基于红外探测的智能灯诱装置研究＊

郭建军，林丽君，王克强

基于红外探测的智能灯诱装置研究＊

郭建军，林丽君，王克强

（仲恺农业工程学院 自动化学院，广东 广州 510225）

设计了一套基于红外探测的智能灯诱装置，它采用太阳能蓄电供电，同时将红外探测、实时监测与智能控制等技术应用于设计过程中。首先根据农田面积对农田进行分块处理，并在每一个分块内布置一套该装置；然后在虫害防治过程中，该装置在中央控制系统的智能控制下可以跨分块进行虫害防治，并且会选择最佳路径到达目的地；最后，基于红外探测的智能灯诱装置对整个农田的虫害进行有效的物理防治，同时通过手机平台APP实时监测害虫信息和植物生长情况。该装置有效地减少了田间害虫的数量，提高了劳动生产率，具有很好的生态优势，并且市场应用前景良好。

红外探测；环保节能；物理防治；智能灯诱

在国外，红外探测现已比较成熟地运用在预警及情报收集领域，导航及目标探测、瞄准领域，侦察、遥感及目标识别领域。在中国，红外探测器芯片一直受制于西方政府和供应商，但现在已突破，能自己生产，国内的热探测器和光子探测器目前做得较好[1]。

中国长期贯彻坚持预防为主的综合植保方针。随着农业虫害发生逐年加重，农药使用量不断加大，使用过程中出现的用药剂量、用药次数、用药时机和用药残留等问题正逐年增多，加上人们的食品安全意识不断增强，对绿色、无公害食品的需求越来越大，迫切需要一种既能杀虫又无害的除虫方式[2]。目前已有方法中，利用昆虫的趋光性，应用灯光诱杀农业害虫是一项重要的物理防治措施，也是综合防治的重要组成部分[3-4]。

基于此，提出“基于红外探测的智能灯诱装置研究”，该装置利用红外探测技术对田间虫害信息进行采集，并上传给中央控制系统；中央控制系统根据智能监测所收集的各种虫害信息，对灯诱装置进行智能控制，对其进行路径优化，在最短的时间内到达虫害最严重的地方，对虫害进行有效防治。该装置采用弱光性太阳能电池板、免维护镍氢电池技术，将太阳能转换为电能储存备用，利用最佳波长、瞬间多变的光色及光波共振原理诱杀害虫。在虫害防治过程中，通过GSM信息平台，可以将田间信息传输到手机平台，并且通过手机平台可定时检测害虫信息和植物生长情况，手机平台通过中央控制系统发出指令到智能灯诱装置，使其执行相关指令，从而使灯诱设备在整个田间进行宏观协调分配，最终达到手机平台远程控制的目的。该研究将从中央控制系统设计、红外虫害数量探测与定位子系统设计、空中轨道静音移动子系统设计、智能太阳能蓄电供电子系统设计、灯诱杀虫装置设计、手机平台控制系统六个方面展开。

1 中央控制系统设计

中央控制是整个装置的控制核心，对灯诱装置进行宏观智能控制，它可以分析从红外害虫数量探测与定位系统传回来的数据，确定灯诱装置放置于田间的位置；可以规划出灯诱装置的移动路径；可以连接网络，向用户实时发送田间害虫的分布情况，并可以根据用户指令调度灯诱装置；可以分析从太阳能蓄电系统传回来的电池数据，对各子系统进行智能供电。

2 红外害虫数量探测与定位子系统设计

红外害虫数量探测与定位系统是一个集红外害虫数量探测和害虫群定位于一体的系统，它可以不间断地探测田间一定区域内的害虫数量，并对该区域内害虫数量持续较多的范围进行定位，最后将这些信息传送至中央控制系统。一个完整的红外害虫数量探测与定位子系统可以分为两部分：探测部分和分析部分。探测部分由4个热成像仪构成，置于轨道框架的四角，拍摄田间全方位热像图；分析部分由单片机运算系统构成，负责分析热成像仪传回的图像，通过视觉技术，计算害虫数与定位较大害虫群所处区域，并向中央控制系统设计传送相关数据信息。

3 空中轨道静音移动子系统设计

空中轨道静音移动子系统主要由悬挂式单轨和轨道小车构成。其中，悬挂式单轨是一种轨道为一条带形的梁体，轨道小车是悬挂于轨道梁下运行的交通工具。该空中轨道交通系统包括轨道、支架等，其特征在于轨道安装在支架里，与地面保持足够的距离。

布局地点及线路状况：含线别、架空线路数量及名称、线间距、相邻线路轨面高差、直线或曲线、曲线地段的计划及实际的半径和正矢。为了让位置比较准确且易于确定，总体上将实验地点整体划分成多个方块区域，再在每一个方块单位里面设定轨道时采用足球烯的几何结构。

根据足球烯晶向族求和与线性链内聚能的概念，可求出足球烯晶向族内晶向上排列的最小间距，对此可以将足球烯晶向族比拟为昆虫，足球烯晶向族数量对应为昆虫数量。这种描述方法适用于对分布在足球烯中昆虫数量求和的计算，可运用物理函数以及数学函数计算出智能灯诱装置跨分块进行虫害防治的最优运行路径，从而快速到达指定位置。

选择悬挂式单轨小车携带智能灯诱装置并固定，根据红外探测仪上所显示的坐标位置，经过中央控制系统计算得出最优路径，轨道小车沿着轨道行驶至指定位置，智能灯诱装置将对预定位置进行绿色虫害防治。为了降低噪声，采用无刷直流电动机低噪声驱动技术，原来的矩形波驱动方式更换为正弦波驱动方式，而采用的正弦波驱动方式比矩形波驱动方式噪声更低。

4 智能太阳能蓄电供电子系统设计

智能太阳能蓄电供电子系统是一个集蓄电与供电一体的系统，它白天通过太阳能电池板向蓄电组充电，晚上则通过蓄电池组向整套系统供电。智能电池组管理系统可实时监测电池组的电压、电流等各方面情况，保护电池组和整套设备，并把相关数据传送至中央控制系统，也可以连接市电电网，当蓄电池组没电时，用以应急供电。智能太阳能蓄电供电子系统分为三部分：充电部分、蓄电供电部分和智能控制部分。充电部分由太阳能电池板与变压器构成，蓄电供电部分由蓄电池组与向其他系统的供电接口构成，智能控制系统由各电池电路传感器和单片机构成。

5 灯诱杀虫装置设计

杀虫灯具是利用（365±50）nm波长紫外光对昆虫具有激备较强的趋光、趋波、趋色、趋性的特性原理，确定对昆虫的诱导波长，研制专用光源，利用放电产生的低温等离子体、紫外光辐射对害虫间生的趋光兴奋效应，引诱害虫扑向灯的光源，光源外配置高压击杀网，杀死害虫，使害虫落下专用的接虫袋内，达到灭杀害虫的目的。本灯具利用太阳能供电，在控制器的控制下，白天太阳能电池板向蓄电池组充电，晚上蓄电池组提供电力给杀光灯负载。控制器在任何情况下（阳光充足或长期阴雨天）都能确保蓄电池组不因过充或过放而损坏，同时具备光控时控声控温度补偿及防雷反极性保护等功能。

6 手机平台控制系统

将手机APP远程控制应用在中央控制系统中能够使农户脱离现场，随时随地接收农田内害虫信息。实现了一种基于STM-32型单片机嵌入式的智能红外灯诱远程监控系统，借助EMCP物联网云平台，结合Windows远程桌面平台及手机APP远程网络监控。建立基于CC2430的Zigbee无线传感器网络，汇聚节点通过串口传递信息。将传感器通过485总线连接GM10-DTU模块的485通讯端口上，无线传感器可将无线网关接到GM10-DTU模块上。嵌入式控制器与GM10-DTU通过接口相连接，并且在GM10内置一张GPRS数据卡就能和互联网进行通信，田间现场采集终端通过232/485连接后，GM10模块会自动采集各传感器的测量值，并将数据通过GPRS网络传输到EMCP物联网云平台。手机借助云联物通APP，就可以将红外设备连接到互联网了，无论身处何地打开手机随时监控现场害虫信息。手机APP能够实现远程实时监测、控制外围执行机构、查看数据、定时采集环境信息以及指定小车到指定位置等功能。服务器端能够准确转发信息，存储查询信息，发送控制命令。手机端使用数据流量上网，通过APP能够达到远程监控效果。

7 结语

本文设计了一套设施农业中太阳能蓄电供电的智能灯诱装置，同时将红外探测、实时监测与智能控制等技术应用该设计中。该装置应用诱虫灯集中消灭大量有效虫源，迫使大量害虫回避离去，利用红外线探测装置探测害虫位置并通过中央控制系统智能地控制，让灯诱装置能够对整个农田的虫害进行有效的物理防治。手机APP能够实现远程实时监测、控制外围执行机构、查看数据、定时采集环境信息以及指定小车到指定位置等功能。本设计实现了智能物理杀虫，能够应用于各种不同的农田，并能智能应对各种情况，对发展中国的生态农业有现实意义。

［1］史衍丽.第三代红外探测器的发展与选择［J］.红外技术，2013，35（1）：1-8.

［2］马鹏鹏.基于图像的水稻灯诱害虫智能识别与计数技术的研究［D］.杭州：浙江理工大学，2018.

［3］冼鼎翔，姚青，杨保军，等.基于图像的水稻灯诱害虫自动识别技术的研究［J］.中国水稻科学，2015，29（3）：299-304.

［4］袁若辰，王连震，艾雨豪，等.基于红外探测和无线传输的地下泊位显示装置［J］.通信技术，2019，52（5）：1263-1267.

S24

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.016

2095－6835（2019）17－0038－02

郭建军（1982—），男，河北邯郸人，博士，讲师，研究方向为机器视觉、农业自动化。

广东省本科高校创新创业项目（编号：2018A022758）；教育部产学合作协同育人项目（编号：201802048037、201802299045）；优秀博士人才专项资助经费项目（编号：KA180530512）；广东省科技计划项目（编号：KA1721404）；2017年大学生创新基金立项项目（编号：2017A37、2017A39、2017A42）；2017年大学生创业基金立项项目（编号：2017WCY19）

〔编辑：王霞〕