基于紅外感應的稻縱卷葉螟智能監測裝置的設計與實現

林峰

(福建省農業科學院 數字農業研究所，福建 福州 350003)

稻縱卷葉螟屬鱗翅目螟蛾科昆蟲，為害大麥、小麥、甘蔗、粟等作物，是我國水稻主要害蟲之一[1]。稻縱卷葉螟是一種季節性遠距離遷飛害蟲[2-3]，隨季節時空的變化，在某一地區大面積為害，嚴重影響水稻的產量和品質，造成重大經濟損失[4-7]。對稻縱卷葉螟發生動態進行準確識別與監測是綜合防治的重要組成部分。傳統稻縱卷葉螟監測主要采用集誘和田間調查等手段，存在需要大量勞力、耗時耗力、統計害蟲數量效率不高等問題[8]。隨著物聯網、大數據、移動物聯網等現代信息技術的普及和發展，智能害蟲監測逐漸代替人工取樣調查成為新的趨勢[9-10]。

為解決傳統監測耗時耗力的問題，科研人員在圖像智能識別[11-13]、音頻信號識別[14]、雷達技術識別[15-17]、紅外探測[18]等方面進行了深入研究和探索，害蟲智能監測的部分技術已取得明顯進展和突破[19]。郭建軍等[20]采用特定波長的紫外光對昆蟲誘導，通過紅外計數響應速度快、靈敏度高、準確率較高的優點統計農田害蟲數量信息，但燈誘無法對特定對像進行誘導。田冉等[21]應用機器視覺識別技術和紅外傳感器相結合的方式，實現對果樹害蟲自動識別計數，提高了害蟲識別的準確率，但是該方法步驟比較復雜，設備成本高，不易掌握，圖像數據處理時間長。馬鵬鵬等[22]利用水稻燈誘昆蟲的方式，進行圖像識別，實現對害蟲的分類和自動計數，但燈誘中會引來部分非目標昆蟲，導致識別率下降和誤檢率提高。

稻縱卷葉螟的測報方法主要有性誘監測、燈誘監測和稻田趕蛾[23-24]。燈誘監測技術雖然引誘昆蟲效果明顯，但會引誘來非目標性昆蟲，專一性差；稻田趕蛾的方法則人工成本高、效率低、耗時耗力；稻縱卷葉螟性誘劑有良好的效果和專一性強的優點[25-27]。

本研究通過性誘和紅外結合的方法，采用傳統性誘技術結合紅外感應技術對稻縱卷葉螟進行自動監測，設計了一款基于紅外感應的稻縱卷葉螟智能監測系統，通過性誘劑將稻縱卷葉螟引至高壓電網，并將其擊殺，蟲體掉落至進蟲盒，通過紅外傳感器進行實時計數，并增加了電網自潔裝置。電網自潔裝置每日定時對電網進行自潔，清除蟲體及殘留物，解決了人工定時清理和安全問題，提高了稻田害蟲監測的效率和準確性。

1 系統整體設計

紅外感應稻縱卷葉螟智能監測系統主要包括光伏發電模塊、智能控制模塊、紅外計數模塊、高壓電網模塊、自潔模塊和中心服務器。光伏發電模塊采用光伏發電技術，由太陽能電池板、電池和控制器組成的光伏發電裝置向系統供電。智能控制模塊采用無線數據傳輸終端進行采集數據的接收和處理，通過4G網絡將數據發送至中心服務器(圖1)。紅外計數模塊對監測區域內的害蟲數量統計，并把數據發送至智能控制模塊處理。高壓電網模塊對性誘劑引誘的害蟲進行擊殺，擊殺后蟲體掉落至進蟲盒并對其計數。針對傳統殺蟲裝置需人工定期清潔電網的問題，增加了自潔裝置，每日定時對高壓電網進行清潔。

圖1 系統的整體結構

2 裝置主體設計

2.1 智能控制模塊

智能控制模塊集成了微控單元、無線通信模塊、SRAM&FLASH模塊、電源模塊、看門狗模塊和時鐘模塊等。圖2顯示，原理是通過RS232/RS485接收發器模塊接收溫濕度模塊和紅外計數模塊采集計數的數據，接收發器模塊將采集的數據經過微控制單元的處理，數據暫存至FALSH&SRAM模塊，微控制單元處理數據后將數據通過無線模塊發送到中心服務器。害蟲監測紅外智能控制模塊采用的無線數據傳輸終端，其微控制器采用的是工業級32位通信處理器，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。無線數據傳輸終端支持TCP server功能，并且同時支持4個TCP連接，提供5路I/O，可實現5路數字量輸入輸出；兼容2路脈沖計數功能、2路模擬量輸入和2路脈沖輸出，能根據域名IP地址訪問中心服務器，內嵌標準的TCP/IP協議棧，并且支持透明數據傳輸和多觸發模式，包括短信和串口數據觸發等上下線模式。

圖2 智能控制模塊的原理

2.2 紅外傳感計數監測模塊

紅外傳感計數監測是用來監測害蟲數量并統計的系統，可以不間斷地監測田間一定區域內的害蟲數量，最后將這些信息存儲在存儲單元然后傳送至中心服務器。紅外傳感計數原理是單個或多個LED發光二極管對射結構[28-30]，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[31]。圖3顯示，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。

圖3 紅外傳感計數監測模塊的原理

2.3 光伏供電模塊

太陽能光伏供電系統主要包括太陽能板、太陽能控制器、儲蓄電池、逆變器和太陽能電池組件等，是一個集蓄電與供電一體的供電系統，環保節能，能避免使用大量電纜，減少安全隱患事故的發生，并且節約能源。原理是太陽能板通過日光照射將光能轉換成電能，太陽能電池產生的直流電先進入蓄電池儲存，達到一定閾值，提供數據采集終端白天的供電[32-33]。太陽能板支架用于固定和安裝太陽能電池板，調節傾角以使太陽能板獲得最大的太陽輻射。盡可能地儲存白天太陽能電池組件的能量，同時也要存儲提前設定的連續陰雨天夜晚采集需要的電能，為晚上或者陰雨天氣提供電能。圖4為光伏供電模塊原理圖。

圖4 光伏供電模塊的原理

2.4 高壓電網及電網自潔模塊

高壓電網主要功能是能通過性誘劑將稻田害蟲引誘至高壓電網，將其電擊至專用進蟲盒內。原理是電源模塊高壓發生器供電，高壓發生器瞬間產3 000 V左右的高壓，傳至高壓電網，害蟲觸碰電網時對其電擊并掉落至進蟲盒[34]。高壓電網擊殺害蟲后，害蟲某些部分會黏至電網，長期使用也會累積灰塵和污漬，導致電網擊殺效果不明顯，同時還會影響紅外感應計數的數據，因此，需要對電網定期進行人工清潔。通過電網自清理的方式可以自動清理電網上的物體及灰塵黏附，降低能源損耗，節省大量人力物力，達到監測害蟲的最佳效果[35]。高壓電網及電網自潔模塊包括進蟲盒、單片機、機械傳動裝置、清潔盤、高壓發生器和高壓電網。自潔模塊包括機械傳動裝置、單片機STC89C52和清潔盤。設計單片機STC89C52發送指令每日定時讓清潔盤對高壓電網進行清理。環繞高壓電網并可與電壓電網接觸，機械傳動裝置、進給軸與清潔盤固定連接，機械傳動裝置驅動清潔盤往復運動，帶動清潔盤對高壓電網的清潔。圖5為高壓電網及電網自潔模塊原理圖。

圖5 高壓電網及電網自潔模塊的原理

3 系統軟件

稻縱卷葉螟智能害蟲監測系統可通手機APP查看，用戶通過手機APP不僅可以查詢蟲量、溫度、濕度、天氣等數據信息，也可以查詢稻縱卷葉螟田間發生動態，了解稻縱卷葉螟在田間峰值、峰形和峰次趨勢上的變化。用戶可以實地通過專用的GPS定位儀器或者手機定位獲取實時定位信息并制定項目任務，手機拍照采集周邊環境圖片并上傳至服務器，為用戶田間監測管理節約了成本，提高了工作效率。圖6為手機APP稻縱卷葉螟智能害蟲監測系統界面。

圖6 稻縱卷葉螟智能害蟲監測系統的APP界面

4 系統測試

稻縱卷葉螟田間誘捕試驗在廈門市同安區四林村進行。稻縱卷葉螟專用性信息素誘芯由北京中捷四方有限公司生產提供。將誘芯固定于誘捕器內，誘捕器固定于鐵桿上并置于稻田中，誘捕器底部低于水稻葉面約20～30 cm，每隔3 d倒出誘捕器集蟲罐內蛾子并計數，每15 d更換誘芯，2020年8月1日起開始進行誘蛾量計數。害蟲遠程實時監測自動計數系統累計記錄312頭，人工復核實際誘蛾量為284頭，除8月21—30日智能計數系統監測數量略高于人工統計，其他時間復核準確率能達到100%(圖7)。害蟲實時監測設備準確率為91.0%，自動計數準確率較高。在試驗過程中，性誘單一，稻縱卷葉螟誘集效果好，但誘捕害蟲受環境因素影響，誘捕器存在非靶標害蟲誤入的情況。

圖7 害蟲計數識別結果

5 討論

本研究結合了物聯網技術、紅外感應監測技術和昆蟲性誘技術，實現了稻縱卷葉螟的誘擊和計數，并增加了高壓電網自潔系統。紅外感應和性誘技術的相結合，性誘劑能引誘來目標昆蟲，紅外傳感器則能對昆蟲進行快速、有效計數，相比傳統監測系統節約了設備成本并有效提高了田間監測稻縱卷葉螟的工作效率，為預防稻縱卷葉螟的發生提供了基礎數據信息，提升了水稻的產量和品質。在田間環境下試驗數據表明，誘集效果明顯，在紅外監測計數準確性上，稻縱卷葉螟智能監測系統準確率較高，在誘集量較大時，人工計數和自動計數的結果吻合度高。系統軟件幫助用戶通過手機查詢蟲量的匯總統計數據，方便用戶及時、準確地得知害蟲發生的動態，掌握害蟲的發生規律。本裝置針對稻縱卷葉螟采用性誘技術，通過太陽能電池板直接供電，不僅減少了蓄電池的使用，綠色環保無污染，還能節約設備功耗，降低項目建設成本。

6 小結

本系統采用的是紅外感應自動計數和性誘電網擊殺的技術方法，能實時監測稻縱卷葉螟在田間動態，提高基層測報人員的效率，避免調查中人工誤差和測報燈故障不能及時獲取數據信息的情況。目前系統還處于田間研究測試初期，稻田害蟲種類繁多，后續還需在多個地區的田間地頭以及復雜環境下開展相關試驗，提高系統的精確度、穩定性和適用性。