基于紅外傳感器的實蠅類害蟲實時監測裝置的設計

梁勇 趙健 林營志 陳世雄 池美香 邱榮洲

摘要：監測實蠅類害蟲發生動態，是對其有效防控的基本前提。設計出1種可自動誘捕與計數的實蠅類害蟲實時監測裝置，為提高實蠅類害蟲監測和預測預報的準確度與時效性提供了1種新裝備。該裝置由害蟲誘殺裝置、紅外計數傳感器、紅外計數遠程測控儀、實時監測軟件等組成，利用特定引誘物、發光二極管（LED）光源對實蠅誘集的特性，采用紅外傳感器進行實時計數。選取橘小實蠅進行裝置測試試驗，在實驗室環境下測試實時監測系統的檢測成功率。試驗結果表明，該裝置可以實時獲取進入紅外計數感應區的實蠅數量，當時間間隔≥7 s時，實時監測系統的檢測成功率為98%。利用該裝置可以實現通過手機查詢實蠅類害蟲實時蟲量、小時蟲量和日蟲量的統計匯總數據，方便用戶及時、準確地得知實蠅類害蟲發生的動態變化，掌握實蠅的發生規律。

關鍵詞：實蠅;紅外計數;自動誘捕;發光二極管（LED）;實時監測;軟件設計

中圖分類號： S126;TP212.9文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0230-05

收稿日期：2019-12-02

基金項目：中央引導地方科技發展專項（編號：2017L3007）;福建省農業科學院科研項目（編號：A2017-28）;福建省農業科學院科技創新團隊（編號：STIT2018-1-8）。

作者簡介：梁?勇（1986—），男，福建福州人，碩士，助理農藝師，主要從事植保技術研究。Tel：（0591）87572332;E-mail：278017592@qq.com。

通信作者：邱榮洲，碩士，副研究員，主要從事數字植保技術研究。Tel：（0591）87572332;E-mail：49497479@qq.com。

實蠅是雙翅目（Diptera）實蠅科（Tephritidae）昆蟲的統稱，是水果和蔬菜類作物的重要害蟲，被世界上許多國家和地區列為重要檢疫性有害生物。我國是世界上受實蠅危害較重的國家之一，其中危害果蔬的重要優勢種有橘小實蠅（Bactrocera dorsalis Hendel）、橘大實蠅（B. minax Enderlein）、瓜實蠅（B. cucurbitae Coquillett）、南瓜實蠅（B. tau Walker）和番石榴果實蠅（B. correcta Bezzi）等[1]，每年給我國果蔬產業造成重大經濟損失[2-3]。監測實蠅發生動態，是對其有效防控的基本前提。實蠅的監測手段主要是采集腐爛脫落的蟲果，或借助特定的引誘物（如實蠅性誘劑和食物誘餌）以及相應的誘捕器進行誘捕監測，并通過定期人工統計實蠅成蟲數量。該方法以人工調查為主，需要大量勞動力，且無法對田間蟲害情況進行快速監測[4]。

為了解決害蟲監測上費時費力的問題，新的監測技術不斷被探索[5]。隨著計算機技術、物聯網技術等的發展，目前農業害蟲自動識別與監測技術主要有圖像識別、聲音信號識別、雷達識別、紅外計數等[6-7]。基于圖像的昆蟲自動識別與計數的研究通過無線網絡將田間高清害蟲照片傳輸到主控平臺中，在主控平臺中對農田中常見的害蟲實現特征提取和識別[8-9]。燈光和色板誘蟲譜廣，適用于監測點昆蟲多樣性調查[10]。朱世明等利用基于光學暗場反射測量的光學遙感技術探測飛行的農業害蟲[11]。基于紅外傳感器的昆蟲自動識別與計數的研究采用含有性信息素的誘捕器進行害蟲的誘捕，害蟲落入紅外傳感器后，形成計數脈腫，觸發計數器計數[12-13]。

誘捕器配合使用的紅外自動計數技術因具有低成本、低功耗等優點，是害蟲測報中不錯的技術選擇，在梨小食心蟲、橘小實蠅、斜紋夜蛾等鱗翅目害蟲的自動監測中進行了試驗與應用[14-16]。本研究利用特定引誘物、LED光源對實蠅誘集的特性，采用紅外傳感器進行實時計數，設計出1種的可自動誘捕與計數的實蠅類害蟲實時監測裝置，為實時獲取害蟲發生數量的動態數據，掌握害蟲的發生規律提供1種新裝備。

1?系統總體設計

本害蟲實時監測裝置總體上可分為3個部分：數據采集端、數據服務端、數據查詢端。數據采集端主要由害蟲誘殺裝置、紅外計數傳感器、數據傳輸單元（DTU）、太陽能供應組件等組成，電源由太陽能板供電，蓄電池作為不間斷電源，結構如圖1所示。害蟲誘殺裝置有LED燈版、性誘劑、高壓電網、進蟲盒等零部件。主要原理是利用昆蟲間化學通信和物理學反應來引誘昆蟲進入高壓電網，當觸碰到電網后，會被高壓擊倒，掉入紅外計數感覺區，觸發紅外計數傳感器計數，最后DTU將計數結果通過4G網絡上傳到數據服務器。軟件系統主要由數據服務接口和手機查詢客戶端組成，采用JAVA、SQL Server、Apache開發，管理人員可以通過手機或PC端進行數據的實時監測。

2?終端硬件設計

2.1?LED燈板

LED燈板由鋁基板、LED燈珠、導光板組成（圖2）。鋁基板采用雙面設計，結構為電路層、絕緣層、鋁基、絕緣層、電路層，在雙面板上同時設置LED燈珠，光線誘集面積更大，誘引效果更好。可用于昆蟲誘捕的特定波長有：紅（波長640 nm±10 nm）、黃（波長575 nm±10 nm）、綠（波長520 nm±10 nm）、青（波長490 nm±10 nm）、藍（波長465 nm±10 nm）、紫（波長430 nm±10 nm）等。LED燈珠使用特定波長的顏色時，就可誘引趨向特定波長顏色的多種昆蟲。本設計利用實蠅類昆蟲趨黃光特性，選用黃色（波長575 nm±10 nm）LED燈珠，8個燈珠均勻分布在鋁基板的雙面上，兩面的LED燈珠再覆蓋1層導光板。導光板可以把LED燈珠光源轉化成面光源，使光線散布得更為均勻，當LED燈板垂直安裝時，兩面照射的范圍近似于360°，對趨光性昆蟲的誘引效果更佳。LED雙面燈板的輸入電源為直流電5 V，使用弱電電源供電，安全性更高。對LED雙面燈板進行光譜測試，光譜測定的主波長為582.4 nm，符合特定波長黃色（波長575 nm±10 nm）的范圍。

2.2?逆變電路及高壓模塊

逆變電路由電源組件、高頻振蕩器、五倍壓整流電路和高壓電網組成（圖3）。三極管Q1和變壓器T1構成的自激振蕩電路，將3.3 V直流電逆變成高頻交流電，在T1的高壓繞組N3兩端得到約AC 500 V的電壓，再經D1-D5、C1-C5組成的五倍壓整流電路升高到DC 2 500 V左右，加到環形電網上，當害蟲觸碰電網相鄰兩極時，蟲體造成電網短路，立即被電弧擊暈或擊斃。

電源組件是由LM2596-3.3 V穩壓芯片和少數幾個元器件組成（圖4）。LM2596系列是德州儀器（TI）生產的3 A電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片，電路如圖5所示，內含固定頻率振蕩器（150 kHz）

和基準穩壓器（1.23 V），將輸出電壓的分壓電阻網絡的輸出同內部基準穩壓值1.23 V進行比較，若電壓有偏差，則可用放大器控制內部振蕩器的輸出占空比，從而使輸出電壓保持穩定，使環形電網可以獲得穩定的高電壓。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路，可提供3.3、5、12 V及可調（-ADJ）等多個電壓檔次。本設計采用12 V太陽能電池組供電，由于太陽能電池組充電會隨著電量消耗而上下波動，根據自激振蕩電路的需要，選用3.3 V穩壓芯片，將太陽能電池組提供的不穩定電壓保持穩定輸出。

2.3?紅外計數傳感器模塊

紅外計數傳感器計數原理是用紅外中斷傳感器感知害蟲進入監測區引起的電阻特性差異。使用940 nm波段的紅外發射管，由多組紅外發射管和多組紅外接收管形成一個紅外檢測層，紅外接收管將紅外線光信號轉變成電信號輸出，只要有害蟲通過紅外檢測層，紅外接收管接收到的紅外線就有部分被遮擋，輸出的電信號就會發生變化，根據電信號的變化量對害蟲進行計數。如圖6，每當害蟲個體大小L，通過紅外檢測層A2位置時，引起電信號的變化，電信號變化的數量即為害蟲通過的數量。

害蟲數量數據由害蟲監測紅外計數遠程測控儀采集，再由測控儀發送到中心服務器（圖7）。

2.4?紅外計數遠程測控儀

害蟲監測紅外計數遠程測控儀集成了微控制器、GPRS通信模塊、主控電路等（圖8）。害蟲監測紅外計數遠程測控儀可實現紅外計數采集，通過GPRS通信模塊將采集的數據發送到中心服務器。害蟲監測紅外計數遠程測控儀的微控制器為意法半導體的STM8S系列主流8位微控制器，適于工業、消費類和計算機市場的多種應用，特別是要實現大批量應用的情況。基于STM8專有內核，STM8S系列8位微控制器采用ST的130 nm工藝技術和先進內核架構，主頻達到24 MHz，處理能力高達20 MIPS。當電源電壓為12 V時，工作電流在0.018～0.1 A之間，實現低功耗。主要參數指標如表1所示。

3?系統軟件設計

害蟲監測模塊服務器無線數據中繼軟件監測中心服務器，接收并存儲設備上傳數據，下發配置參數。軟件以Service形式后臺運行，通過配置文件和指定的SQL Server數據表加載用戶配置。系統定義容量10 kB，在網容量1 kB，網絡側吞吐量0.1 kB/s，還具備數據庫寫入緩沖功能，緩沖容量90 kB，緩沖區持久存儲有效期48 h。數據查詢端應用HTML5移動開發技術，設計開發跨平臺的手機查詢系統軟件，為用戶提供當前蟲量實時查看工具，包括最近24 h內的小時匯總蟲量和最近30 d內的每天匯總蟲量。

4?系統測試

在實驗室環境下，將田間誘集到的橘小實蠅帶回實驗室，放入-18 ℃冰凍室將活蟲凍死后取出，然后開啟害蟲實時監測裝置，投放間隔時間分為5、6、7、8、9 s，每個時間間隔分別投入100只橘小實蠅進入監測裝置。測試結果表明，當時間間隔為5 s時，利用實時監測系統檢測出的橘小實蠅成功率為56%;當時間間隔為6 s時，橘小實蠅檢測成功率為84%;當時間間隔為7 s時，橘小實蠅檢測成功率為98%;當時間間隔為8 s和9 s時，橘小實蠅檢測成功率均為100%（圖9）。

5?結論

本研究開發了1種基于紅外傳感器的實蠅類害蟲實時監測裝置，裝置包括害蟲誘殺裝置、紅外計數傳感器、紅外計數遠程測控儀、配套軟件系統等，實現了實蠅類害蟲的自動誘捕與計數。在實驗室環境下試驗數據表明，害蟲監測紅外計數遠程測控儀接收和發送1條數據的時間間隔為6 s，當時間間隔小于6 s時，實時監測系統檢測出的橘小實蠅數量會比人工少，存在數據漏報，當時間間隔≥7 s 時，實時監測系統的檢測成功率為98%。系統軟件實現了通過手機查詢實時蟲量、小時蟲量和日蟲量的統計匯總數據，方便用戶及時、準確地得知害蟲發生的動態變化，掌握害蟲的發生規律。本裝置針對實蠅白天活動的生活習性，以LED為光源，采用太陽能電池板直接供電，不僅減少了蓄電池的使用，保護環境，還可以節約設備功耗，降低項目建設成本。目前本系統僅在實驗室環境下測試，尚未在大田害蟲種類繁多、蟲態及其高溫、多雨等復雜多變的環境開展相關試驗，設備運行穩定性、適用性需要在后續的工作中進一步驗證完善。

參考文獻：

[1]高媛惠，蓋云鵬，李?斌，等. 我國口岸截獲實蠅疫情分析[J]. 植物檢疫，2016，30（5）：68-71.

[2]馬興莉，李志紅，胡學難，等. 橘小實蠅、瓜實蠅和南亞果實蠅對廣東省造成的經濟損失評估[J]. 植物檢疫，2013，27（3）：50-56.

[3]鄭思寧，魏?煒. 4種重要實蠅類害蟲對福建省造成的經濟損失評估[J]. 中國生物防治學報，2019，35（2）：209-216.

[4]陳梅香，楊信廷，石寶才，等. 害蟲自動識別與計數技術研究進展與展望[J]. 環境昆蟲學報，2015，37（1）：176-183.

[5]劉萬才. 我國農作物病蟲害現代測報工具研究進展[J]. 中國植保導刊，2017，37（9）：29-33.

[6]封洪強，姚?青. 農業害蟲自動識別與監測技術[J]. 植物保護，2018，44（5）：127-133.

[7]黃?沖，劉萬才. 我國農作物病蟲測報信息化發展進程、現狀與推進思路[J]. 中國植保導刊，2018，38（2）：21-25，31.

[8]韓瑞珍，何?勇. 基于計算機視覺的大田害蟲遠程自動識別系統[J]. 農業工程學報，2013，29（3）：156-162.

[9]姚?青，呂?軍，楊保軍，等. 基于圖像的昆蟲自動識別與計數研究進展[J]. 中國農業科學，2011，44（14）：2886-2899.

[10]汪詩凱，張俊華，周?萍，等. 光、聲和信息素在昆蟲監測中的應用[J]. 植物檢疫，2018，32（4）：10-17.

[11]朱世明，李逸云，高麗娜，等. 利用基于光學暗場反射測量的光學遙感技術探測飛行的農業害蟲[J]. 昆蟲學報，2016，59（12）：1376-1385.

[12]文?韜，洪添勝，李立君，等. 橘小實蠅成蟲誘捕監測裝置的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2014，30（11）：37-44.

[13]Jiang J A，Lin T S，Yang E C，et al. Application of a web-based remote agro-ecological monitoring system for observing spatial distribution and dynamics of Bactrocera dorsalis in fruit orchards[J]. Precision Agriculture，2013，14（3）：323-342.

[14]李?震，洪添勝，文?韜，等. 基于物聯網的果園實蠅監測系統的設計與實現[J]. 湖南農業大學學報（自然科學版），2015，41（1）：89-93.

[15]田?冉，陳梅香，董大明，等. 紅外傳感器與機器視覺融合的果樹害蟲識別及計數方法[J]. 農業工程學報，2016，32（20）：195-201.

[16]Shieh J C，Wang J Y，Lin T S，et al. A GSM-based field monitoring system for Spodoptera litura （Fabricius）[J]. Engineering in Agriculture，Environment and Food，2011，4（2）：77-82.