自動(dòng)追蹤式可升降太陽(yáng)能蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

李芝茹，吳曉峰*，李全罡，張北航，曹曦明

(1.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

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自動(dòng)追蹤式可升降太陽(yáng)能蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

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(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)追蹤式的可升降太陽(yáng)能蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)裝置。該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的自動(dòng)追蹤，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)作業(yè)高度，可監(jiān)測(cè)到實(shí)際工作效果，其全部動(dòng)力來(lái)源于綠色環(huán)保的太陽(yáng)能。采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)結(jié)合電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、液壓油缸實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的追蹤和對(duì)工作高度的調(diào)節(jié)，通過(guò)GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)滅蟲(chóng)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)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(yáng)能自動(dòng)追蹤；可升降；蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)

0 引 言

近年來(lái)，林業(yè)蟲(chóng)害的發(fā)生嚴(yán)重制約著當(dāng)前的林業(yè)發(fā)展，尤其城市綠地、園林、苗圃、公園和果園等培植樹(shù)種多元化程度低、害蟲(chóng)天敵少的區(qū)域[1]，大面積蟲(chóng)害時(shí)有發(fā)生[2-3]。主要是蛾蝶類(lèi)幼蟲(chóng)通過(guò)其咀嚼式口器蠶食植物的莖、葉、花、果實(shí)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(fù)的機(jī)械性損傷[4]。2015年9月，廣西防城港市海域紅樹(shù)林爆發(fā)蟲(chóng)災(zāi)，防城港共有紅樹(shù)林2 182 hm2，僅9月份一個(gè)月內(nèi)遭受蟲(chóng)災(zāi)的面積近370 hm2，其中有205 hm2為重度受災(zāi)[5]。2015年10月，安徽省北部多個(gè)縣市遭遇特大蟲(chóng)災(zāi)，主要是美國(guó)白蛾(Hyphantriacunea)、蜀柏毒蛾(Parocneriaorienta)等，造成柏木受災(zāi)面積超過(guò)40萬(wàn)hm2[6]。2009年，山東滕州市大面積爆發(fā)楊小舟蛾(MicromelalophatroglodytaGraeser)蟲(chóng)災(zāi)，蟲(chóng)害發(fā)生面積達(dá)逾333 hm2，其中重災(zāi)面積66.7 hm2，受災(zāi)嚴(yán)重地區(qū)楊樹(shù)樹(shù)葉已被楊小舟蛾的幼蟲(chóng)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(fā)生了美國(guó)白蛾等蟲(chóng)害，蟲(chóng)災(zāi)不僅危害樹(shù)木本身，而且對(duì)受災(zāi)地區(qū)的降雨量、自然景觀、氣候調(diào)節(jié)、林木經(jīng)濟(jì)都會(huì)造成很大影響[8-9]。各地用于蟲(chóng)災(zāi)防治的資金投入也逐年攀升，例如北京市每年用于蟲(chóng)害防治方面的費(fèi)用為幾個(gè)億，據(jù)估計(jì)，5a后這一數(shù)字更將達(dá)到20億元。很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)蟲(chóng)害防治措施展開(kāi)研究：戴修遠(yuǎn)[10]以浙江省仙居縣為例，分析害蟲(chóng)的生長(zhǎng)特點(diǎn)和發(fā)生規(guī)律并探究防治辦法。同時(shí)，趙衛(wèi)華[11]以常州市的行道樹(shù)木為例，歸納總結(jié)城市園林蟲(chóng)災(zāi)爆發(fā)的常規(guī)誘因及防治措施。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有資料的研究發(fā)現(xiàn)，多地區(qū)蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)機(jī)制不健全同時(shí)蟲(chóng)災(zāi)測(cè)報(bào)不準(zhǔn)確，蟲(chóng)災(zāi)發(fā)生以后得不到及時(shí)果斷的治理，一旦毛蟲(chóng)進(jìn)入暴食期就很難遏制，從而造成蟲(chóng)災(zāi)。因此，通過(guò)對(duì)常見(jiàn)害蟲(chóng)的發(fā)生和消長(zhǎng)規(guī)律研究，掌握其生命周期有的放矢的從源頭消滅害蟲(chóng)，應(yīng)用微量傳感技術(shù)和GPRS[12-13]技術(shù)實(shí)現(xiàn)滅蟲(chóng)數(shù)據(jù)的傳輸以加強(qiáng)管理，對(duì)于規(guī)避蟲(chóng)災(zāi)、保護(hù)植物、保護(hù)綠地環(huán)境具有重要意義。

1 裝置的整體工作思路

本設(shè)計(jì)中的太陽(yáng)能蟲(chóng)害防治裝置，順應(yīng)蟲(chóng)害防治和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作日趨智能化、電子化、可視化的新形勢(shì)。其太陽(yáng)能電池板可自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光、可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境調(diào)節(jié)工作高度[14]。其整體工作思路如圖1所示。開(kāi)機(jī)后判斷裝置工作模式：白天(6：00-18：01)太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池充電，其中步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)使太陽(yáng)能帆板電池可對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行追蹤，以提高光能利用率，將收集光能轉(zhuǎn)換為電能后儲(chǔ)存于蓄電池；夜間(18：01-6：00)由蓄電池供電實(shí)現(xiàn)黑光燈吸引害蟲(chóng)、高壓電網(wǎng)滅殺害蟲(chóng)、傳感器計(jì)量、控制模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊監(jiān)測(cè)滅蟲(chóng)結(jié)果等工作[15]?？刂撇糠诌x擇操作簡(jiǎn)便、較為常用的三維力控組態(tài)軟件分別與PLC和DTU設(shè)備連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)滅蟲(chóng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。

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

具體針對(duì)蛾蝶類(lèi)成蟲(chóng)的趨光性利用黑光燈發(fā)射波長(zhǎng)360 nm的UVA紫外光進(jìn)行誘蟲(chóng)，而后應(yīng)用太陽(yáng)能高壓電網(wǎng)擊穿飛入的害蟲(chóng)軀體以實(shí)現(xiàn)滅蟲(chóng)功能，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊和轉(zhuǎn)換模塊對(duì)等時(shí)間間隔內(nèi)收集的害蟲(chóng)重量，通過(guò)壓力傳感器和紅外計(jì)數(shù)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拾取、轉(zhuǎn)換，最后傳輸?shù)絇C終端。整個(gè)過(guò)程能量來(lái)源于太陽(yáng)能，安全便捷；其適用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)輕巧，無(wú)需焊接，便于安裝、拆卸和運(yùn)輸；滅蟲(chóng)過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)污染，低碳作業(yè)不占用林區(qū)資源和水，完全實(shí)現(xiàn)對(duì)林區(qū)害蟲(chóng)的綠色防控，對(duì)保護(hù)環(huán)境、維持生態(tài)穩(wěn)定及能源的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)裝置進(jìn)行三維建模和模擬計(jì)算，該裝置的升降調(diào)節(jié)范圍1 500～2 500 mm。其整體結(jié)構(gòu)升降效果和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖2和圖3所示。采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用體積小、強(qiáng)度高的鋁

1-腳輪；2-底座；3-鋁型材框架；4-液壓油缸； 5-滅蟲(chóng)燈；6-旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；7-太陽(yáng)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(zhuǎn)平臺(tái)； 3-電動(dòng)推桿；4-太陽(yáng)能帆板電池.圖3 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖Fig.3 The schematic diagram of electric rotating platform

型材框架結(jié)構(gòu)結(jié)合電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、液壓油缸實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的追蹤和對(duì)工作高度的調(diào)節(jié)。其中電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的直流電來(lái)源于蓄電池，通過(guò)定位精準(zhǔn)、快速的齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。利用液壓油缸調(diào)節(jié)裝置升降，使裝置結(jié)構(gòu)緊湊適用性強(qiáng)。鏤空的鋁型材框架結(jié)構(gòu)更利于林區(qū)防風(fēng)和裝置的升降高度觀測(cè)。

3 控制部分設(shè)計(jì)

3.1 裝置初始角的確定

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

應(yīng)用勻速控制法對(duì)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡進(jìn)行追蹤，首先應(yīng)計(jì)算太陽(yáng)能帆板電池安裝的初始角度，即通過(guò)對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)太陽(yáng)高度角h(sun)和方位角a(sun)的計(jì)算確定安裝初始角度。如圖4所示。

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

其中太陽(yáng)高度角h(sun)為太陽(yáng)中心直射地面的光線(xiàn)與水平面的夾角，，日出和日落的時(shí)刻為0°，正午(太陽(yáng)中心正好對(duì)著子午線(xiàn)的時(shí)刻)達(dá)到最大值。

sinh(sun)=sinφsinδ+cosφcosδcosω。

(1)

式中：φ為試驗(yàn)地點(diǎn)的地理緯度；δ為地球赤道平面與太陽(yáng)和地球中心連線(xiàn)間的夾角，即太陽(yáng)赤緯；ω為太陽(yáng)時(shí)角。

其中正午時(shí)刻的時(shí)角ω為零，h(sun)可縮略表示為：

h(sun)=90°-φ+δ(太陽(yáng)在天頂以南)。

(2)

h(sun)=90°+φ-δ(太陽(yáng)在天頂以北)。

(3)

而太陽(yáng)方位角a(sun)指太陽(yáng)光在地面的投影與實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)子午線(xiàn)的夾角，-180°≤a(sun)≤+180°，a(sun)在正南方向?yàn)榱悖赡掀珫|為負(fù)，由南偏西為正[20]。則有如下關(guān)系：

(4)

(5)

即：cosa(sun)=sinδsecφ。

(6)

式中：φ為試驗(yàn)地點(diǎn)的地理緯度；δ為地球赤道平面與太陽(yáng)和地球中心連線(xiàn)間的夾角，即太陽(yáng)赤緯。

3.2 裝置控制原理

設(shè)計(jì)該裝置可根據(jù)太陽(yáng)光的移動(dòng)，改變太陽(yáng)能電池板接收光能的角度，可對(duì)滅殺害蟲(chóng)重量進(jìn)行監(jiān)測(cè)并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸，其控制框圖如圖5所示。根據(jù)裝置白天和夜間工作內(nèi)容的不同，為避免重復(fù)動(dòng)作節(jié)省能耗，應(yīng)判斷好時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在程序預(yù)設(shè)好的時(shí)刻將電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、質(zhì)量傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等控制元件接入電源。以太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追蹤動(dòng)作為例，何時(shí)接入電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)其流程簡(jiǎn)圖如圖6所示。根據(jù)地球勻速自傳，太陽(yáng)方位角每60 min轉(zhuǎn)過(guò)15°，近似將太陽(yáng)能電池板每120 min接入電源一次，每次接電轉(zhuǎn)過(guò)30°；因此需要裝置對(duì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷：如果需要?jiǎng)t將相應(yīng)的角度參數(shù)轉(zhuǎn)換成裝置的控制參數(shù)，并啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以改變太陽(yáng)能電池板接收光能的角度。

通過(guò)質(zhì)量傳感器計(jì)量等時(shí)間間隔內(nèi)(具體設(shè)置為每120 min)滅殺害蟲(chóng)的重量，對(duì)其進(jìn)行累加，并利用數(shù)據(jù)采集模塊將所統(tǒng)計(jì)的滅蟲(chóng)數(shù)據(jù)進(jìn)行拾取，再通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)采集模塊收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可傳輸?shù)男盘?hào)，應(yīng)用GPRS技術(shù)將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定期傳送到固定的IP網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)配套的數(shù)據(jù)分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)滅蟲(chóng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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

圖6 自動(dòng)追蹤控制流程簡(jiǎn)圖Fig.6 The flow chart of automatic tracking control

4 結(jié)束語(yǔ)

該裝置應(yīng)用太陽(yáng)能光伏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)林區(qū)蟲(chóng)害的防治更具優(yōu)越性。功能上針對(duì)有趨光性害蟲(chóng)羽化后的成蟲(chóng)進(jìn)行綠色滅殺，從源頭上終止了害蟲(chóng)的生命周期，避免害蟲(chóng)成蟲(chóng)進(jìn)入暴食期為害。形式上順應(yīng)了當(dāng)前蟲(chóng)害防治和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作日趨智能化、電子化、可視化的新形勢(shì)，廣泛適用于城市綠地、園林、苗圃、公園和果園等樹(shù)種多元化程度低、害蟲(chóng)天敵少、傳統(tǒng)防蟲(chóng)手段難于實(shí)施的區(qū)域。綜上所述，該裝置應(yīng)用簡(jiǎn)便、功能高效、綠色環(huán)保，對(duì)植物保護(hù)和蟲(chóng)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(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(CAFINT2015C13)

李芝茹，碩士，工程師。研究方向：林業(yè)機(jī)械。

*通信作者：吳曉峰，本科，高級(jí)工程師。研究方向：林業(yè)機(jī)械。Email：286710269@qq.com

李芝茹，吳曉峰，李全罡，等.自動(dòng)追蹤式可升降太陽(yáng)能蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J].森林工程，2016，32(6)：85-88.

TM 615

A

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