自動追蹤式可升降太陽能蟲害監測裝置的設計

李芝茹，吳曉峰*，李全罡，張北航，曹曦明

(1.國家林業局哈爾濱林業機械研究所，哈爾濱 150086；2.中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091)

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自動追蹤式可升降太陽能蟲害監測裝置的設計

李芝茹1，2，吳曉峰1，2*，李全罡1，2，張北航1，2，曹曦明1，2

(1.國家林業局哈爾濱林業機械研究所，哈爾濱 150086；2.中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091)

本文設計了一種自動追蹤式的可升降太陽能蟲害監測裝置。該裝置可實現對太陽光的自動追蹤，可根據需要調節作業高度，可監測到實際工作效果，其全部動力來源于綠色環保的太陽能。采用鋁型材框架結構結合電動旋轉平臺、液壓油缸實現對太陽光的追蹤和對工作高度的調節，通過GPRS技術實現滅蟲數據的無線傳輸，提高了裝置的光能利用率，便于管理，從而提高裝置的適用性。

太陽能自動追蹤；可升降；蟲害監測

0 引 言

近年來，林業蟲害的發生嚴重制約著當前的林業發展，尤其城市綠地、園林、苗圃、公園和果園等培植樹種多元化程度低、害蟲天敵少的區域[1]，大面積蟲害時有發生[2-3]。主要是蛾蝶類幼蟲通過其咀嚼式口器蠶食植物的莖、葉、花、果實和種子，使其表面殘缺、孔洞、折斷，甚至鉆蛀莖桿，造成多種不可修復的機械性損傷[4]。2015年9月，廣西防城港市海域紅樹林爆發蟲災，防城港共有紅樹林2 182 hm2，僅9月份一個月內遭受蟲災的面積近370 hm2，其中有205 hm2為重度受災[5]。2015年10月，安徽省北部多個縣市遭遇特大蟲災，主要是美國白蛾(Hyphantriacunea)、蜀柏毒蛾(Parocneriaorienta)等，造成柏木受災面積超過40萬hm2[6]。2009年，山東滕州市大面積爆發楊小舟蛾(MicromelalophatroglodytaGraeser)蟲災，蟲害發生面積達逾333 hm2，其中重災面積66.7 hm2，受災嚴重地區楊樹樹葉已被楊小舟蛾的幼蟲吃光[7]。

2007年起，北京、天津、河北、遼寧和山東5省(市)就不同程度的發生了美國白蛾等蟲害，蟲災不僅危害樹木本身，而且對受災地區的降雨量、自然景觀、氣候調節、林木經濟都會造成很大影響[8-9]。各地用于蟲災防治的資金投入也逐年攀升，例如北京市每年用于蟲害防治方面的費用為幾個億，據估計，5a后這一數字更將達到20億元。很多專家學者對蟲害防治措施展開研究：戴修遠[10]以浙江省仙居縣為例，分析害蟲的生長特點和發生規律并探究防治辦法。同時，趙衛華[11]以常州市的行道樹木為例，歸納總結城市園林蟲災爆發的常規誘因及防治措施。

通過對現有資料的研究發現，多地區蟲害監測機制不健全同時蟲災測報不準確，蟲災發生以后得不到及時果斷的治理，一旦毛蟲進入暴食期就很難遏制，從而造成蟲災。因此，通過對常見害蟲的發生和消長規律研究，掌握其生命周期有的放矢的從源頭消滅害蟲，應用微量傳感技術和GPRS[12-13]技術實現滅蟲數據的傳輸以加強管理，對于規避蟲災、保護植物、保護綠地環境具有重要意義。

1 裝置的整體工作思路

本設計中的太陽能蟲害防治裝置，順應蟲害防治和預測預報工作日趨智能化、電子化、可視化的新形勢。其太陽能電池板可自動追蹤太陽光、可根據實際應用環境調節工作高度[14]。其整體工作思路如圖1所示。開機后判斷裝置工作模式：白天(6：00-18：01)太陽能電池板對蓄電池充電，其中步進電機帶動旋轉平臺使太陽能帆板電池可對太陽光進行追蹤，以提高光能利用率，將收集光能轉換為電能后儲存于蓄電池；夜間(18：01-6：00)由蓄電池供電實現黑光燈吸引害蟲、高壓電網滅殺害蟲、傳感器計量、控制模塊數據轉換、無線傳輸模塊監測滅蟲結果等工作[15]。控制部分選擇操作簡便、較為常用的三維力控組態軟件分別與PLC和DTU設備連接，以實現對滅蟲數據的監測。

圖1 裝置整體工作思路Fig.1 The working principles of the device

具體針對蛾蝶類成蟲的趨光性利用黑光燈發射波長360 nm的UVA紫外光進行誘蟲，而后應用太陽能高壓電網擊穿飛入的害蟲軀體以實現滅蟲功能，通過數據采集模塊和轉換模塊對等時間間隔內收集的害蟲重量，通過壓力傳感器和紅外計數器，對數據進行拾取、轉換，最后傳輸到PC終端。整個過程能量來源于太陽能，安全便捷；其適用性強，結構輕巧，無需焊接，便于安裝、拆卸和運輸；滅蟲過程對環境無污染，低碳作業不占用林區資源和水，完全實現對林區害蟲的綠色防控，對保護環境、維持生態穩定及能源的可持續發展有重要意義。

2 機械結構設計

應用SolidWorks軟件對裝置進行三維建模和模擬計算，該裝置的升降調節范圍1 500～2 500 mm。其整體結構升降效果和電動旋轉平臺簡圖如圖2和圖3所示。采用太陽能光伏發電技術與自動控制技術相結合，應用體積小、強度高的鋁

1-腳輪；2-底座；3-鋁型材框架；4-液壓油缸； 5-滅蟲燈；6-旋轉平臺；7-太陽能帆板電池.圖2 整體升降效果圖Fig.2 The illustration of the lifting performance

1-鋁型材框架；2-旋轉平臺； 3-電動推桿；4-太陽能帆板電池.圖3 電動旋轉平臺簡圖Fig.3 The schematic diagram of electric rotating platform

型材框架結構結合電動旋轉平臺、液壓油缸實現對太陽光的追蹤和對工作高度的調節。其中電動旋轉平臺中驅動步進電機的直流電來源于蓄電池，通過定位精準、快速的齒輪傳動實現平臺的平穩旋轉。利用液壓油缸調節裝置升降，使裝置結構緊湊適用性強。鏤空的鋁型材框架結構更利于林區防風和裝置的升降高度觀測。

3 控制部分設計

3.1 裝置初始角的確定

試驗地哈爾濱所在地理位置東經125°42′～130°10′、北緯44°04′～46°40′，斜面日均輻射量15 838 wh(瓦時)，峰值日照時數4.399 796 4 w/m2·d(瓦每平方米每天)[16-17]。對太陽光的追蹤采用勻速控制法[18-19]，即根據地球固定的自傳速度，近似的認為早晨太陽從東方升起經正南方向后落向西方，24h地球自傳一周即太陽方位角上15°/h或4 min/°勻速運動，據此探究MPPT(Maximum Power Point Tracking)即對太陽光的最大功率點追蹤。

應用勻速控制法對太陽運行軌跡進行追蹤，首先應計算太陽能帆板電池安裝的初始角度，即通過對試驗地點太陽高度角h(sun)和方位角a(sun)的計算確定安裝初始角度。如圖4所示。

圖4 太陽高度角和方位角Fig.4 The altitude angle and azimuth angle of the sun

其中太陽高度角h(sun)為太陽中心直射地面的光線與水平面的夾角，，日出和日落的時刻為0°，正午(太陽中心正好對著子午線的時刻)達到最大值。

sinh(sun)=sinφsinδ+cosφcosδcosω。

(1)

式中：φ為試驗地點的地理緯度；δ為地球赤道平面與太陽和地球中心連線間的夾角，即太陽赤緯；ω為太陽時角。

其中正午時刻的時角ω為零，h(sun)可縮略表示為：

h(sun)=90°-φ+δ(太陽在天頂以南)。

(2)

h(sun)=90°+φ-δ(太陽在天頂以北)。

(3)

而太陽方位角a(sun)指太陽光在地面的投影與實驗地點子午線的夾角，-180°≤a(sun)≤+180°，a(sun)在正南方向為零，由南偏東為負，由南偏西為正[20]。則有如下關系：

(4)

(5)

即：cosa(sun)=sinδsecφ。

(6)

式中：φ為試驗地點的地理緯度；δ為地球赤道平面與太陽和地球中心連線間的夾角，即太陽赤緯。

3.2 裝置控制原理

設計該裝置可根據太陽光的移動，改變太陽能電池板接收光能的角度，可對滅殺害蟲重量進行監測并進行數據轉換和傳輸，其控制框圖如圖5所示。根據裝置白天和夜間工作內容的不同，為避免重復動作節省能耗，應判斷好時間節點，在程序預設好的時刻將電動旋轉平臺、質量傳感器、數據轉換模塊等控制元件接入電源。以太陽能電池板自動追蹤動作為例，何時接入電動旋轉平臺其流程簡圖如圖6所示。根據地球勻速自傳，太陽方位角每60 min轉過15°，近似將太陽能電池板每120 min接入電源一次，每次接電轉過30°；因此需要裝置對時間節點進行判斷：如果需要則將相應的角度參數轉換成裝置的控制參數，并啟動旋轉平臺以改變太陽能電池板接收光能的角度。

通過質量傳感器計量等時間間隔內(具體設置為每120 min)滅殺害蟲的重量，對其進行累加，并利用數據采集模塊將所統計的滅蟲數據進行拾取，再通過數據轉換模塊將數據采集模塊收集的數據轉換為可傳輸的信號，應用GPRS技術將轉換后的信號通過無線網絡定期傳送到固定的IP網絡，通過配套的數據分析軟件實現對滅蟲情況的實時監測。

圖5 裝置控制框圖Fig.5 The diagram of control block of the device

圖6 自動追蹤控制流程簡圖Fig.6 The flow chart of automatic tracking control

4 結束語

該裝置應用太陽能光伏技術，實現對林區蟲害的防治更具優越性。功能上針對有趨光性害蟲羽化后的成蟲進行綠色滅殺，從源頭上終止了害蟲的生命周期，避免害蟲成蟲進入暴食期為害。形式上順應了當前蟲害防治和預測預報工作日趨智能化、電子化、可視化的新形勢，廣泛適用于城市綠地、園林、苗圃、公園和果園等樹種多元化程度低、害蟲天敵少、傳統防蟲手段難于實施的區域。綜上所述，該裝置應用簡便、功能高效、綠色環保，對植物保護和蟲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

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(CAFINT2015C13)

李芝茹，碩士，工程師。研究方向：林業機械。

*通信作者：吳曉峰，本科，高級工程師。研究方向：林業機械。Email：286710269@qq.com

李芝茹，吳曉峰，李全罡，等.自動追蹤式可升降太陽能蟲害監測裝置的設計[J].森林工程，2016，32(6)：85-88.

TM 615

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