源、繼電器和單片機(jī)控制模塊相連。當(dāng)光敏電阻檢測(cè)到周圍的光強(qiáng)達(dá)到固定值時(shí)，單片機(jī)控制模塊發(fā)出信號(hào)使繼電器吸合，藥劑擴(kuò)散模塊開始工作。

為使料筒便于出風(fēng)，設(shè)計(jì)了孔徑分布均勻的料筒，取料筒上的孔徑大小為50 mm；為使料筒出風(fēng)口處的風(fēng)速達(dá)到2級(jí)風(fēng)力，鼓風(fēng)機(jī)取用HG-1500型，其風(fēng)量為250 m3/h；查閱相關(guān)資料后，選取10包果園專用“鳥鼠凈”固體驅(qū)鳥藥劑，其有效工作時(shí)間可達(dá)15 d。

3 裝置測(cè)試及調(diào)試結(jié)果分析

3.1 單模塊測(cè)試

各個(gè)模塊設(shè)計(jì)完成后，分別進(jìn)行單模塊試驗(yàn)測(cè)試其有效工作半徑。在測(cè)試時(shí)，選取蘋果園常見害蟲(桃小食心蟲、蘋果棉蚜和蘋小食心蟲)進(jìn)行試驗(yàn)，分別用3種害蟲各20只進(jìn)行不同距離的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 黑光燈模塊工作結(jié)果Tab.1 Working result of black light module

通過3種害蟲的反應(yīng)可以大致推出，黑光燈模塊的有效工作半徑約為15 m。

對(duì)于超聲波模塊和藥劑擴(kuò)散模塊，取用10只麻雀作為試驗(yàn)材料研究其有效工作半徑，并用40 m長(zhǎng)線束縛麻雀，人為控制活動(dòng)范圍。分別開啟超聲波模塊和藥劑擴(kuò)散模塊，觀察麻雀在不同距離的活動(dòng)情況。測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。通過10只麻雀的反應(yīng)可大致推出，超聲波模塊的有效工作半徑約為10 m，藥劑擴(kuò)散模塊的有效工作半徑約為15 m。

表2 超聲波模塊工作結(jié)果Tab.2 Working result of ultrasonic module

表3 藥劑擴(kuò)散模塊工作結(jié)果Tab.3 Working result of chemical diffusion module

3.2 整體裝置測(cè)試

3.2.1 滅蟲試驗(yàn)

滅蟲試驗(yàn)步驟如下。

(1)準(zhǔn)備蘋果園內(nèi)常見害蟲桃小食心蟲、山楂葉螨、蘋小食心蟲、蘋果棉蚜、金紋細(xì)蛾、桃蛀果蛾各20只。

(2)將裝置布置在試驗(yàn)場(chǎng)地中心，各類蟲子隨機(jī)布置在裝置四周。

(3)將裝置調(diào)節(jié)至夜晚工作模式開啟6～8 h，觀察試驗(yàn)結(jié)果。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，室外試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，該裝置對(duì)于飛行類害蟲殺滅情況良好，對(duì)于其他害蟲殺滅情況一般。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在室外試驗(yàn)中，無法避免非試驗(yàn)投入蟲類及周圍環(huán)境干擾對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。總體而言，室外試驗(yàn)效果比室內(nèi)實(shí)驗(yàn)效果略差，但仍可基本實(shí)現(xiàn)裝置設(shè)定功能。

表4 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Laboratory results 單位：只

表5 室外試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Outdoor experiment results 單位：只

3.2.2 驅(qū)鳥試驗(yàn)

驅(qū)鳥試驗(yàn)步驟如下。

(1)將裝置布置在西北農(nóng)林科技大學(xué)蘋果試驗(yàn)地內(nèi)并調(diào)試。

(2)選擇天氣晴朗的時(shí)候，在每天7∶00—9∶00和16∶00—18∶00時(shí)打開裝置，記錄鳥類進(jìn)入試驗(yàn)田的數(shù)量(落下時(shí)間不足5 s的不計(jì)數(shù))。

(3)觀察5 d，處理數(shù)據(jù)得出試驗(yàn)結(jié)論。

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。使用SPSS Statistics 26軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。經(jīng)過5 d觀察，開啟滅蟲驅(qū)鳥裝置后，全天落入試驗(yàn)田的鳥類數(shù)量為5.60只，比未開啟裝置時(shí)減少了42.86%。兩組數(shù)據(jù)經(jīng)t檢驗(yàn)，具有顯著性差異(P<0.05)，證明該滅蟲驅(qū)鳥裝置具有一定驅(qū)鳥效果。

表6 驅(qū)鳥試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of bird repelling experiment 單位：只

3.3 結(jié)果分析

由各模塊測(cè)試和整體測(cè)試結(jié)果可知，本研究設(shè)計(jì)的新型聲光氣組合蘋果園滅蟲驅(qū)鳥裝置的有效工作半徑為10 m，具有一定滅蟲驅(qū)鳥效果。在實(shí)際應(yīng)用中，整體裝置會(huì)受到天氣、果園植株等不確定性因素影響，裝置的有效工作半徑可能減小。然而，該系統(tǒng)對(duì)于蘋果園內(nèi)常見的害蟲害鳥還是具有一定的滅蟲驅(qū)鳥功能，可實(shí)現(xiàn)果樹保護(hù)，該裝置可以達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)當(dāng)前蘋果園蟲害鳥害綜合防控的需求，設(shè)計(jì)了一種新型聲光氣組合蘋果園滅蟲驅(qū)鳥裝置，利用黑光燈的害蟲誘集性、超聲波的鳥類驅(qū)離性和現(xiàn)有驅(qū)鳥劑實(shí)現(xiàn)了果園內(nèi)滅蟲驅(qū)鳥功能。試驗(yàn)表明，該裝置在室外的工作條件下可以達(dá)到50%以上的滅蟲驅(qū)鳥效率，具有一定滅蟲驅(qū)鳥效果。本研究有以下2點(diǎn)創(chuàng)新。

(1)利用氣泵原理，將鼓風(fēng)機(jī)與有孔料筒相配合，加快固體驅(qū)鳥試劑的揮發(fā)速度，擴(kuò)大其作用范圍。

(2)此滅蟲驅(qū)鳥器將物理方法(如黑光燈誘捕、超聲波驅(qū)離)與化學(xué)方法(如固體驅(qū)鳥劑)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果園內(nèi)蟲害鳥害的防治。

綜上所述，聲光氣組合蘋果園滅蟲驅(qū)鳥裝置設(shè)計(jì)符合蘋果園滅蟲驅(qū)鳥實(shí)際，具有一定實(shí)用效果及較好的應(yīng)用前景，為果園蟲害鳥害防治提供了一種綜合多種技術(shù)、實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的思路，但還應(yīng)在提高害蟲致死率和鳥類驅(qū)離率方面開展研究。