声光气组合苹果园灭虫驱鸟装置设计与试验

李青鸾，王晨洋，徐 洛，闫小丽

(西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引言

苹果营养价值高，富含矿物质和维生素。中国是世界上最大的苹果生产国和消费国，在世界苹果产业中占有重要地位[1]。苹果是我国重要的经济作物之一，苹果产业促农增收致富作用越来越突出。虫害、鸟害已成为现代苹果园农业发展的一大主要阻力[2]。苹果虫害一般从3月开始，到9月结束，持续时间长、涉及的病虫害种类数量较多且影响较大。虫害可能导致苹果树结畸形果、烂果，甚至可能导致其减产或绝收[3]。以昭通苹果主产区为例，若不采取防治措施，果园虫害自然危害损失率可达12.87%左右[4]。据农业部统计，若按2%计算苹果鸟害受损比例，全国因鸟害损失苹果近60万t[5]。

传统的灭虫驱鸟方法大致可分为物理方法、化学方法及生物方法。解决果园害虫常用的方法是喷洒化学农药。但化学农药可导致环境污染问题，且频繁使用化学农药会增强害虫对农药的抗药性，还会导致果品农药残留量超标，破坏果品品质，不利于果园经济长期发展[6-7]。在果园中，果农常用张网捕鸟、拉反光条、置物驱鸟等物理方法进行驱鸟，有时也会使用驱鸟剂。但是驱鸟的物理方法会对人力物力产生较大消耗，且网与反光条多为不可回收物，易对环境造成较大的污染。由于驱鸟剂有效作用时间较短，使用驱鸟剂进行驱鸟对驱鸟剂的消耗较大，且作用效果不如其他方式明显[8-9]。果农还可以通过引进天敌的方法对果园进行驱鸟驱虫，但是盲目引进外来物种可能对环境造成不可逆损害。综上可知，单一传统的防治措施都有不可避免的弊端，研究发展新型及综合防控技术具有重要意义。

本研究针对苹果园灭虫驱鸟，将物理方法与化学方法相结合，综合运用黑光灯灭虫、超声波驱鸟及药剂驱鸟方式，扩大装置的有效工作范围，实现优势互补。已有的苹果园虫害鸟害综合防治技术表明，采用综合防治技术可以在保证产量的基础上有效地减少农业生产中农药的使用，降低果实的农药残留，提高果实质量[5，10-12]。但是已有的综合防治技术存在技术综合程度较低、相关研究较少等问题，因此，设计搭建一套集灭虫驱鸟于一体的苹果园综合防治装置具有重要意义。

1 工作原理及结构

1.1 设计原理

根据苹果园传统单一灭虫驱鸟的方法，基于绿色高效综合防控理念，设计声光气组合苹果园灭虫驱鸟装置。本装置由黑光灯模块、超声波模块和药剂扩散模块组成，3个模块协同配合完成工作。其中，黑光灯模块由黑光灯和瞬时高压电网组成；超声波模块由超声波发生器和红外检测模块组成；药剂扩散模块由鼓风机和有孔料筒组成。

黑光灯灭虫是利用黑光灯辐射出λ=360 nm的紫外线，以及害虫的趋光性对害虫进行诱集，同时配合瞬时高压电网对诱集到的害虫进行捕杀[13]。超声波驱鸟是利用超声波对鸟类的神经系统和生理系统产生影响，当超声波发出频率在20 kHz以上时，即可驱赶鸟类[14]。药剂扩散驱鸟是利用市场上已有的纯天然无公害生物试剂释放影响鸟类呼吸系统的特色气味从而迫使鸟类离开，同时试剂配合鼓风机和有孔料筒使用，扩大其有效工作半径[15]。

1.2 整机结构及工作过程

声光气组合苹果园灭虫驱鸟装置主要由超声波模块、黑光灯模块、药剂扩散模块和控制模块构成，装置外形结构如图1所示。

控制系统由单片机、开关电源、两路继电器、红外检测模块、功率放大模块和光敏电阻模块组成。其中，控制器是STC公司的STC89C51单片机，能满足装置硬件控制和装置控制程序的需要。电源由开关电源外接220 V交流电提供。

1.端盖 2.料筒挡板 3.料筒 4.机架 5.药剂扩散模块 6.机架挡板 7.超声波模块及控制模块 8.黑光灯 9.瞬时高压电网图1 装置外形结构Fig.1 Device structure

整机结构以机架挡板为基准。黑光灯固定于挡板下部，瞬时高压电网位于机架底部。超声波发生器、红外检测装置、鼓风机固定于挡板上，由单片机控制各个模块的工作状态。固体驱鸟药剂放置在机架顶部的有孔料筒内，鼓风机产生的高速气流通过软管送入有孔料筒加速药剂扩散。

装置供电后进入工作状态，各模块的具体工作情况由光敏电阻控制。白天时鸟类活动较为频繁，当光敏电阻检测到周围光强较大时，通过电压比较电路给单片机输入信号，单片机控制超声波模块和药剂扩散模块进行工作，实现驱鸟功能；夜晚时虫类活动较为频繁，当光敏电阻检测到周围光强较小时，给单片机输入一个与白天相反的工作信号，使得超声波和药剂扩散模块关闭，黑光灯模块进入工作状态，完成夜间的灭虫工作。

2 关键部件设计

2.1 黑光灯模块

黑光灯模块由黑光灯管、瞬时高压电网和两路继电器组成。瞬时高压电网固装于机架的下底面，黑光灯由绳结固联在机架挡板下方。两路继电器的两个控制端分别与黑光灯和红外接近传感器、瞬时高压电网相连，继电器的输入端与单片机控制模块相连。

光敏电阻是单片机控制模块的核心元件。通过光敏电阻感知到光强的改变控制电压比较电路输出的电位高低，单片机控制模块对继电器的通断进行控制，黑光灯管与瞬时高压电网同时进入工作状态，配合工作完成灭虫。黑光灯模块工作流程如图2所示。

为达到良好的控制效果，利用万用电表测量光敏电阻在光强变化下阻值的变化情况。根据光敏电阻阻值的变化情况，电压比较电路取用阻值1 000 Ω的普通电阻作为比较电阻；根据黑光灯对害虫的吸引效果不同，选择360 nm、26 W的黑光灯管作为主要工作部件；对于瞬时高压电网，选取输出电压为3 800～4 200 V。

图2 黑光灯模块工作流程Fig.2 Working flowchart of black light module

2.2 超声波模块

超声波模块由超声波发生器、红外检测器、功率放大模块和继电器组成。超声波发生器与功率放大模块相连，固定在挡板上；红外检测器固装于挡板四周的边缘上。继电器视作开关连接在单片机控制器和超声波发生器之间，用于控制超声波模块的工作状态。与黑光灯模块的工作原理相同，单片机控制模块通过对超声波模块内的继电器进行控制，进而使得超声波发生器和红外检测器在白天同时工作。当红外检测器检测到有鸟类飞过时，超声波发生器开始发出超声波并持续10 s。发声时间结束后，红外检测器再次检测以决定超声波发生器是否继续发声。二者配合工作完成驱鸟。超声波模块工作流程如图3所示。

为增强红外检测器的检测范围，采用有菲涅尔光学透镜的红外检测器，扩大检测的角度范围；查阅资料显示，频率范围在20～50 kHz的超声波对驱鸟较为有效，取用可发出40 kHz的HY-SR04型超声波发射模块配合单片机定时器实现超声波发射频率的改变；为使超声波模块的有效工作半径与黑光灯模块的有效工作半径大致相符，取用功率放大倍数为33倍的功率放大模块扩大其有效工作半径。

图3 超声波模块工作流程Fig.3 Working flowchart of ultrasonic module

2.3 药剂扩散模块

药剂扩散模块由料筒、鼓风机、固体驱鸟药剂、开关电源和继电器组成。料筒通过焊接固定在机架的最顶端，药剂位于料筒内的隔板上。鼓风机的出风口与料筒的进风口通过软管相连，鼓风机的电源与开关电源、继电器和单片机控制模块相连。当光敏电阻检测到周围的光强达到固定值时，单片机控制模块发出信号使继电器吸合，药剂扩散模块开始工作。

为使料筒便于出风，设计了孔径分布均匀的料筒，取料筒上的孔径大小为50 mm；为使料筒出风口处的风速达到2级风力，鼓风机取用HG-1500型，其风量为250 m3/h；查阅相关资料后，选取10包果园专用“鸟鼠净”固体驱鸟药剂，其有效工作时间可达15 d。

3 装置测试及调试结果分析

3.1 单模块测试

各个模块设计完成后，分别进行单模块试验测试其有效工作半径。在测试时，选取苹果园常见害虫(桃小食心虫、苹果棉蚜和苹小食心虫)进行试验，分别用3种害虫各20只进行不同距离的测试。测试结果如表1所示。

表1 黑光灯模块工作结果Tab.1 Working result of black light module

通过3种害虫的反应可以大致推出，黑光灯模块的有效工作半径约为15 m。

对于超声波模块和药剂扩散模块，取用10只麻雀作为试验材料研究其有效工作半径，并用40 m长线束缚麻雀，人为控制活动范围。分别开启超声波模块和药剂扩散模块，观察麻雀在不同距离的活动情况。测试结果如表2和表3所示。通过10只麻雀的反应可大致推出，超声波模块的有效工作半径约为10 m，药剂扩散模块的有效工作半径约为15 m。

表2 超声波模块工作结果Tab.2 Working result of ultrasonic module

表3 药剂扩散模块工作结果Tab.3 Working result of chemical diffusion module

3.2 整体装置测试

3.2.1 灭虫试验

灭虫试验步骤如下。

(1)准备苹果园内常见害虫桃小食心虫、山楂叶螨、苹小食心虫、苹果棉蚜、金纹细蛾、桃蛀果蛾各20只。

(2)将装置布置在试验场地中心，各类虫子随机布置在装置四周。

(3)将装置调节至夜晚工作模式开启6～8 h，观察试验结果。

室内试验结果如表4所示，室外试验结果如表5所示。经试验数据分析可知，该装置对于飞行类害虫杀灭情况良好，对于其他害虫杀灭情况一般。经试验数据分析可知，在室外试验中，无法避免非试验投入虫类及周围环境干扰对试验结果产生影响。总体而言，室外试验效果比室内实验效果略差，但仍可基本实现装置设定功能。

表4 室内试验结果Tab.4 Laboratory results 单位：只

表5 室外试验结果Tab.5 Outdoor experiment results 单位：只

3.2.2 驱鸟试验

驱鸟试验步骤如下。

(1)将装置布置在西北农林科技大学苹果试验地内并调试。

(2)选择天气晴朗的时候，在每天7∶00—9∶00和16∶00—18∶00时打开装置，记录鸟类进入试验田的数量(落下时间不足5 s的不计数)。

(3)观察5 d，处理数据得出试验结论。

试验结果如表6所示。使用SPSS Statistics 26软件对试验结果数据进行处理。经过5 d观察，开启灭虫驱鸟装置后，全天落入试验田的鸟类数量为5.60只，比未开启装置时减少了42.86%。两组数据经t检验，具有显著性差异(P<0.05)，证明该灭虫驱鸟装置具有一定驱鸟效果。

表6 驱鸟试验结果Tab.6 Results of bird repelling experiment 单位：只

3.3 结果分析

由各模块测试和整体测试结果可知，本研究设计的新型声光气组合苹果园灭虫驱鸟装置的有效工作半径为10 m，具有一定灭虫驱鸟效果。在实际应用中，整体装置会受到天气、果园植株等不确定性因素影响，装置的有效工作半径可能减小。然而，该系统对于苹果园内常见的害虫害鸟还是具有一定的灭虫驱鸟功能，可实现果树保护，该装置可以达到预期效果。

4 结论

本研究针对当前苹果园虫害鸟害综合防控的需求，设计了一种新型声光气组合苹果园灭虫驱鸟装置，利用黑光灯的害虫诱集性、超声波的鸟类驱离性和现有驱鸟剂实现了果园内灭虫驱鸟功能。试验表明，该装置在室外的工作条件下可以达到50%以上的灭虫驱鸟效率，具有一定灭虫驱鸟效果。本研究有以下2点创新。

(1)利用气泵原理，将鼓风机与有孔料筒相配合，加快固体驱鸟试剂的挥发速度，扩大其作用范围。

(2)此灭虫驱鸟器将物理方法(如黑光灯诱捕、超声波驱离)与化学方法(如固体驱鸟剂)相结合，优势互补，实现对果园内虫害鸟害的防治。

综上所述，声光气组合苹果园灭虫驱鸟装置设计符合苹果园灭虫驱鸟实际，具有一定实用效果及较好的应用前景，为果园虫害鸟害防治提供了一种综合多种技术、实现优势互补的思路，但还应在提高害虫致死率和鸟类驱离率方面开展研究。