聲光氣組合蘋果園滅蟲驅鳥裝置設計與試驗

李青鸞，王晨洋，徐 洛，閆小麗

(西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

蘋果營養價值高，富含礦物質和維生素。中國是世界上最大的蘋果生產國和消費國，在世界蘋果產業中占有重要地位[1]。蘋果是我國重要的經濟作物之一，蘋果產業促農增收致富作用越來越突出。蟲害、鳥害已成為現代蘋果園農業發展的一大主要阻力[2]。蘋果蟲害一般從3月開始，到9月結束，持續時間長、涉及的病蟲害種類數量較多且影響較大。蟲害可能導致蘋果樹結畸形果、爛果，甚至可能導致其減產或絕收[3]。以昭通蘋果主產區為例，若不采取防治措施，果園蟲害自然危害損失率可達12.87%左右[4]。據農業部統計，若按2%計算蘋果鳥害受損比例，全國因鳥害損失蘋果近60萬t[5]。

傳統的滅蟲驅鳥方法大致可分為物理方法、化學方法及生物方法。解決果園害蟲常用的方法是噴灑化學農藥。但化學農藥可導致環境污染問題，且頻繁使用化學農藥會增強害蟲對農藥的抗藥性，還會導致果品農藥殘留量超標，破壞果品品質，不利于果園經濟長期發展[6-7]。在果園中，果農常用張網捕鳥、拉反光條、置物驅鳥等物理方法進行驅鳥，有時也會使用驅鳥劑。但是驅鳥的物理方法會對人力物力產生較大消耗，且網與反光條多為不可回收物，易對環境造成較大的污染。由于驅鳥劑有效作用時間較短，使用驅鳥劑進行驅鳥對驅鳥劑的消耗較大，且作用效果不如其他方式明顯[8-9]。果農還可以通過引進天敵的方法對果園進行驅鳥驅蟲，但是盲目引進外來物種可能對環境造成不可逆損害。綜上可知，單一傳統的防治措施都有不可避免的弊端，研究發展新型及綜合防控技術具有重要意義。

本研究針對蘋果園滅蟲驅鳥，將物理方法與化學方法相結合，綜合運用黑光燈滅蟲、超聲波驅鳥及藥劑驅鳥方式，擴大裝置的有效工作范圍，實現優勢互補。已有的蘋果園蟲害鳥害綜合防治技術表明，采用綜合防治技術可以在保證產量的基礎上有效地減少農業生產中農藥的使用，降低果實的農藥殘留，提高果實質量[5，10-12]。但是已有的綜合防治技術存在技術綜合程度較低、相關研究較少等問題，因此，設計搭建一套集滅蟲驅鳥于一體的蘋果園綜合防治裝置具有重要意義。

1 工作原理及結構

1.1 設計原理

根據蘋果園傳統單一滅蟲驅鳥的方法，基于綠色高效綜合防控理念，設計聲光氣組合蘋果園滅蟲驅鳥裝置。本裝置由黑光燈模塊、超聲波模塊和藥劑擴散模塊組成，3個模塊協同配合完成工作。其中，黑光燈模塊由黑光燈和瞬時高壓電網組成；超聲波模塊由超聲波發生器和紅外檢測模塊組成；藥劑擴散模塊由鼓風機和有孔料筒組成。

黑光燈滅蟲是利用黑光燈輻射出λ=360 nm的紫外線，以及害蟲的趨光性對害蟲進行誘集，同時配合瞬時高壓電網對誘集到的害蟲進行捕殺[13]。超聲波驅鳥是利用超聲波對鳥類的神經系統和生理系統產生影響，當超聲波發出頻率在20 kHz以上時，即可驅趕鳥類[14]。藥劑擴散驅鳥是利用市場上已有的純天然無公害生物試劑釋放影響鳥類呼吸系統的特色氣味從而迫使鳥類離開，同時試劑配合鼓風機和有孔料筒使用，擴大其有效工作半徑[15]。

1.2 整機結構及工作過程

聲光氣組合蘋果園滅蟲驅鳥裝置主要由超聲波模塊、黑光燈模塊、藥劑擴散模塊和控制模塊構成，裝置外形結構如圖1所示。

控制系統由單片機、開關電源、兩路繼電器、紅外檢測模塊、功率放大模塊和光敏電阻模塊組成。其中，控制器是STC公司的STC89C51單片機，能滿足裝置硬件控制和裝置控制程序的需要。電源由開關電源外接220 V交流電提供。

1.端蓋 2.料筒擋板 3.料筒 4.機架 5.藥劑擴散模塊 6.機架擋板 7.超聲波模塊及控制模塊 8.黑光燈 9.瞬時高壓電網圖1 裝置外形結構Fig.1 Device structure

整機結構以機架擋板為基準。黑光燈固定于擋板下部，瞬時高壓電網位于機架底部。超聲波發生器、紅外檢測裝置、鼓風機固定于擋板上，由單片機控制各個模塊的工作狀態。固體驅鳥藥劑放置在機架頂部的有孔料筒內，鼓風機產生的高速氣流通過軟管送入有孔料筒加速藥劑擴散。

裝置供電后進入工作狀態，各模塊的具體工作情況由光敏電阻控制。白天時鳥類活動較為頻繁，當光敏電阻檢測到周圍光強較大時，通過電壓比較電路給單片機輸入信號，單片機控制超聲波模塊和藥劑擴散模塊進行工作，實現驅鳥功能；夜晚時蟲類活動較為頻繁，當光敏電阻檢測到周圍光強較小時，給單片機輸入一個與白天相反的工作信號，使得超聲波和藥劑擴散模塊關閉，黑光燈模塊進入工作狀態，完成夜間的滅蟲工作。

2 關鍵部件設計

2.1 黑光燈模塊

黑光燈模塊由黑光燈管、瞬時高壓電網和兩路繼電器組成。瞬時高壓電網固裝于機架的下底面，黑光燈由繩結固聯在機架擋板下方。兩路繼電器的兩個控制端分別與黑光燈和紅外接近傳感器、瞬時高壓電網相連，繼電器的輸入端與單片機控制模塊相連。

光敏電阻是單片機控制模塊的核心元件。通過光敏電阻感知到光強的改變控制電壓比較電路輸出的電位高低，單片機控制模塊對繼電器的通斷進行控制，黑光燈管與瞬時高壓電網同時進入工作狀態，配合工作完成滅蟲。黑光燈模塊工作流程如圖2所示。

為達到良好的控制效果，利用萬用電表測量光敏電阻在光強變化下阻值的變化情況。根據光敏電阻阻值的變化情況，電壓比較電路取用阻值1 000 Ω的普通電阻作為比較電阻；根據黑光燈對害蟲的吸引效果不同，選擇360 nm、26 W的黑光燈管作為主要工作部件；對于瞬時高壓電網，選取輸出電壓為3 800～4 200 V。

圖2 黑光燈模塊工作流程Fig.2 Working flowchart of black light module

2.2 超聲波模塊

超聲波模塊由超聲波發生器、紅外檢測器、功率放大模塊和繼電器組成。超聲波發生器與功率放大模塊相連，固定在擋板上；紅外檢測器固裝于擋板四周的邊緣上。繼電器視作開關連接在單片機控制器和超聲波發生器之間，用于控制超聲波模塊的工作狀態。與黑光燈模塊的工作原理相同，單片機控制模塊通過對超聲波模塊內的繼電器進行控制，進而使得超聲波發生器和紅外檢測器在白天同時工作。當紅外檢測器檢測到有鳥類飛過時，超聲波發生器開始發出超聲波并持續10 s。發聲時間結束后，紅外檢測器再次檢測以決定超聲波發生器是否繼續發聲。二者配合工作完成驅鳥。超聲波模塊工作流程如圖3所示。

為增強紅外檢測器的檢測范圍，采用有菲涅爾光學透鏡的紅外檢測器，擴大檢測的角度范圍；查閱資料顯示，頻率范圍在20～50 kHz的超聲波對驅鳥較為有效，取用可發出40 kHz的HY-SR04型超聲波發射模塊配合單片機定時器實現超聲波發射頻率的改變；為使超聲波模塊的有效工作半徑與黑光燈模塊的有效工作半徑大致相符，取用功率放大倍數為33倍的功率放大模塊擴大其有效工作半徑。

圖3 超聲波模塊工作流程Fig.3 Working flowchart of ultrasonic module

2.3 藥劑擴散模塊

藥劑擴散模塊由料筒、鼓風機、固體驅鳥藥劑、開關電源和繼電器組成。料筒通過焊接固定在機架的最頂端，藥劑位于料筒內的隔板上。鼓風機的出風口與料筒的進風口通過軟管相連，鼓風機的電源與開關電源、繼電器和單片機控制模塊相連。當光敏電阻檢測到周圍的光強達到固定值時，單片機控制模塊發出信號使繼電器吸合，藥劑擴散模塊開始工作。

為使料筒便于出風，設計了孔徑分布均勻的料筒，取料筒上的孔徑大小為50 mm；為使料筒出風口處的風速達到2級風力，鼓風機取用HG-1500型，其風量為250 m3/h；查閱相關資料后，選取10包果園專用“鳥鼠凈”固體驅鳥藥劑，其有效工作時間可達15 d。

3 裝置測試及調試結果分析

3.1 單模塊測試

各個模塊設計完成后，分別進行單模塊試驗測試其有效工作半徑。在測試時，選取蘋果園常見害蟲(桃小食心蟲、蘋果棉蚜和蘋小食心蟲)進行試驗，分別用3種害蟲各20只進行不同距離的測試。測試結果如表1所示。

表1 黑光燈模塊工作結果Tab.1 Working result of black light module

通過3種害蟲的反應可以大致推出，黑光燈模塊的有效工作半徑約為15 m。

對于超聲波模塊和藥劑擴散模塊，取用10只麻雀作為試驗材料研究其有效工作半徑，并用40 m長線束縛麻雀，人為控制活動范圍。分別開啟超聲波模塊和藥劑擴散模塊，觀察麻雀在不同距離的活動情況。測試結果如表2和表3所示。通過10只麻雀的反應可大致推出，超聲波模塊的有效工作半徑約為10 m，藥劑擴散模塊的有效工作半徑約為15 m。

表2 超聲波模塊工作結果Tab.2 Working result of ultrasonic module

表3 藥劑擴散模塊工作結果Tab.3 Working result of chemical diffusion module

3.2 整體裝置測試

3.2.1 滅蟲試驗

滅蟲試驗步驟如下。

(1)準備蘋果園內常見害蟲桃小食心蟲、山楂葉螨、蘋小食心蟲、蘋果棉蚜、金紋細蛾、桃蛀果蛾各20只。

(2)將裝置布置在試驗場地中心，各類蟲子隨機布置在裝置四周。

(3)將裝置調節至夜晚工作模式開啟6～8 h，觀察試驗結果。

室內試驗結果如表4所示，室外試驗結果如表5所示。經試驗數據分析可知，該裝置對于飛行類害蟲殺滅情況良好，對于其他害蟲殺滅情況一般。經試驗數據分析可知，在室外試驗中，無法避免非試驗投入蟲類及周圍環境干擾對試驗結果產生影響。總體而言，室外試驗效果比室內實驗效果略差，但仍可基本實現裝置設定功能。

表4 室內試驗結果Tab.4 Laboratory results 單位：只

表5 室外試驗結果Tab.5 Outdoor experiment results 單位：只

3.2.2 驅鳥試驗

驅鳥試驗步驟如下。

(1)將裝置布置在西北農林科技大學蘋果試驗地內并調試。

(2)選擇天氣晴朗的時候，在每天7∶00—9∶00和16∶00—18∶00時打開裝置，記錄鳥類進入試驗田的數量(落下時間不足5 s的不計數)。

(3)觀察5 d，處理數據得出試驗結論。

試驗結果如表6所示。使用SPSS Statistics 26軟件對試驗結果數據進行處理。經過5 d觀察，開啟滅蟲驅鳥裝置后，全天落入試驗田的鳥類數量為5.60只，比未開啟裝置時減少了42.86%。兩組數據經t檢驗，具有顯著性差異(P<0.05)，證明該滅蟲驅鳥裝置具有一定驅鳥效果。

表6 驅鳥試驗結果Tab.6 Results of bird repelling experiment 單位：只

3.3 結果分析

由各模塊測試和整體測試結果可知，本研究設計的新型聲光氣組合蘋果園滅蟲驅鳥裝置的有效工作半徑為10 m，具有一定滅蟲驅鳥效果。在實際應用中，整體裝置會受到天氣、果園植株等不確定性因素影響，裝置的有效工作半徑可能減小。然而，該系統對于蘋果園內常見的害蟲害鳥還是具有一定的滅蟲驅鳥功能，可實現果樹保護，該裝置可以達到預期效果。

4 結論

本研究針對當前蘋果園蟲害鳥害綜合防控的需求，設計了一種新型聲光氣組合蘋果園滅蟲驅鳥裝置，利用黑光燈的害蟲誘集性、超聲波的鳥類驅離性和現有驅鳥劑實現了果園內滅蟲驅鳥功能。試驗表明，該裝置在室外的工作條件下可以達到50%以上的滅蟲驅鳥效率，具有一定滅蟲驅鳥效果。本研究有以下2點創新。

(1)利用氣泵原理，將鼓風機與有孔料筒相配合，加快固體驅鳥試劑的揮發速度，擴大其作用范圍。

(2)此滅蟲驅鳥器將物理方法(如黑光燈誘捕、超聲波驅離)與化學方法(如固體驅鳥劑)相結合，優勢互補，實現對果園內蟲害鳥害的防治。

綜上所述，聲光氣組合蘋果園滅蟲驅鳥裝置設計符合蘋果園滅蟲驅鳥實際，具有一定實用效果及較好的應用前景，為果園蟲害鳥害防治提供了一種綜合多種技術、實現優勢互補的思路，但還應在提高害蟲致死率和鳥類驅離率方面開展研究。