基于物联网光伏智能水稻害虫防治监控系统设计

张文涵++吴海涛++姜贺++王润涛

摘 要：在东北水稻害虫发生面积和危害程度逐渐增大，严重影响水稻产量和品质的状况下，该文设计了一款具有检测天气变化、装置的倾斜角、自动清理高压电网上虫体，以及采集数据并传送给用户功能的光伏智能水稻害虫防治监控系统。系统主要由预警装置、杀虫装置、清洁装置、供电及电源控制部分组成，合理减少农药使用次数，实现了水稻高产和优质的目的，同时使系统更加智能化。

关键词：水稻害虫防治 光伏发电 频振式LED灯 GSM模块

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（c）-0094-02

东北水稻种植面积逐年扩大，随着全球气候变暖等因素的变化，其水稻害虫发生面积和危害程度逐渐增大，对东北优质水稻生产构成了较大影响。在此背景下，利用昆虫的趋光性对其进行诱杀防治是目前所采取的主要物理措施。传统的杀虫黑光灯受安装地点、高度以及每天必须人为进行开关的限制，不仅耗电且管理维护不便；放有毒剂的集虫箱容易散漏，造成人畜中毒等事故。因此为了节省大量人力物力，方便管理，防止事故发生，该文结合当今物联网技术——GSM技术、ZigBee技术，研究和设计一款基于物联网的光伏智能水稻害虫物理防治监控系统。

1 系统整体设计

系统采用光伏发电技术，利用太阳能电池板、蓄电池、控制器构成的光伏发电装置为系统供电，避免使用大量的电缆，减少安全隐患事故的发生并且节约能源[1]；采用频振式LED灯配以紫外灯构成宽谱诱虫光源，具有寿命长、可靠耐用、维护费用极为低廉的优点，且针对传统杀虫装置需人工定期清洁电网的问题，增加了清洁装置与害虫收集装置；采用角度传感器、重量采集模块、火情采集模块收集装置信息，并与GSM模块和ZigBee模块结合，向用户进行多方面预警。系统框图如图1所示。

2 系统主体设计

2.1 预警装置设计

预警装置包括角度传感器、雨水传感器、重量采集模块、火情采集模块、微处理器、数据发送模块。

角度传感器主要由ADXL335构成，利用其测量装置的角度数据，单片机采集数据，进行判断，如若装置发生一定的角度偏离后，自动发送至用户报警，从而避免毒剂的集虫箱散漏，造成人畜中毒等事故发生。

雨水传感器主要由雨水检测模块构成，利用其检测装置所在环境检测是否下雨，当下雨时，其自动将装置高压电网部分切断供电，防止发生漏电、触电事故。

重量采集模块主要由高精度压力传感器构成，通过压力传感器测量昆虫编织袋的重量，进而通过多天的累计测量并记录数据，从而大致判断害虫的数量以及虫害的强度。

火情采集模块主要由烟雾传感器构成，通过对装置周围环境烟雾含量的检测，进而判断该环境是否发生火灾，从而及时传输至用户端，提醒用户火灾的发生。

微处理器主要由低功耗MSP430单片机构成，其接收重量采集模块的数据以及烟雾传感器的数据并进行处理，传输至数据发送模块。

数据发送模块主要由GSM模块和ZigBee模块构成，GSM模块接收来自微处理器的信息，并将其转换成短信的形式发送至用户端，用户也可以短信形式向GSM模块发出指令控制本系统的部分功能，ZigBee模块可以和农田中其他装置相互通信。

2.2 杀虫装置设计

杀虫装置包括诱虫装置、高压电网、害虫收集装置。

诱虫装置主要是由高亮度LED灯以及紫外灯构成的宽谱诱虫光源[2]。由于不同种类的昆虫对不同波段光潜的敏感性不同，而人类看不见的长波紫外光对数百种害虫也具有较强的诱集力[3]。宽谱诱虫光源诱杀害虫种类多、效果好、数量大。其对于鳞翅目类各种成虫有特效，如菜蛾、棉铃虫、地老虎、美国白蛾等；对鞘翅目、双翅目、同翅目、直翅目等类的多种昆虫也有显著诱集效果。据文献查阅，根据各种环境中的不完全统计，诱杀害虫超过1 500种，对于绝大部分常见的各类害虫都有效。

同时，与传统的杀虫黑光灯及其他光源相比，超高亮LED具有寿命长、可靠耐用、维护费用极为低廉的优点。

高压电网由不锈钢材料制成，其放置在光源外围，用以保护光源免遭外力撞击，并通以高压电，对害虫进行灭杀处理。

害虫收集装置由收集袋和机械传送部分组成，当用户需要更换收集袋或检查害虫的种类以及数量时，可以控制机械传动部分升降收集袋，方便用户的使用。

2.3 清洁装置设计

清洁装置包括清洁盘以及机械传动部分。

清洁盘由不锈钢材料制成，按照高压电网的形状进行设计，贴合性较高；机械传动部分由直流电机和皮带构成，直流电机带动皮带转动，皮带携带清洁盘对高压电网进行清理，提高了装置的杀虫效果，同时也避免人工清洁电网的繁琐过程，减轻了用户的负担。

2.4 供电装置与电源控制装置设计

供电装置主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器构成的光伏发电系统。利用太阳能电池板对蓄电池进行充电，同时蓄电池保证对除自身以外的其他装置进行不间断供电；电源控制装置主要由电磁继电器构成，利用电磁继电器，用户可以在检查害虫收集装置时将高压电网的电源关闭，保证人身安全；在清洁电网时，电网电源将自动关闭。

3 结语

该系统结合了频振式紫外灯技术，传感器检测技术和物联网技术——GSM技术、ZigBee技术，实现了智能化害虫的物理防治监控，绿色无污染，以此提高东北水稻高产和优质，在一定程度上为保持良好的生态环境、促进人与自然的和谐统一、减少农副产品的农药残余量上作出了贡献。同时，由于农电地区用电不方便，该系统结合太阳能光伏发电技术，开发新能源，为装置提供能源，從而避免使用大量的电缆，减少安全隐患事故的发生并节约能源。

但是系统还存在些需要改进的地方，由于太阳能电池板的电能转化效率不是很高，而且蓄电池自身容量及使用寿命也有一定的限制，导致系统在连续阴雨天气下无法长期使用。

参考文献

[1] 王长贵.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 刘春明，李宏光，等.性诱剂和频振式杀虫灯在红河州烤烟生产中示范应用试验[J].陕西农业科学，2014，60（70）：12-16.

[3] 张纯胄，杨捷.害虫趋光性及其应用技术的研究进展[J].华东昆虫学报，2007，16（2）：131-135.