CN108450214A - 一种采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置，包括太阳能电池模块、蓄电池模块、LED阵列、恒流开关电源、嵌入式控制器和氙气灯管，所述太阳能电池模块与蓄电池模块相连接，蓄电池模块分别与驱动LED阵列的恒流开关电源相连接，恒流开关电源和氙气灯管电路均与嵌入式控制器相连接。本发明由蓝光LED、紫外光LED、黄光LED、闪光氙气灯组成高能复合发光体，在嵌入式控制器的控制下通过破坏蚜虫等害虫的视觉干扰害虫的生活达到防控害虫的效果；技术先进，大大提高了蚜虫等农作物害虫的防控效果，减少了农药引起的环境污染、农药残留等问题，提高了劳动效率，具有较好的环境效益和社会效益，是现代生态农业的进步。

Description

一种采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置

技术领域

本发明涉及防控农作物害虫的技术领域，尤其涉及一种采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置。

背景技术

文献“昆虫趋光行为研究进展”指出，农作物害虫的视觉系统对其寻找食物、配偶、栖息场所及学习记忆等具有十分重要的意义，植蚜虫、植食性昆虫的寄主选择行为包括寄主定向、降落和接触3 个阶段，接触植物前的远距离定向主要受植物的光学特点影响。因此。在这一阶段，其视觉起着主导作用。昆虫视觉系统由2个子系统组成：复眼和视叶组成的主视觉系统和单眼感光辅助系统，研究表明，这两个子系统有着不同的功能（沈颖,尉吉乾,莫建初,王道泽,张莉丽.河南科技学院学报(自然科学版),2012,40(05):19-23.）。

例如蚜虫，又称腻虫、蜜虫，是一类植食性昆虫，隶属于半翅目（原为同翅目Hemiptera），包括蚜总科包括球蚜总科Adelgoidea和蚜总科Aphidoidea下的所有成员，也是繁殖最快的昆虫。蚜虫在世界范围内的分布十分广泛，主要分布在北半球温带地区和亚热带地区，热带地区分布很少。目前已经发现的蚜虫总共有10个科约4700余种，中国分布约1100种。蚜虫也是地球上最具破坏性的害虫之一，其中大约有250种是对于农林业和园艺业危害严重的害虫。

蚜虫等害虫视觉在其生存过程中具有重要作用，绝大部分农业害虫为复眼结构，复眼又由单眼组成。单眼均包含视网膜等组织，视网膜感光体细胞对紫外、蓝光、黄光比较敏感，将254～257nm的紫外LED、400-500nm蓝光、590nm黄光大功率LED组合成发光系统，产生的强光照作用于蚜虫等害虫单眼上，诱发单眼的角膜、视网膜细胞发生病变损害，由此破坏蚜虫等害虫的生活习性实现防控蚜虫等害虫的目的。文献“视网膜光损伤的防治研究进展”（国际眼科杂志 2009年11期，作者：赵玉萍；孙时英；牛建军；机构：新疆医科大学研究生学院；兰州军区乌鲁木齐总院眼科）中指出：光对视网膜的损伤能诱发活性氧自由基产生，使视网膜细胞处于氧化应激状态，从而造成细胞一系列损伤、凋亡、生物膜溶解和细胞坏死,导致感光细胞的凋亡和视网膜变性，引发眼病，甚至导致视力丧失。

文献“钙离子在蓝光诱导人视网膜色素上皮细胞凋亡中的作用机制研究”（徐妍；遵义医学院，眼科学2017，硕士）探讨了蓝光诱导人视网膜色素上皮（retinal pigmentepithelial cells，RPE）细胞凋亡过程中蓝光可诱导人RPE细胞凋亡，出现典型的细胞凋亡核型变和胞内线粒体损伤。蓝光照射后可引起RPE细胞膜L-型钙通道α1C、α1D、α1F亚基的mRNA表达增高，细胞内Ca2+荧光强度及PKC活性不同程度增强，且胞内Ca2+浓度及PKC活性呈正相关关系。与此同时，蓝光照射后RPE细胞线粒体膜电位（ΔψM）明显下降，Cyt C大量释放，促凋亡因子Bax与抑凋亡因子Bcl-2、Bcl-xl比值下调，触发caspase-9蛋白相对表达量增加，最终诱导细胞凋亡。农作物害虫复眼中的单眼组成和人类似，因此，也可以用害虫视网膜敏感蓝光进行作用来破坏其视觉。

文献“人工光防控植物病虫害的技术”（山田真，夏晨，松下电工照明事业总部照明综合技术中心，中国照明电器 2014,03,40-44）提出：人在观看事物时，通过能感受红、绿、蓝三原色的视觉细胞来感知颜色。昆虫的视觉与人眼的视觉截然不同的是，它感知的是紫外线。昆虫利用紫外线寻找有饵的场所，确定自己的位置等等，紫外线在昆虫的生活中具有重要作用。也提出（1）使用紫外线（UV-A）灯的光引诱捕虫技术，依据Bickford的趋光曲线开发出的人工光防虫技术。常采用易于引诱昆虫的灯光波长来高效地引诱害虫，再配合黏着剂、水盘、电击装置等构成捕虫器。但是这种方法存在的问题是会大量引诱益虫（害虫的天敌）及其他无害的昆虫。而且，尤其是露地栽培中使用时，需要注意可能会将苗圃以外的非诱杀害虫也吸引过来。（2）黄光对害虫活动性的抑制作用，采用蓝光（波峰470nm）和黄光（波峰580nm）时明适应反应的时间较短，这些波长对防治害虫是有效的。但实际在果树园中，蓝光的诱虫性很强，它不光引诱吸汁夜蛾，还能轻易地吸引其他昆虫。黄光防蛾灯可在低照度下达到防虫效果（空间平均照度1~2 lx）。（3）LED短波长光源出现后，在同等辐射强度下，545nm附近的光具有更好的害虫活动性抑制效果。另外，虽然500nm以下的波长也能削弱害虫活性，它还可能吸引防除对象以外的昆虫。（4）提出了利用人工光的植物疾病防控技术，植物病症的80%以上是由丝状菌（霉菌、菌类）引起的，其他原因还有细菌、病毒、类病毒、植物菌原体、线虫、原虫。地球上的丝状菌有十几万种，几乎都是腐生菌，其中约8 000种是植物病原菌。用发光峰在280~320nm紫外区的光照射作为外因，对草莓病害(白粉病)的防控。

常用的防治策略与方法：

1、化学方法：分为苗蚜和穗蚜两个危害阶段，应采取“挑治苗蚜、主治穗蚜”的策略。当田间百株蚜量达500头、益害比大于1：500时，每亩用25%蚜螨清乳油50毫升，或吡虫啉系列产品1500～2000倍液喷雾，10%的蚜虱净60-70克；20%的吡虫啉2500倍液；25%的抗蚜威3000倍液喷雾防治。麦蚜对吡虫啉和啶虫脒产生抗药性的麦区不宜单一使用药剂，可与低毒有机磷农药合理混配喷施。

2、生物方法：培养蚜虫的天敌如瓢虫、食蚜蝇、草蛉、蜘蛛、蚜茧蜂等，其中以瓢虫及蚜茧蜂最为重要。

3、物理方法：

1）黑光灯：大多是紫外线黑光灯诱虫，产生330-400nm的紫外光波，然后再采用高压电场或化学方法等方式灭杀具有趋光性的害虫，主要在晚上发挥起到作用，白天因为太阳光的影响。原理是因为昆虫的复眼对波长254～257 nm的紫外线辐射非常敏感，尤其是飞翔的昆虫如飞蛾、蝗虫、螳螂、蚊蝇等，昆虫对辐射的视觉光谱灵敏度曲线变化。

2）太阳能灭虫灶：申请号200710193798.6的专利公开了一种太阳能灭虫灶，涉及农业虫害防治的器械领域。根据蚜虫的生物特征，利用太阳能诱杀飞迁的蚜虫减少蚜虫的数量抑制蚜虫的繁殖速度;结合天敌的捕食消灭蚜虫，以达到生态平衡的目的。主要由一块聚光板、诱杀板和虫体收集皿构成；聚光板是一个弧型的反射聚光镜，其弧度把直射的太阳光反射形成聚焦光，聚集在诱杀板的C面上。诱杀板的D面涂成黄色，用以引诱蚜虫的附着，C面被涂面黑色，用反光镜面汇聚太阳能，以便于吸收反射聚焦光，致使诱杀板的温度上升到足以使蚜虫丧生、或丧失飞行能力，用热量烧死黄色色板诱惑来的蚜虫，以达到杀灭蚜虫的目的。

3）温室专用杀虫灯：申请号200910052306.0的专利一种温室专用杀虫灯，属诱捕领域，包括构成灯体的单色光LED灯，其特征是在单色光LED灯周围设置反射光波长为一特定光谱范围的单色光板，其单色光LED灯为针对温室鳞翅目类害虫有选择性吸引作用的单色LED灯，单色光板为对同翅目蚜虫、粉虱类害虫有吸引功效的单色黄板和/或对缨翅目蓟马类害虫有选择性吸引作用的单色蓝板；在单色光板的表面设置粘虫胶层。该发明有效的解决了现有杀虫灯杀虫方式单一、破坏原有生态环境等不足，具有较高的杀虫效率，尤其对特定种类的靶标害虫具有极好的引诱和灭杀功效，经济实用，害虫对此不会产生抗性，利于保护生态环境,安装和使用安全、方便。能针对同翅目蚜虫、白粉虱、缨翅目蓟马等小昆虫采用LED灯进行诱杀，效果较好，可广泛用于现代化温室害虫的诱杀/灭害领域。申请号为CN201320392515.1的专利公开了一种温室LED补光灯，属于补光灯技术领域，补光灯内设置有灭虫灯，主要采用LED增加光照度，利于作物快速生长。

4）黄色色板粘虫：利用黄色诱惑蚜虫，蚜虫爬到涂抹有胶的板子上被粘住达到消灭的效果。

5）物理电场或静电方法：申请号为CN201410099174.8的专利提出一种物理电场灭除农作物地下害虫的装置；申请号为CN201610410387.7的专利提出一种灭除农作物叶面害虫的高压物理电场电流装置；申请号为CN201720409279.8的专利提出一种高压静电农作物灭虫装置。

从已经公布的农作物害虫如蚜虫防控技术文献中：（1）化学方法：是目前最高效的方式，主要采用各类喷洒农药，造成了环境污染、农药残留和食品安全问题；（2）生物方式：依靠蚜虫天敌如蚜虫等来消灭蚜虫，或者人工饲养蚜虫天敌释放后防控蚜虫，这种方法成本较高。（3）物理光学方法：目前常用的如CN200710193798.6及CN200910052306.0，利用蚜虫趋光性或趋色性，发出一定波长的色光诱惑蚜虫到某区域，再辅助太阳能或高压电场或粘胶粘附的方法，对害虫进行灭杀。这种方法都是让害虫在诱惑下主动自投罗网进行电击灭杀。显然，这个方法的基本步骤是：先发出特定波长的---趋光性害虫---捕杀装置（电击、水浸等）。本法的对于趋光性强调害虫比较有效，一般趋光性强的害虫多为成虫，而对于非成虫不会飞的阶段生活在作物上的害虫防控效果基本没有。其中最重要的文献“人工光防控植物病虫害的技术”提出的依旧是利用各类害虫的趋光性或者光敏感性（紫外光线、黄光、绿光、蓝光等）进行诱惑再进行捕杀。

因此，从目前已经公开的文献可以看出，物理光学方法防治蚜虫采用了蚜虫的趋光性，CN200710193798.6是利用蚜虫对黄色的敏感性诱惑然后用汇聚的太阳热能烧死；CN200910052306.0采用的是LED灯的光源进行诱惑辅助其他电击等手段灭杀。两种方法的效果都受到限制，一是蚜虫的趋光性，蚜虫不像蛾类、蝗虫等趋光性那么强，同时作用距离有限。CN201320392515.1提出的LED补光灯内置杀虫灯具有一定的杀虫效果，但是没有公开具体是采用什么技术杀灭害虫。因此，综合利用嵌入式系统、电子技术，提供高效率、采用物理光学方法来破坏蚜虫等害虫视觉器官或特别地破坏蚜虫体内寄生菌实现蚜虫防控的装置是现代农业的一项迫切任务。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置，利用蚜虫等害虫复眼中的各个单眼对某些色光的敏感性，采用较强能量的光线进行照射，破坏蚜虫等害虫的视觉，干扰其正常生存条件，由此达到防控蚜虫等害虫的效果。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置，包括太阳能电池模块、蓄电池模块、恒流开关电源、LED阵列、嵌入式控制器、高压闪光灯电路和氙气灯管，所述太阳能电池模块与蓄电池模块相连接，蓄电池模块通过恒流开关电源与LED阵列相连接，嵌入式控制器与恒流开关电源和高压闪光灯电路相连接，高压闪光灯电路与氙气灯管相连接。

所述LED阵列包括蓝光LED阵列、黄光LED阵列和紫外光LED阵列，所述恒流开关电源包括恒流开关电源I、恒流开关电源II和恒流开关电源III，恒流开关电源I与蓝光LED阵列相连接，恒流开关电源II与黄光LED阵列相连接，恒流开关电源III与紫外光LED阵列相连接；所述恒流开关电源I、恒流开关电源II和恒流开关电源III均与嵌入式控制器相连接。

所述蓝光LED阵列发出400-500nm高能量的蓝光，黄光LED阵列发出590nm的黄光，紫外光LED阵列发出254～257nm紫外光。

所述蓝光LED阵列、黄光LED阵列和紫外光LED阵列中每个阵列的功率均为3W、均由6个0.5W的LED串联组成；所述氙气灯管按照每秒2次的频率发出色温为5500～6000K的强闪光。

所述蓝光LED阵列、黄光LED阵列、紫外光LED阵列和氙气灯管上均装有反光膜或反光板。

本发明的有益效果：利用农作物上的蚜虫等害虫复眼中的单眼角膜视网膜细胞对一些波长的光敏感的特性，用强光的能量诱发蚜虫等害虫视觉视网膜细胞病变损害，造成蚜虫等害虫无法正常生活，特别地，对于蚜虫，甚至破坏蚜虫体内共生菌使蚜虫营养不良而死亡，从而降低蚜虫对农作物的危害；由蓝光LED、紫外光LED、黄光LED、闪光氙气灯组成高能复合发光体，并在嵌入式控制器的控制下工作，通过破坏蚜虫等害虫的视觉干扰蚜虫的生活达到防控害虫的效果。本发明技术先进、效果好，大大提高了蚜虫防控效果，减少了农药引起的环境污染、农药残留等问题，提高了劳动效率，是农业信息化、自动化的重要成果，是现代生态农业的进步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置，包括太阳能电池模块1、蓄电池模块2、LED阵列、嵌入式控制器10和氙气灯管7，所述太阳能电池模块1与蓄电池模块2相连接，蓄电池模块2通过恒流开关电源与LED阵列相连接，嵌入式控制器10与恒流开关电源和高压闪光灯电路11相连接，高压闪光灯电路11与氙气灯管7相连接。蓄LED阵列和氙气灯管7组成光学系统，实现对害虫的防控，太阳能电池模块1为蓄电池模块2提供能量，蓄电池模块2通过恒流开关电源及高压闪光电路11分别为LED阵列和氙气灯管7提供电能，嵌入式控制器10通过恒流开关电源控制LED阵列和氙气灯管7的打开与关闭。

优选地，所述蓄电池模块2通过恒流开关电源与LED阵列相连接，嵌入式控制器10与恒流开关电源相连接。所述LED阵列包括蓝光LED阵列5、黄光LED阵列6和紫外光LED阵列8，所述恒流开关电源包括恒流开关电源I3、恒流开关电源II4和恒流开关电源III9，恒流开关电源I3与蓝光LED阵列5相连接，恒流开关电源II4与黄光LED阵列6相连接，恒流开关电源III9与紫外光LED阵列8相连接；所述恒流开关电源I3、恒流开关电源II4和恒流开关电源III9均与嵌入式控制器10相连接。氙气灯管7通过高压闪光灯电路11与嵌入式控制器10相连接。蓝光LED阵列5、黄光LED阵列6和紫外光LED阵列8连续发光，氙气灯管7按照每秒2次的频率发出色温为5500～6000K的强闪光。

蓝光LED阵列5发出400-500nm高能量的蓝光，黄光LED阵列6发出590nm的黄光，紫外光LED阵列8发出254～257nm紫外光。本发明通过嵌入式控制器10控制恒流开关电源I3、恒流开关电源II4和恒流开关电源III9的打开与关闭控制LED阵列发出的高能量400-500nm蓝光、590nm黄光、254～257nm紫外光、高压闪光灯的高亮度光按次序对蚜虫进行作用。LED阵列发出的蓝光、黄光、紫外光、氙气灯管的高亮度光引起蚜虫等害虫复眼中单眼的角膜、视网膜细胞的病变、致盲。细菌中的脱氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）和核蛋白的吸收紫外线的最强峰在254～257nm，254～257nm的紫外光对于各类蚜虫（包括视觉退化和视觉未退化的蚜虫）视觉退化和未退化的蚜虫体内共生细菌也具有较强的杀灭作用，使得蚜虫会由于缺少共生菌而发生营养缺乏导致死亡。因此，本发明一是可以破坏蚜虫等害虫复眼中单眼的角膜视网膜细胞，二是可以通过高能紫外光线杀死蚜虫体内的共生菌，从而使得蚜虫缺乏营养而死。本发明是农业信息化、自动化的重要成果，是现代生态农业技术的进步。

优选地，蓝光LED阵列5、黄光LED阵列6和紫外光LED阵列8的每个阵列功率均为3W、均由6个0.5W的LED串联组成。LED阵列中的发光体可以由其他发出同波长或频率的发光体代替。

优选地，蓝光LED阵列5、黄光LED阵列6、紫外光LED阵列8和氙气灯管7上均装有反光膜或反光板，反光膜或反光板对LED阵列。

太阳能电池模块1在野外作业时可以对2进行充电，蓄电池模块2向3个开关电源提供电能，恒流开关电源I3在嵌入式控制器10的控制下向蓝光LED阵列5提供驱动电压电流，恒流开关电源II4在嵌入式控制器10的控制下向黄光LED阵列6提供驱动电压电流，恒流开关电源III9在嵌入式控制器10的控制下向紫外光LED阵列8提供驱动电压电流。由于蓝光LED阵列5、黄光LED阵列6、紫外光LED阵列8所需要的驱动电压电流不同，故设计三个恒流开关电源在嵌入式控制器10的控制下进行分别驱动，以保证LED阵列安全可靠工作。嵌入式控制器10控制高压闪光电路11使氙气灯管7按照每秒2次的频率发出闪光灯的色温大约为5500～6000K强闪光。

本发明采用物理光学方法通过破坏害虫视觉实现防控农作物害虫拓展了农作物害虫防控的技术领域，不同于目前已有的各类防控技术。本发明利用害虫组成复眼的单眼角膜视网膜的感光细胞对某些波长的光比较敏感吸收较强的特点，设计实现复合发光体，发出复合强光组合作用于蚜虫等害虫复眼内的视网膜上诱发视网膜细胞病变，同时，特别地，254～257nm紫外光可专门破坏蚜虫体内共生菌，达到综合发挥作用防控蚜虫的效果。本发明综合采用了计算机控制技术、电子技术、生物技术等多个学科的技术；通过嵌入式控制器即微计算机控制系统实现一种物理光学装置防控蚜虫等农作物害虫的技术，代替农药防控具有巨大的经济社会和环境效益，具有较高的先进性；采用嵌入式控制器控制恒流源开关电源驱动LED阵列，向LED阵列提供稳定的电压电流，保证了LED发光体可靠而稳定的工作；能有效防控蚜虫等害虫，降低农药开支，可以根据不同作物调节装置的安装，适应作业的需要，更好的防控害虫，实用性较好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置，其特征在于，包括太阳能电池模块（1）、蓄电池模块（2）、恒流开关电源、LED阵列、嵌入式控制器（10）、高压闪光灯电路（11）和氙气灯管（7），所述太阳能电池模块（1）与蓄电池模块（2）相连接，蓄电池模块（2）通过恒流开关电源与LED阵列相连接，嵌入式控制器（10）与恒流开关电源和高压闪光灯电路（11）相连接，高压闪光灯电路（11）与氙气灯管（7）相连接。

2.根据权利要求1所述的采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置，其特征在于，所述LED阵列包括蓝光LED阵列（5）、黄光LED阵列（6）和紫外光LED阵列（8），所述恒流开关电源包括恒流开关电源I（3）、恒流开关电源II（4）和恒流开关电源III（9），恒流开关电源I（3）与蓝光LED阵列（5）相连接，恒流开关电源II（4）与黄光LED阵列（6）相连接，恒流开关电源III（9）与紫外光LED阵列（8）相连接；所述恒流开关电源I（9）、恒流开关电源II（4）和恒流开关电源III（5）均与嵌入式控制器（10）相连接。

3.根据权利要求2所述的采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置，其特征在于，所述蓝光LED阵列（5）发出400-500nm高能量的蓝光，黄光LED阵列（6）发出590nm的黄光，紫外光LED阵列（8）发出254～257nm紫外光。

4.根据权利要求2所述的采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置，其特征在于，所述蓝光LED阵列（5）、黄光LED阵列（6）和紫外光LED阵列（8）中每个阵列的功率均为3W、均由6个0.5W的LED串联组成；所述氙气灯管（7）按照每秒2次的频率发出色温为5500～6000K的强闪光。

5.根据权利要求4所述的采用物理光学方法防控农作物害虫的植保装置，其特征在于，所述蓝光LED阵列（5）、黄光LED阵列（6）、紫外光LED阵列（8）和氙气灯管（7）上均装有反光膜或反光板。