自动追踪式太阳能虫害监测仪控制设计

李芝茹，江舒楠，吴晓峰*，徐克生，张北航，苗振坤，李全罡，潘文婷

(1.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；2.东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040；3.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，哈尔滨 150086；4.中国林业科学研究院亚热带林业试验中心，江西 分宜 336600)

自动追踪式太阳能虫害监测仪控制设计

李芝茹1，3，江舒楠2，吴晓峰1，3*，徐克生3，张北航1，3，苗振坤1，3，李全罡1，3，潘文婷4

(1.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；2.东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040；3.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，哈尔滨 150086；4.中国林业科学研究院亚热带林业试验中心，江西 分宜 336600)

介绍其自动追踪式太阳能虫害监测仪的基本功能和工作特点，着重阐述其硬件构成、控制原理、数据的采集传输和读取分析等。应用PLC技术和GPRS技术，结合太阳能光伏技术和微量传感技术对虫害进行监测。上位机为组态软件设为主站，下位机PLC相当于从站，通过DTU进行数据传输或数据链接，将传感器采集的数据转换后储存在PLC相应的数据采集区，上位机可直接通过DTU从数据采集区读取相应的监测数据。经试验测试其应用效果，仪器易于操作、灵敏度高、耗能低，观测界面清晰、可读性强，可监测到试验区常见的各类飞虫，能广泛适用于易爆发虫灾、可忽略网络延迟、无需对监测害虫进行图谱分析的区域。可为农林作物的虫害防治工作提供数据参考，但仍需对传感器精度控制问题作进一步研究。

太阳能；虫害监测；控制系统；PLC

0 引言

农林作物虫灾的大面积爆发，会对作物造成不可修复的机械性损伤，直接影响其质量和产量，从而降低作物的经济价值和生态功能[1]。因此，能否及时对虫灾进行监测和提前预警是虫害防治工作的关键。常用的害虫监测办法有人工观察计数、使用粘虫板、网络技术结合监测软件等。其中人工观察计数，最为简便直观，但费时费力、准确度不高，仅适用于温室、庭院、苗圃等近距离小范围农林作物的虫害监测；粘虫板或虫胶的使用，更为环保有效，但针对性过强、广泛适用性欠缺、监测功能不明显，不同颜色粘虫板对不同害虫的诱集效果相差迥异，因此同样不适用于远距离大面积区域的虫害监测[2-3]；在信息技术飞速发展的今天，互联网技术与监测软件相结合的灾害预测技术飞速发展，在森林防火、草原生态预警、农田信息监测等领域广泛应用[4-7]。

应用网络技术与相应虫害监测软件进行灾害预测，首先要应用数据无线传输技术。Zigbee技术是较为常用的低速、近距离无线通信技术，陈超、周锦荣等[8]利用Zigbee技术和TMS320F28335高速处理器相结合，设计可监测温湿度、火焰、烟雾情况的火灾监测系统。但基于Zigbee技术的无线传输技术使用时需要建立基站，不宜在大面积、地形复杂的区域应用。而GPRS技术传输速率高，自适应能力强，多用作远距离数据的无线传输。赵文宏[9]、曹军[10]、贺园园等[11]等利用GPRS技术监测农田的虫害情况，可观察到灭杀虫体的图片。张恩迪等[12-13]通过GPRS网络将观测数据上传到有固定IP的Web服务器，经终端设备随时上网获取监测数据。其网络技术应用、模块选取、软件设计和单片机开发等都较为科学合理，但其应用DATA-LYNX昆虫计数传感器所获取的数据，仅限于通过性激素吸引而来的昆虫，并通过虫体撞击传感器引发的脉冲进行计数，无法准确判断监测到的是哪种昆虫，也难免存在一只昆虫多次撞击传感器的情况造成计数虚高，或者撞击力度不足无法监测到一部分害虫。而Holguin[14]等通过基于光敏电阻和红外传感相结合的办法对昆虫数量进行监测，较单纯的使用DATA-LYNX昆虫计数传感器更为有效。对已收集的昆虫进行识别，Karlos Espinoza等[15]通过人工神经网络与图像识别技术相结合，能对温室昆虫精确识别。李小林等[16]在原有LBP纹理特征提取算法基础上应用CLBP表达昆虫纹理特征，最后用KNN算法得到的昆虫分类准确率高达96.4%。规避了传统的软件昆虫识别技术导出数据模糊、泛泛、只能抽取中间值的不便，得出的结论更为精准。

综上所述，当前我国无线传输技术和昆虫识别技术的发展都较为完善，但昆虫计数或数据统计多采用图像识别或传感器计数，成本高、难度大，且大多数虫害监测设备，供电模块采取常规的光伏设备和储能电池交替使用的方式，难免存在光能利用率不高或者能量供应不足的情况，影响对虫害的监测。本设计的太阳能虫害监测仪，应用高能效光伏设备作为能量来源，可对太阳光进行自动追踪，根据需要灵活改变工作位置和高度。结合微动控制技术和GPRS技术，在提高光能利用率的前提下，进行称重和计数相结合的办法监测虫害情况，更为合理有效。适用于偏远山区或林区、果园、苗圃、温室等可忽略网络延迟、无需对监测害虫进行图谱分析的区域，具有一定的应用价值。

1 仪器总体结构及功能

本设计中的太阳能虫害监测仪外观如图1所示，硬件部分由太阳能光伏系统、灭虫灯、微动旋转平台、电动气缸和液压油缸构成，作业时连接PC端配合监测。太阳能光伏系统向仪器提供能量，完成微动旋转平台旋转、电动气缸移动、黑光灯诱虫、高压电网杀虫，压力传感器称重、红外计数器计数、控制模块数据转换七部分功用。通过强度高、质量轻的铝型材框架连接太阳能电池板、灭虫灯、电控箱。应用升降平稳可靠、结构紧凑的液压油缸实现仪器的升降，以适应光照度条件差(如温室)或郁闭度较高林分的光能收集。应用定位精准的齿轮式旋转平台与太阳能电池板连接，以实现对太阳光的自动追踪，同时用结构简单、易于控制的电动气缸调节太阳能板高度角[17]。其中太阳能电池板功率50 W，储能用蓄电池规格12 V/55 Ah；选取连接方便、抗干扰能力强的英芯RS422/485串口头，以及电磁兼容性强的SIMATIC PM207 5A模块。精度1 MPa的压力传感器和2.5 mm高精度DQCL3205光栅红外计数器。选取匀速控制法对太阳光进行追踪，近似认为24 h地球自传一周即太阳方位角上15 °/h或4 min/°匀速运动，由此确定电动旋转平台转速。

仪器主要针对蛾类成虫等有趋光性的飞虫，飞虫灭杀后由传感器拾取其数目、质量等数据，配合常规昆虫分类以综合观测作业区域的虫害发生情况。相对于传统的太阳能设备：其电池板可对太阳光进行自动追踪，整机作业高度可流畅调节，灭虫效果可通过PC端实时观测，其界面清晰、可读性强。光伏设备的光能利用率高，能广泛适用于林区、果园、苗圃和温室等可忽略网络延迟、无需对监测害虫进行图谱分析的区域，能基本监测到试验季节常见的具有趋光性的害虫。

1-脚轮；2-电控箱；3-铝型材框架； 4-液压油缸；5-灭虫灯；6-旋转平台； 7-太阳能电池板；8-电动推杆。图1 装置结构和外观效果Fig.1 Structure and appearance of the device

2 数据的采集传输与分析

2.1 数据的采集与传输

图2 控制系统结构图Fig.2 Structure of control system

灭虫数据的采集主要通过压力传感器和红外计数器完成，传感器采集的数据经模块转换为信号后，通过PLC将模拟信号储存到相应区域，其控制系统结构如图2所示。其程序设计和部分I/O点设置如图3、图4所示。数据传输的设计思路为：组态软件为上位机设为主站，下位机PLC相当于从站；通过DTU进行数据传输或数据链接，将红外计数器计量的数据在编程软件中设定好定值，将压力传感器采集的数据通过连接PLC储存在相应的数据采集区；上位机若要读取虫害监测数据，可直接通过DTU从数据采集区读取传感器采集的数据，从主站通过DTU提取红外计数器计量的数据。

图3 程序界面Fig.3 Program interface

图4 控制部分I/O点设置Fig.4 I/O point set of control part

2.2 数据的读取与分析

在进行灭虫数据读取之前，先将接收信号和监测使用的PC终端与GPRS模块进行配置，实际的灭虫情况即可通过组态软件以曲线的形式观察到，如图5所示，其中X轴表示工作累计时间(单位h)，设定每晚18：00为工作原点，时间依次递推；Y轴为累积灭杀害虫后传感器反馈回的信号，设定为累计压力换算回重力的物理量(单位mg)；由此可通过曲线的变化情况推测害虫的发生情况：当试验地虫口密度较小时，曲线较为平缓，可通过装置进行常规虫害监测；当试验地虫口密度较大时，曲线较为陡峭，此时应引起管理部门重视，研究收集到的害虫种类及数量，预测虫害的发生，及时采取相应的措施和手段进行虫害治理。

图5 终端监测界面Fig.5 Terminal monitoring interface

3 仪器试验

在东北林业大学实验林场和中国林科院亚热带林业试验中心分别进行了仪器试验，成功监测到试验区常见的害虫，如图6所示，其中东北林业大学试验林场试验临近秋季，获取数据的代表性不强；中国林科院亚热带林业试验中心油茶良种采穗园中的试验，成功监测到了油茶苗木代表性害虫茶蚕(AndrcwabipunctataWalker)[19]。2016年油茶苗受茶蚕危害严重，主要是茶蚕幼虫啃食树叶甚至连同叶柄吃光，不仅危害油茶苗木，对茶树、山茶也危害严重。本次试验通过仪器灭杀和人工识别成功监测出茶蚕成虫，而成虫的大量存在势必大量产卵造成虫灾，每头雌蛾一次可产卵百余粒，一年发生2～3代[20-22]，因此，可对下一年茶蚕发生情况进行预测，提前采取应对措施以减轻损失。

通过试验，发现仪器的实时观测界面数据波动较大，造成这一现象的主要原因是压力传感器和红外计数器的精度较难控制。本次试验采用的压力传感器精度1 MPa，光栅红外计数器精度2.5 mm，试验中，一方面有部分害虫被诱虫灯吸引却并未被高压电网灭杀，而是直接穿过电网掉落到集虫盒里，并在集虫盒中爬行或飞动，因此，造成传感器数据波动；另一方面也出现害虫已被灭杀但并未如预期那样掉落到集虫盒内，因此，红外计数器虽然感知但压力传感器无法检测到，或有的害虫体积过小红外计数器无法感知；其三还存在一部分害虫因高压灭杀后直接粘黏在灭虫灯上，虫体没有落下，因此，红外计数器和压力传感器都无法探测到这一部分害虫。

图6 实时监测界面Fig.6 Real-time monitoring interface and collected pests

4 结束语

本设计中的太阳能虫害监测仪应用PLC技术和GPRS技术，结合太阳能光伏发电技术和微量传感技术对虫害进行监测。通过对常用虫害监测办法及其各自利弊的分析，有针对性的提出本设计中的装置更适用于远距离、大面积区域的虫害监测，并通过试验测试结果对仪器进行综合分析：其易于操作、耗能低，观测界面清晰、可读性强，能监测到试验区常见的各类飞虫，广泛适用于林区、农田、果园、苗圃、温室等易于爆发虫灾的区域，可为农林作物的虫害防治工作提供数据参考。但仍需对传感器精度进行深入研究，进一步完善仪器集虫装置结构以适应不同害虫、不同环境的监测。

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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，Fenyi 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。E-mail：286710269@qq.com

李芝茹，江舒楠，吴晓峰，等.自动追踪式太阳能虫害监测仪控制设计[J].森林工程，2017，33(3)：69-73.

TP 391.44

A

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