自动追踪式可升降太阳能虫害监测装置的设计

李芝茹，吴晓峰*，李全罡，张北航，曹曦明

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091)



自动追踪式可升降太阳能虫害监测装置的设计

李芝茹1，2，吴晓峰1，2*，李全罡1，2，张北航1，2，曹曦明1，2

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091)

本文设计了一种自动追踪式的可升降太阳能虫害监测装置。该装置可实现对太阳光的自动追踪，可根据需要调节作业高度，可监测到实际工作效果，其全部动力来源于绿色环保的太阳能。采用铝型材框架结构结合电动旋转平台、液压油缸实现对太阳光的追踪和对工作高度的调节，通过GPRS技术实现灭虫数据的无线传输，提高了装置的光能利用率，便于管理，从而提高装置的适用性。

太阳能自动追踪；可升降；虫害监测

0 引 言

近年来，林业虫害的发生严重制约着当前的林业发展，尤其城市绿地、园林、苗圃、公园和果园等培植树种多元化程度低、害虫天敌少的区域[1]，大面积虫害时有发生[2-3]。主要是蛾蝶类幼虫通过其咀嚼式口器蚕食植物的茎、叶、花、果实和种子，使其表面残缺、孔洞、折断，甚至钻蛀茎杆，造成多种不可修复的机械性损伤[4]。2015年9月，广西防城港市海域红树林爆发虫灾，防城港共有红树林2 182 hm2，仅9月份一个月内遭受虫灾的面积近370 hm2，其中有205 hm2为重度受灾[5]。2015年10月，安徽省北部多个县市遭遇特大虫灾，主要是美国白蛾(Hyphantriacunea)、蜀柏毒蛾(Parocneriaorienta)等，造成柏木受灾面积超过40万hm2[6]。2009年，山东滕州市大面积爆发杨小舟蛾(MicromelalophatroglodytaGraeser)虫灾，虫害发生面积达逾333 hm2，其中重灾面积66.7 hm2，受灾严重地区杨树树叶已被杨小舟蛾的幼虫吃光[7]。

2007年起，北京、天津、河北、辽宁和山东5省(市)就不同程度的发生了美国白蛾等虫害，虫灾不仅危害树木本身，而且对受灾地区的降雨量、自然景观、气候调节、林木经济都会造成很大影响[8-9]。各地用于虫灾防治的资金投入也逐年攀升，例如北京市每年用于虫害防治方面的费用为几个亿，据估计，5a后这一数字更将达到20亿元。很多专家学者对虫害防治措施展开研究：戴修远[10]以浙江省仙居县为例，分析害虫的生长特点和发生规律并探究防治办法。同时，赵卫华[11]以常州市的行道树木为例，归纳总结城市园林虫灾爆发的常规诱因及防治措施。

通过对现有资料的研究发现，多地区虫害监测机制不健全同时虫灾测报不准确，虫灾发生以后得不到及时果断的治理，一旦毛虫进入暴食期就很难遏制，从而造成虫灾。因此，通过对常见害虫的发生和消长规律研究，掌握其生命周期有的放矢的从源头消灭害虫，应用微量传感技术和GPRS[12-13]技术实现灭虫数据的传输以加强管理，对于规避虫灾、保护植物、保护绿地环境具有重要意义。

1 装置的整体工作思路

本设计中的太阳能虫害防治装置，顺应虫害防治和预测预报工作日趋智能化、电子化、可视化的新形势。其太阳能电池板可自动追踪太阳光、可根据实际应用环境调节工作高度[14]。其整体工作思路如图1所示。开机后判断装置工作模式：白天(6：00-18：01)太阳能电池板对蓄电池充电，其中步进电机带动旋转平台使太阳能帆板电池可对太阳光进行追踪，以提高光能利用率，将收集光能转换为电能后储存于蓄电池；夜间(18：01-6：00)由蓄电池供电实现黑光灯吸引害虫、高压电网灭杀害虫、传感器计量、控制模块数据转换、无线传输模块监测灭虫结果等工作[15]。控制部分选择操作简便、较为常用的三维力控组态软件分别与PLC和DTU设备连接，以实现对灭虫数据的监测。

图1 装置整体工作思路Fig.1 The working principles of the device

具体针对蛾蝶类成虫的趋光性利用黑光灯发射波长360 nm的UVA紫外光进行诱虫，而后应用太阳能高压电网击穿飞入的害虫躯体以实现灭虫功能，通过数据采集模块和转换模块对等时间间隔内收集的害虫重量，通过压力传感器和红外计数器，对数据进行拾取、转换，最后传输到PC终端。整个过程能量来源于太阳能，安全便捷；其适用性强，结构轻巧，无需焊接，便于安装、拆卸和运输；灭虫过程对环境无污染，低碳作业不占用林区资源和水，完全实现对林区害虫的绿色防控，对保护环境、维持生态稳定及能源的可持续发展有重要意义。

2 机械结构设计

应用SolidWorks软件对装置进行三维建模和模拟计算，该装置的升降调节范围1 500～2 500 mm。其整体结构升降效果和电动旋转平台简图如图2和图3所示。采用太阳能光伏发电技术与自动控制技术相结合，应用体积小、强度高的铝

1-脚轮；2-底座；3-铝型材框架；4-液压油缸； 5-灭虫灯；6-旋转平台；7-太阳能帆板电池.图2 整体升降效果图Fig.2 The illustration of the lifting performance

1-铝型材框架；2-旋转平台； 3-电动推杆；4-太阳能帆板电池.图3 电动旋转平台简图Fig.3 The schematic diagram of electric rotating platform

型材框架结构结合电动旋转平台、液压油缸实现对太阳光的追踪和对工作高度的调节。其中电动旋转平台中驱动步进电机的直流电来源于蓄电池，通过定位精准、快速的齿轮传动实现平台的平稳旋转。利用液压油缸调节装置升降，使装置结构紧凑适用性强。镂空的铝型材框架结构更利于林区防风和装置的升降高度观测。

3 控制部分设计

3.1 装置初始角的确定

试验地哈尔滨所在地理位置东经125°42′～130°10′、北纬44°04′～46°40′，斜面日均辐射量15 838 wh(瓦时)，峰值日照时数4.399 796 4 w/m2·d(瓦每平方米每天)[16-17]。对太阳光的追踪采用匀速控制法[18-19]，即根据地球固定的自传速度，近似的认为早晨太阳从东方升起经正南方向后落向西方，24h地球自传一周即太阳方位角上15°/h或4 min/°匀速运动，据此探究MPPT(Maximum Power Point Tracking)即对太阳光的最大功率点追踪。

应用匀速控制法对太阳运行轨迹进行追踪，首先应计算太阳能帆板电池安装的初始角度，即通过对试验地点太阳高度角h(sun)和方位角a(sun)的计算确定安装初始角度。如图4所示。

图4 太阳高度角和方位角Fig.4 The altitude angle and azimuth angle of the sun

其中太阳高度角h(sun)为太阳中心直射地面的光线与水平面的夹角，，日出和日落的时刻为0°，正午(太阳中心正好对着子午线的时刻)达到最大值。

sinh(sun)=sinφsinδ+cosφcosδcosω。

(1)

式中：φ为试验地点的地理纬度；δ为地球赤道平面与太阳和地球中心连线间的夹角，即太阳赤纬；ω为太阳时角。

其中正午时刻的时角ω为零，h(sun)可缩略表示为：

h(sun)=90°-φ+δ(太阳在天顶以南)。

(2)

h(sun)=90°+φ-δ(太阳在天顶以北)。

(3)

而太阳方位角a(sun)指太阳光在地面的投影与实验地点子午线的夹角，-180°≤a(sun)≤+180°，a(sun)在正南方向为零，由南偏东为负，由南偏西为正[20]。则有如下关系：

(4)

(5)

即：cosa(sun)=sinδsecφ。

(6)

式中：φ为试验地点的地理纬度；δ为地球赤道平面与太阳和地球中心连线间的夹角，即太阳赤纬。

3.2 装置控制原理

设计该装置可根据太阳光的移动，改变太阳能电池板接收光能的角度，可对灭杀害虫重量进行监测并进行数据转换和传输，其控制框图如图5所示。根据装置白天和夜间工作内容的不同，为避免重复动作节省能耗，应判断好时间节点，在程序预设好的时刻将电动旋转平台、质量传感器、数据转换模块等控制元件接入电源。以太阳能电池板自动追踪动作为例，何时接入电动旋转平台其流程简图如图6所示。根据地球匀速自传，太阳方位角每60 min转过15°，近似将太阳能电池板每120 min接入电源一次，每次接电转过30°；因此需要装置对时间节点进行判断：如果需要则将相应的角度参数转换成装置的控制参数，并启动旋转平台以改变太阳能电池板接收光能的角度。

通过质量传感器计量等时间间隔内(具体设置为每120 min)灭杀害虫的重量，对其进行累加，并利用数据采集模块将所统计的灭虫数据进行拾取，再通过数据转换模块将数据采集模块收集的数据转换为可传输的信号，应用GPRS技术将转换后的信号通过无线网络定期传送到固定的IP网络，通过配套的数据分析软件实现对灭虫情况的实时监测。

图5 装置控制框图Fig.5 The diagram of control block of the device

图6 自动追踪控制流程简图Fig.6 The flow chart of automatic tracking control

4 结束语

该装置应用太阳能光伏技术，实现对林区虫害的防治更具优越性。功能上针对有趋光性害虫羽化后的成虫进行绿色灭杀，从源头上终止了害虫的生命周期，避免害虫成虫进入暴食期为害。形式上顺应了当前虫害防治和预测预报工作日趋智能化、电子化、可视化的新形势，广泛适用于城市绿地、园林、苗圃、公园和果园等树种多元化程度低、害虫天敌少、传统防虫手段难于实施的区域。综上所述，该装置应用简便、功能高效、绿色环保，对植物保护和虫害防治工作有重要作用。

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Design of the Solar Liftable Device for Pest Monitoringwith Automatic Tracking

Li Zhiru1，2，Wu Xiaofeng1，2，Li Quangang1，2，Zhang Beihang1，2，Cao Ximing1，2

(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，the State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Forestry New Technology Research Institute，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China)

The solar liftable device for pest monitoring with automatic tracking was designed in this study.The device can automatically track the sun’s rays.The height of the device can be adjusted according to operational needs，the working performance could be easily monitored，and the driving power were all from the green and environmental solar energy.Aluminum frame structure combining with electric rotating platform and hydraulic cylinder was used to implement solar automatic tracking and the height adjustment.The GPRS technology was used to conduct the wireless transmission.The designed solar liftable device enhanced the efficiency of solar energy utilization，was easy to manage and improved the applicability.

solar；automatic tracking；liftable；pest monitoring

2016-08-30

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(CAFINT2015C13)

李芝茹，硕士，工程师。研究方向：林业机械。

*通信作者：吴晓峰，本科，高级工程师。研究方向：林业机械。Email：286710269@qq.com

李芝茹，吴晓峰，李全罡，等.自动追踪式可升降太阳能虫害监测装置的设计[J].森林工程，2016，32(6)：85-88.

TM 615

A

1001-005X(2016)06-0085-04