基于紅外探測的智能燈誘裝置研究＊

郭建軍，林麗君，王克強

基于紅外探測的智能燈誘裝置研究＊

郭建軍，林麗君，王克強

（仲愷農業工程學院 自動化學院，廣東 廣州 510225）

設計了一套基于紅外探測的智能燈誘裝置，它采用太陽能蓄電供電，同時將紅外探測、實時監測與智能控制等技術應用于設計過程中。首先根據農田面積對農田進行分塊處理，并在每一個分塊內布置一套該裝置；然后在蟲害防治過程中，該裝置在中央控制系統的智能控制下可以跨分塊進行蟲害防治，并且會選擇最佳路徑到達目的地；最后，基于紅外探測的智能燈誘裝置對整個農田的蟲害進行有效的物理防治，同時通過手機平臺APP實時監測害蟲信息和植物生長情況。該裝置有效地減少了田間害蟲的數量，提高了勞動生產率，具有很好的生態優勢，并且市場應用前景良好。

紅外探測；環保節能；物理防治；智能燈誘

在國外，紅外探測現已比較成熟地運用在預警及情報收集領域，導航及目標探測、瞄準領域，偵察、遙感及目標識別領域。在中國，紅外探測器芯片一直受制于西方政府和供應商，但現在已突破，能自己生產，國內的熱探測器和光子探測器目前做得較好[1]。

中國長期貫徹堅持預防為主的綜合植保方針。隨著農業蟲害發生逐年加重，農藥使用量不斷加大，使用過程中出現的用藥劑量、用藥次數、用藥時機和用藥殘留等問題正逐年增多，加上人們的食品安全意識不斷增強，對綠色、無公害食品的需求越來越大，迫切需要一種既能殺蟲又無害的除蟲方式[2]。目前已有方法中，利用昆蟲的趨光性，應用燈光誘殺農業害蟲是一項重要的物理防治措施，也是綜合防治的重要組成部分[3-4]。

基于此，提出“基于紅外探測的智能燈誘裝置研究”，該裝置利用紅外探測技術對田間蟲害信息進行采集，并上傳給中央控制系統；中央控制系統根據智能監測所收集的各種蟲害信息，對燈誘裝置進行智能控制，對其進行路徑優化，在最短的時間內到達蟲害最嚴重的地方，對蟲害進行有效防治。該裝置采用弱光性太陽能電池板、免維護鎳氫電池技術，將太陽能轉換為電能儲存備用，利用最佳波長、瞬間多變的光色及光波共振原理誘殺害蟲。在蟲害防治過程中，通過GSM信息平臺，可以將田間信息傳輸到手機平臺，并且通過手機平臺可定時檢測害蟲信息和植物生長情況，手機平臺通過中央控制系統發出指令到智能燈誘裝置，使其執行相關指令，從而使燈誘設備在整個田間進行宏觀協調分配，最終達到手機平臺遠程控制的目的。該研究將從中央控制系統設計、紅外蟲害數量探測與定位子系統設計、空中軌道靜音移動子系統設計、智能太陽能蓄電供電子系統設計、燈誘殺蟲裝置設計、手機平臺控制系統六個方面展開。

1 中央控制系統設計

中央控制是整個裝置的控制核心，對燈誘裝置進行宏觀智能控制，它可以分析從紅外害蟲數量探測與定位系統傳回來的數據，確定燈誘裝置放置于田間的位置；可以規劃出燈誘裝置的移動路徑；可以連接網絡，向用戶實時發送田間害蟲的分布情況，并可以根據用戶指令調度燈誘裝置；可以分析從太陽能蓄電系統傳回來的電池數據，對各子系統進行智能供電。

2 紅外害蟲數量探測與定位子系統設計

紅外害蟲數量探測與定位系統是一個集紅外害蟲數量探測和害蟲群定位于一體的系統，它可以不間斷地探測田間一定區域內的害蟲數量，并對該區域內害蟲數量持續較多的范圍進行定位，最后將這些信息傳送至中央控制系統。一個完整的紅外害蟲數量探測與定位子系統可以分為兩部分：探測部分和分析部分。探測部分由4個熱成像儀構成，置于軌道框架的四角，拍攝田間全方位熱像圖；分析部分由單片機運算系統構成，負責分析熱成像儀傳回的圖像，通過視覺技術，計算害蟲數與定位較大害蟲群所處區域，并向中央控制系統設計傳送相關數據信息。

3 空中軌道靜音移動子系統設計

空中軌道靜音移動子系統主要由懸掛式單軌和軌道小車構成。其中，懸掛式單軌是一種軌道為一條帶形的梁體，軌道小車是懸掛于軌道梁下運行的交通工具。該空中軌道交通系統包括軌道、支架等，其特征在于軌道安裝在支架里，與地面保持足夠的距離。

布局地點及線路狀況：含線別、架空線路數量及名稱、線間距、相鄰線路軌面高差、直線或曲線、曲線地段的計劃及實際的半徑和正矢。為了讓位置比較準確且易于確定，總體上將實驗地點整體劃分成多個方塊區域，再在每一個方塊單位里面設定軌道時采用足球烯的幾何結構。

根據足球烯晶向族求和與線性鏈內聚能的概念，可求出足球烯晶向族內晶向上排列的最小間距，對此可以將足球烯晶向族比擬為昆蟲，足球烯晶向族數量對應為昆蟲數量。這種描述方法適用于對分布在足球烯中昆蟲數量求和的計算，可運用物理函數以及數學函數計算出智能燈誘裝置跨分塊進行蟲害防治的最優運行路徑，從而快速到達指定位置。

選擇懸掛式單軌小車攜帶智能燈誘裝置并固定，根據紅外探測儀上所顯示的坐標位置，經過中央控制系統計算得出最優路徑，軌道小車沿著軌道行駛至指定位置，智能燈誘裝置將對預定位置進行綠色蟲害防治。為了降低噪聲，采用無刷直流電動機低噪聲驅動技術，原來的矩形波驅動方式更換為正弦波驅動方式，而采用的正弦波驅動方式比矩形波驅動方式噪聲更低。

4 智能太陽能蓄電供電子系統設計

智能太陽能蓄電供電子系統是一個集蓄電與供電一體的系統，它白天通過太陽能電池板向蓄電組充電，晚上則通過蓄電池組向整套系統供電。智能電池組管理系統可實時監測電池組的電壓、電流等各方面情況，保護電池組和整套設備，并把相關數據傳送至中央控制系統，也可以連接市電電網，當蓄電池組沒電時，用以應急供電。智能太陽能蓄電供電子系統分為三部分：充電部分、蓄電供電部分和智能控制部分。充電部分由太陽能電池板與變壓器構成，蓄電供電部分由蓄電池組與向其他系統的供電接口構成，智能控制系統由各電池電路傳感器和單片機構成。

5 燈誘殺蟲裝置設計

殺蟲燈具是利用（365±50）nm波長紫外光對昆蟲具有激備較強的趨光、趨波、趨色、趨性的特性原理，確定對昆蟲的誘導波長，研制專用光源，利用放電產生的低溫等離子體、紫外光輻射對害蟲間生的趨光興奮效應，引誘害蟲撲向燈的光源，光源外配置高壓擊殺網，殺死害蟲，使害蟲落下專用的接蟲袋內，達到滅殺害蟲的目的。本燈具利用太陽能供電，在控制器的控制下，白天太陽能電池板向蓄電池組充電，晚上蓄電池組提供電力給殺光燈負載?？刂破髟谌魏吻闆r下（陽光充足或長期陰雨天）都能確保蓄電池組不因過充或過放而損壞，同時具備光控時控聲控溫度補償及防雷反極性保護等功能。

6 手機平臺控制系統

將手機APP遠程控制應用在中央控制系統中能夠使農戶脫離現場，隨時隨地接收農田內害蟲信息。實現了一種基于STM-32型單片機嵌入式的智能紅外燈誘遠程監控系統，借助EMCP物聯網云平臺，結合Windows遠程桌面平臺及手機APP遠程網絡監控。建立基于CC2430的Zigbee無線傳感器網絡，匯聚節點通過串口傳遞信息。將傳感器通過485總線連接GM10-DTU模塊的485通訊端口上，無線傳感器可將無線網關接到GM10-DTU模塊上。嵌入式控制器與GM10-DTU通過接口相連接，并且在GM10內置一張GPRS數據卡就能和互聯網進行通信，田間現場采集終端通過232/485連接后，GM10模塊會自動采集各傳感器的測量值，并將數據通過GPRS網絡傳輸到EMCP物聯網云平臺。手機借助云聯物通APP，就可以將紅外設備連接到互聯網了，無論身處何地打開手機隨時監控現場害蟲信息。手機APP能夠實現遠程實時監測、控制外圍執行機構、查看數據、定時采集環境信息以及指定小車到指定位置等功能。服務器端能夠準確轉發信息，存儲查詢信息，發送控制命令。手機端使用數據流量上網，通過APP能夠達到遠程監控效果。

7 結語

本文設計了一套設施農業中太陽能蓄電供電的智能燈誘裝置，同時將紅外探測、實時監測與智能控制等技術應用該設計中。該裝置應用誘蟲燈集中消滅大量有效蟲源，迫使大量害蟲回避離去，利用紅外線探測裝置探測害蟲位置并通過中央控制系統智能地控制，讓燈誘裝置能夠對整個農田的蟲害進行有效的物理防治。手機APP能夠實現遠程實時監測、控制外圍執行機構、查看數據、定時采集環境信息以及指定小車到指定位置等功能。本設計實現了智能物理殺蟲，能夠應用于各種不同的農田，并能智能應對各種情況，對發展中國的生態農業有現實意義。

［1］史衍麗.第三代紅外探測器的發展與選擇［J］.紅外技術，2013，35（1）：1-8.

［2］馬鵬鵬.基于圖像的水稻燈誘害蟲智能識別與計數技術的研究［D］.杭州：浙江理工大學，2018.

［3］冼鼎翔，姚青，楊保軍，等.基于圖像的水稻燈誘害蟲自動識別技術的研究［J］.中國水稻科學，2015，29（3）：299-304.

［4］袁若辰，王連震，艾雨豪，等.基于紅外探測和無線傳輸的地下泊位顯示裝置［J］.通信技術，2019，52（5）：1263-1267.

S24

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.016

2095－6835（2019）17－0038－02

郭建軍（1982—），男，河北邯鄲人，博士，講師，研究方向為機器視覺、農業自動化。

廣東省本科高校創新創業項目（編號：2018A022758）；教育部產學合作協同育人項目（編號：201802048037、201802299045）；優秀博士人才專項資助經費項目（編號：KA180530512）；廣東省科技計劃項目（編號：KA1721404）；2017年大學生創新基金立項項目（編號：2017A37、2017A39、2017A42）；2017年大學生創業基金立項項目（編號：2017WCY19）

〔編輯：王霞〕