基于红外传感器的实蝇类害虫实时监测装置的设计

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　　摘要：监测实蝇类害虫发生动态，是对其有效防控的基本前提。设计出1种可自动诱捕与计数的实蝇类害虫实时监测装置，为提高实蝇类害虫监测和预测预报的准确度与时效性提供了1种新装备。该装置由害虫诱杀装置、红外计数传感器、红外计数远程测控仪、实时监测软件等组成，利用特定引诱物、发光二极管（LED）光源对实蝇诱集的特性，采用红外传感器进行实时计数。选取橘小实蝇进行装置测试试验，在实验室环境下测试实时监测系统的检测成功率。试验结果表明，该装置可以實时获取进入红外计数感应区的实蝇数量，当时间间隔≥7 s时，实时监测系统的检测成功率为98%。利用该装置可以实现通过手机查询实蝇类害虫实时虫量、小时虫量和日虫量的统计汇总数据，方便用户及时、准确地得知实蝇类害虫发生的动态变化，掌握实蝇的发生规律。
　　关键词：实蝇;红外计数;自动诱捕;发光二极管（LED）;实时监测;软件设计
　　中图分类号： S126;TP212.9文献标志码： A
　　文章编号：1002-1302（2020）04-0230-05
　　收稿日期：2019-12-02
　　基金项目：中央引导地方科技发展专项（编号：2017L3007）;福建省农业科学院科研项目（编号：A2017-28）;福建省农业科学院科技创新团队（编号：STIT2018-1-8）。
　　作者简介：梁 勇（1986—），男，福建福州人，硕士，助理农艺师，主要从事植保技术研究。Tel：（0591）87572332;E-mail：278017592@qq.com。
　　通信作者：邱荣洲，硕士，副研究员，主要从事数字植保技术研究。Tel：（0591）87572332;E-mail：49497479@qq.com。
　　实蝇是双翅目（Diptera）实蝇科（Tephritidae）昆虫的统称，是水果和蔬菜类作物的重要害虫，被世界上许多国家和地区列为重要检疫性有害生物。我国是世界上受实蝇危害较重的国家之一，其中危害果蔬的重要优势种有橘小实蝇（Bactrocera dorsalis Hendel）、橘大实蝇（B. minax Enderlein）、瓜实蝇（B. cucurbitae Coquillett）、南瓜实蝇（B. tau Walker）和番石榴果实蝇（B. correcta Bezzi）等[1]，每年给我国果蔬产业造成重大经济损失[2-3]。监测实蝇发生动态，是对其有效防控的基本前提。实蝇的监测手段主要是采集腐烂脱落的虫果，或借助特定的引诱物（如实蝇性诱剂和食物诱饵）以及相应的诱捕器进行诱捕监测，并通过定期人工统计实蝇成虫数量。该方法以人工调查为主，需要大量劳动力，且无法对田间虫害情况进行快速监测[4]。
　　为了解决害虫监测上费时费力的问题，新的监测技术不断被探索[5]。随着计算机技术、物联网技术等的发展，目前农业害虫自动识别与监测技术主要有图像识别、声音信号识别、雷达识别、红外计数等[6-7]。基于图像的昆虫自动识别与计数的研究通过无线网络将田间高清害虫照片传输到主控平台中，在主控平台中对农田中常见的害虫实现特征提取和识别[8-9]。灯光和色板诱虫谱广，适用于监测点昆虫多样性调查[10]。朱世明等利用基于光学暗场反射测量的光学遥感技术探测飞行的农业害虫[11]。基于红外传感器的昆虫自动识别与计数的研究采用含有性信息素的诱捕器进行害虫的诱捕，害虫落入红外传感器后，形成计数脉肿，触发计数器计数[12-13]。
　　诱捕器配合使用的红外自动计数技术因具有低成本、低功耗等优点，是害虫测报中不错的技术选择，在梨小食心虫、橘小实蝇、斜纹夜蛾等鳞翅目害虫的自动监测中进行了试验与应用[14-16]。本研究利用特定引诱物、LED光源对实蝇诱集的特性，采用红外传感器进行实时计数，设计出1种的可自动诱捕与计数的实蝇类害虫实时监测装置，为实时获取害虫发生数量的动态数据，掌握害虫的发生规律提供1种新装备。
　　1 系统总体设计
　　本害虫实时监测装置总体上可分为3个部分：数据采集端、数据服务端、数据查询端。数据采集端主要由害虫诱杀装置、红外计数传感器、数据传输单元（DTU）、太阳能供应组件等组成，电源由太阳能板供电，蓄电池作为不间断电源，结构如图1所示。害虫诱杀装置有LED灯版、性诱剂、高压电网、进虫盒等零部件。主要原理是利用昆虫间化学通信和物理学反应来引诱昆虫进入高压电网，当触碰到电网后，会被高压击倒，掉入红外计数感觉区，触发红外计数传感器计数，最后DTU将计数结果通过4G网络上传到数据服务器。软件系统主要由数据服务接口和手机查询客户端组成，采用JAVA、SQL Server、Apache开发，管理人员可以通过手机或PC端进行数据的实时监测。
　　2 终端硬件设计
　　2.1 LED灯板
　　LED灯板由铝基板、LED灯珠、导光板组成（图2）。铝基板采用双面设计，结构为电路层、绝缘层、铝基、绝缘层、电路层，在双面板上同时设置LED灯珠，光线诱集面积更大，诱引效果更好。可用于昆虫诱捕的特定波长有：红（波长640 nm±10 nm）、黄（波长575 nm±10 nm）、绿（波长520 nm±10 nm）、青（波长490 nm±10 nm）、蓝（波长465 nm±10 nm）、紫（波长430 nm±10 nm）等。LED灯珠使用特定波长的颜色时，就可诱引趋向特定波长颜色的多种昆虫。本设计利用实蝇类昆虫趋黄光特性，选用黄色（波长575 nm±10 nm）LED灯珠，8个灯珠均匀分布在铝基板的双面上，两面的LED灯珠再覆盖1层导光板。导光板可以把LED灯珠光源转化成面光源，使光线散布得更为均匀，当LED灯板垂直安装时，两面照射的范围近似于360°，对趋光性昆虫的诱引效果更佳。LED双面灯板的输入电源为直流电5 V，使用弱电电源供电，安全性更高。对LED双面灯板进行光谱测试，光谱测定的主波长为582.4 nm，符合特定波长黄色（波长575 nm±10 nm）的范围。 　　2.2 逆变电路及高压模块
　　逆变电路由电源组件、高频振荡器、五倍压整流电路和高压电网组成（图3）。三极管Q1和变压器T1构成的自激振荡电路，将3.3 V直流电逆变成高频交流电，在T1的高压绕组N3两端得到约AC 500 V的电压，再经D1-D5、C1-C5组成的五倍压整流电路升高到DC 2 500 V左右，加到环形电网上，当害虫触碰电网相邻两极时，虫体造成电网短路，立即被电弧击晕或击毙。
　　电源组件是由LM2596-3.3 V稳压芯片和少数几个元器件组成（图4）。LM2596系列是德州仪器（TI）生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压芯片，电路如图5所示，内含固定频率振荡器（150 kHz）
　　和基准稳压器（1.23 V），将输出电压的分压电阻网络的输出同内部基准稳压值1.23 V进行比较，若电压有偏差，则可用放大器控制内部振荡器的输出占空比，从而使输出电压保持稳定，使环形电网可以获得稳定的高电压。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路，可提供3.3、5、12 V及可调（-ADJ）等多个电压档次。本设计采用12 V太阳能电池组供电，由于太阳能电池组充电会随着电量消耗而上下波动，根据自激振荡电路的需要，选用3.3 V稳压芯片，将太阳能电池组提供的不稳定电压保持稳定输出。
　　2.3 红外计数传感器模块
　　红外计数传感器计数原理是用紅外中断传感器感知害虫进入监测区引起的电阻特性差异。使用940 nm波段的红外发射管，由多组红外发射管和多组红外接收管形成一个红外检测层，红外接收管将红外线光信号转变成电信号输出，只要有害虫通过红外检测层，红外接收管接收到的红外线就有部分被遮挡，输出的电信号就会发生变化，根据电信号的变化量对害虫进行计数。如图6，每当害虫个体大小L，通过红外检测层A2位置时，引起电信号的变化，电信号变化的数量即为害虫通过的数量。
　　害虫数量数据由害虫监测红外计数远程测控仪采集，再由测控仪发送到中心服务器（图7）。
　　2.4 红外计数远程测控仪
　　害虫监测红外计数远程测控仪集成了微控制器、GPRS通信模块、主控电路等（图8）。害虫监测红外计数远程测控仪可实现红外计数采集，通过GPRS通信模块将采集的数据发送到中心服务器。害虫监测红外计数远程测控仪的微控制器为意法半导体的STM8S系列主流8位微控制器，适于工业、消费类和计算机市场的多种应用，特别是要实现大批量应用的情况。基于STM8专有内核，STM8S系列8位微控制器采用ST的130 nm工艺技术和先进内核架构，主频达到24 MHz，处理能力高达20 MIPS。当电源电压为12 V时，工作电流在0.018～0.1 A之间，实现低功耗。主要参数指标如表1所示。
　　3 系统软件设计
　　害虫监测模块服务器无线数据中继软件监测中心服务器，接收并存储设备上传数据，下发配置参数。软件以Service形式后台运行，通过配置文件和指定的SQL Server数据表加载用户配置。系统定义容量10 kB，在网容量1 kB，网络侧吞吐量0.1 kB/s，还具备数据库写入缓冲功能，缓冲容量90 kB，缓冲区持久存储有效期48 h。数据查询端应用HTML5移动开发技术，设计开发跨平台的手机查询系统软件，为用户提供当前虫量实时查看工具，包括最近24 h内的小时汇总虫量和最近30 d内的每天汇总虫量。
　　4 系统测试
　　在实验室环境下，将田间诱集到的橘小实蝇带回实验室，放入-18 ℃冰冻室将活虫冻死后取出，然后开启害虫实时监测装置，投放间隔时间分为5、6、7、8、9 s，每个时间间隔分别投入100只橘小实蝇进入监测装置。测试结果表明，当时间间隔为5 s时，利用实时监测系统检测出的橘小实蝇成功率为56%;当时间间隔为6 s时，橘小实蝇检测成功率为84%;当时间间隔为7 s时，橘小实蝇检测成功率为98%;当时间间隔为8 s和9 s时，橘小实蝇检测成功率均为100%（图9）。
　　5 结论
　　本研究开发了1种基于红外传感器的实蝇类害虫实时监测装置，装置包括害虫诱杀装置、红外计数传感器、红外计数远程测控仪、配套软件系统等，实现了实蝇类害虫的自动诱捕与计数。在实验室环境下试验数据表明，害虫监测红外计数远程测控仪接收和发送1条数据的时间间隔为6 s，当时间间隔小于6 s时，实时监测系统检测出的橘小实蝇数量会比人工少，存在数据漏报，当时间间隔≥7 s 时，实时监测系统的检测成功率为98%。系统软件实现了通过手机查询实时虫量、小时虫量和日虫量的统计汇总数据，方便用户及时、准确地得知害虫发生的动态变化，掌握害虫的发生规律。本装置针对实蝇白天活动的生活习性，以LED为光源，采用太阳能电池板直接供电，不仅减少了蓄电池的使用，保护环境，还可以节约设备功耗，降低项目建设成本。目前本系统仅在实验室环境下测试，尚未在大田害虫种类繁多、虫态及其高温、多雨等复杂多变的环境开展相关试验，设备运行稳定性、适用性需要在后续的工作中进一步验证完善。
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