基于红外感应的稻纵卷叶螟智能监测装置的设计与实现

林峰

(福建省农业科学院 数字农业研究所，福建 福州 350003)

稻纵卷叶螟属鳞翅目螟蛾科昆虫，为害大麦、小麦、甘蔗、粟等作物，是我国水稻主要害虫之一[1]。稻纵卷叶螟是一种季节性远距离迁飞害虫[2-3]，随季节时空的变化，在某一地区大面积为害，严重影响水稻的产量和品质，造成重大经济损失[4-7]。对稻纵卷叶螟发生动态进行准确识别与监测是综合防治的重要组成部分。传统稻纵卷叶螟监测主要采用集诱和田间调查等手段，存在需要大量劳力、耗时耗力、统计害虫数量效率不高等问题[8]。随着物联网、大数据、移动物联网等现代信息技术的普及和发展，智能害虫监测逐渐代替人工取样调查成为新的趋势[9-10]。

为解决传统监测耗时耗力的问题，科研人员在图像智能识别[11-13]、音频信号识别[14]、雷达技术识别[15-17]、红外探测[18]等方面进行了深入研究和探索，害虫智能监测的部分技术已取得明显进展和突破[19]。郭建军等[20]采用特定波长的紫外光对昆虫诱导，通过红外计数响应速度快、灵敏度高、准确率较高的优点统计农田害虫数量信息，但灯诱无法对特定对像进行诱导。田冉等[21]应用机器视觉识别技术和红外传感器相结合的方式，实现对果树害虫自动识别计数，提高了害虫识别的准确率，但是该方法步骤比较复杂，设备成本高，不易掌握，图像数据处理时间长。马鹏鹏等[22]利用水稻灯诱昆虫的方式，进行图像识别，实现对害虫的分类和自动计数，但灯诱中会引来部分非目标昆虫，导致识别率下降和误检率提高。

稻纵卷叶螟的测报方法主要有性诱监测、灯诱监测和稻田赶蛾[23-24]。灯诱监测技术虽然引诱昆虫效果明显，但会引诱来非目标性昆虫，专一性差；稻田赶蛾的方法则人工成本高、效率低、耗时耗力；稻纵卷叶螟性诱剂有良好的效果和专一性强的优点[25-27]。

本研究通过性诱和红外结合的方法，采用传统性诱技术结合红外感应技术对稻纵卷叶螟进行自动监测，设计了一款基于红外感应的稻纵卷叶螟智能监测系统，通过性诱剂将稻纵卷叶螟引至高压电网，并将其击杀，虫体掉落至进虫盒，通过红外传感器进行实时计数，并增加了电网自洁装置。电网自洁装置每日定时对电网进行自洁，清除虫体及残留物，解决了人工定时清理和安全问题，提高了稻田害虫监测的效率和准确性。

1 系统整体设计

红外感应稻纵卷叶螟智能监测系统主要包括光伏发电模块、智能控制模块、红外计数模块、高压电网模块、自洁模块和中心服务器。光伏发电模块采用光伏发电技术，由太阳能电池板、电池和控制器组成的光伏发电装置向系统供电。智能控制模块采用无线数据传输终端进行采集数据的接收和处理，通过4G网络将数据发送至中心服务器(图1)。红外计数模块对监测区域内的害虫数量统计，并把数据发送至智能控制模块处理。高压电网模块对性诱剂引诱的害虫进行击杀，击杀后虫体掉落至进虫盒并对其计数。针对传统杀虫装置需人工定期清洁电网的问题，增加了自洁装置，每日定时对高压电网进行清洁。

图1 系统的整体结构

2 装置主体设计

2.1 智能控制模块

智能控制模块集成了微控单元、无线通信模块、SRAM&FLASH模块、电源模块、看门狗模块和时钟模块等。图2显示，原理是通过RS232/RS485接收发器模块接收温湿度模块和红外计数模块采集计数的数据，接收发器模块将采集的数据经过微控制单元的处理，数据暂存至FALSH&SRAM模块，微控制单元处理数据后将数据通过无线模块发送到中心服务器。害虫监测红外智能控制模块采用的无线数据传输终端，其微控制器采用的是工业级32位通信处理器，适于工业、消费类和计算机市场的多种应用，特别是要实现大批量应用的情况。无线数据传输终端支持TCP server功能，并且同时支持4个TCP连接，提供5路I/O，可实现5路数字量输入输出；兼容2路脉冲计数功能、2路模拟量输入和2路脉冲输出，能根据域名IP地址访问中心服务器，内嵌标准的TCP/IP协议栈，并且支持透明数据传输和多触发模式，包括短信和串口数据触发等上下线模式。

图2 智能控制模块的原理

2.2 红外传感计数监测模块

红外传感计数监测是用来监测害虫数量并统计的系统，可以不间断地监测田间一定区域内的害虫数量，最后将这些信息存储在存储单元然后传送至中心服务器。红外传感计数原理是单个或多个LED发光二极管对射结构[28-30]，用红外中断传感器感知害虫进入监测区引起的电阻特性差异[31]。图3显示，使用940 nm波段的红外发射管，由多组红外发射管和多组红外接收管形成一个红外检测层，红外接收管将红外线光信号转变成电信号输出，只要有害虫通过红外检测层，红外接收管接收到的红外线就有部分被遮挡，输出的电信号就会发生变化，根据电信号的变化量对害虫进行计数。

图3 红外传感计数监测模块的原理

2.3 光伏供电模块

太阳能光伏供电系统主要包括太阳能板、太阳能控制器、储蓄电池、逆变器和太阳能电池组件等，是一个集蓄电与供电一体的供电系统，环保节能，能避免使用大量电缆，减少安全隐患事故的发生，并且节约能源。原理是太阳能板通过日光照射将光能转换成电能，太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，达到一定阈值，提供数据采集终端白天的供电[32-33]。太阳能板支架用于固定和安装太阳能电池板，调节倾角以使太阳能板获得最大的太阳辐射。尽可能地储存白天太阳能电池组件的能量，同时也要存储提前设定的连续阴雨天夜晚采集需要的电能，为晚上或者阴雨天气提供电能。图4为光伏供电模块原理图。

图4 光伏供电模块的原理

2.4 高压电网及电网自洁模块

高压电网主要功能是能通过性诱剂将稻田害虫引诱至高压电网，将其电击至专用进虫盒内。原理是电源模块高压发生器供电，高压发生器瞬间产3 000 V左右的高压，传至高压电网，害虫触碰电网时对其电击并掉落至进虫盒[34]。高压电网击杀害虫后，害虫某些部分会黏至电网，长期使用也会累积灰尘和污渍，导致电网击杀效果不明显，同时还会影响红外感应计数的数据，因此，需要对电网定期进行人工清洁。通过电网自清理的方式可以自动清理电网上的物体及灰尘黏附，降低能源损耗，节省大量人力物力，达到监测害虫的最佳效果[35]。高压电网及电网自洁模块包括进虫盒、单片机、机械传动装置、清洁盘、高压发生器和高压电网。自洁模块包括机械传动装置、单片机STC89C52和清洁盘。设计单片机STC89C52发送指令每日定时让清洁盘对高压电网进行清理。环绕高压电网并可与电压电网接触，机械传动装置、进给轴与清洁盘固定连接，机械传动装置驱动清洁盘往复运动，带动清洁盘对高压电网的清洁。图5为高压电网及电网自洁模块原理图。

图5 高压电网及电网自洁模块的原理

3 系统软件

稻纵卷叶螟智能害虫监测系统可通手机APP查看，用户通过手机APP不仅可以查询虫量、温度、湿度、天气等数据信息，也可以查询稻纵卷叶螟田间发生动态，了解稻纵卷叶螟在田间峰值、峰形和峰次趋势上的变化。用户可以实地通过专用的GPS定位仪器或者手机定位获取实时定位信息并制定项目任务，手机拍照采集周边环境图片并上传至服务器，为用户田间监测管理节约了成本，提高了工作效率。图6为手机APP稻纵卷叶螟智能害虫监测系统界面。

图6 稻纵卷叶螟智能害虫监测系统的APP界面

4 系统测试

稻纵卷叶螟田间诱捕试验在厦门市同安区四林村进行。稻纵卷叶螟专用性信息素诱芯由北京中捷四方有限公司生产提供。将诱芯固定于诱捕器内，诱捕器固定于铁杆上并置于稻田中，诱捕器底部低于水稻叶面约20～30 cm，每隔3 d倒出诱捕器集虫罐内蛾子并计数，每15 d更换诱芯，2020年8月1日起开始进行诱蛾量计数。害虫远程实时监测自动计数系统累计记录312头，人工复核实际诱蛾量为284头，除8月21—30日智能计数系统监测数量略高于人工统计，其他时间复核准确率能达到100%(图7)。害虫实时监测设备准确率为91.0%，自动计数准确率较高。在试验过程中，性诱单一，稻纵卷叶螟诱集效果好，但诱捕害虫受环境因素影响，诱捕器存在非靶标害虫误入的情况。

图7 害虫计数识别结果

5 讨论

本研究结合了物联网技术、红外感应监测技术和昆虫性诱技术，实现了稻纵卷叶螟的诱击和计数，并增加了高压电网自洁系统。红外感应和性诱技术的相结合，性诱剂能引诱来目标昆虫，红外传感器则能对昆虫进行快速、有效计数，相比传统监测系统节约了设备成本并有效提高了田间监测稻纵卷叶螟的工作效率，为预防稻纵卷叶螟的发生提供了基础数据信息，提升了水稻的产量和品质。在田间环境下试验数据表明，诱集效果明显，在红外监测计数准确性上，稻纵卷叶螟智能监测系统准确率较高，在诱集量较大时，人工计数和自动计数的结果吻合度高。系统软件帮助用户通过手机查询虫量的汇总统计数据，方便用户及时、准确地得知害虫发生的动态，掌握害虫的发生规律。本装置针对稻纵卷叶螟采用性诱技术，通过太阳能电池板直接供电，不仅减少了蓄电池的使用，绿色环保无污染，还能节约设备功耗，降低项目建设成本。

6 小结

本系统采用的是红外感应自动计数和性诱电网击杀的技术方法，能实时监测稻纵卷叶螟在田间动态，提高基层测报人员的效率，避免调查中人工误差和测报灯故障不能及时获取数据信息的情况。目前系统还处于田间研究测试初期，稻田害虫种类繁多，后续还需在多个地区的田间地头以及复杂环境下开展相关试验，提高系统的精确度、稳定性和适用性。