2023年太阳能杀虫灯物联网研究现状与展望.docx

太阳能杀虫灯物联网研究现状与展望 翻开文本图片集 摘   要：太阳能杀虫灯在农业趋光性害虫受灯光引诱并接触金属网时释放高压脉冲电流杀灭害虫，可有效减少施用农药造成的环境污染和食品平安问题。本文介绍了利用无线传感器网络技术提升太阳能杀虫灯在农业迁飞性趋光害虫防治领域的应用效果，明确提出了一种新型农业物联网——太阳能杀虫灯物联网。首先，从杀虫灯在国内农业生产中的应用研究现状出发，总结了杀虫灯在林果、水稻和蔬菜等作物生产种植中的部署特点和杀虫工作时段分布情况;其次，分析了现有联网型太阳能杀虫灯节点的产品特点和杀虫灯物联网研究现状;然后，结合太阳能杀虫灯的能量采集方式、田间部署特点，综合分析了基于太阳能能量采集方式的传感器网络研究现状和基于启发式的传感器网络节点部署研究现状;最后，探讨了太阳能杀虫灯物联网的节点部署、能量预留管理、虫害爆发区域边界定位、虫情数据抗干扰传输等关键研究问题，并对太阳能杀虫灯物联网在农业生产中的应用进行了总结和展望。 关键词：农业虫害防治;太阳能杀虫灯;无线传感器网络;农业物联网 中图分类号：S-1                  文献标志码：A             文章编号：202205-SA001 李凯亮， 舒   磊， 黄   凯， 孙元昊， 杨   帆， 张   宇， 霍志强， 王彦飞， 王心怡， 卢巧玲， 张亚成. 太阳能杀虫灯物联网研究现状与展望[J]. 智慧农业， 2022，1（3）： 13-28. Li K， Shu L， Huang K， Sun Y， Yang F， Zhang Y， Huo Z， Wang Y， Wang X， Lu Q， Zhang Y. Research and prospect of solar insecticidal lamps Internet of Things[J]. Smart Agriculture， 2022， 1（3）： 13-28. （in Chinese with English abstract） 1  引言 中国是农业大国，保障农业生产稳定有序地开展是社会安定的根底。然而，受到气候变化、工业活动等因素影响，迁飞性害虫诱发的农业虫害日益频繁，严重影响农业生产平安。昆虫的迁飞是在一定虫态，周期性、长距离、有一定方向的飞行行为，也是导致一些地区某种虫害突然爆发，造成农作物严重减产的重要原因。迁飞性害虫的防治和实现自动化虫情测报对于农业生产平安和虫害防治研究领域至关重要。 现阶段中国农业虫害防治主要采用施用农药的方式，但由于长期滥用农药使得害虫产生抗药性，陷入了“施用农药——害虫产生抗药性——加大施用农药剂量〞的恶性循环。施用农药的方式不可防止地污染了自然水体、土壤及生态环境，且可能残留在农产品外表，危害人们生命平安。随着人们环境保护意识的提高，以及对绿色无公害的农产品日益增长的需求，探索在农业生产过程中绿色环保的虫害防治方式势在必行。 近年来，利用太阳能杀虫灯对农业迁飞性趋光害虫防治的研究和应用已经得到世界各国政府农业部门、农业生产企业和科研机构的极大关注，并给农业生产中迁飞性趋光害虫的防治带来了新模式，成为了新的研究热点。例如，农业农村部全国农作物重大病虫害防治预案（农办农（2022）11号）中明确提出“可选用高压汞灯、频振式杀虫灯等诱杀成虫，降低成虫基数，减轻幼虫防治压力〞[1]。 农业迁飞性害虫迁飞飞行主要发生在成熟期（有飞行能力）至生殖前期（交配、产卵），这是太阳能杀虫灯开展杀虫工作的主要时段。在此时段前后，太阳能杀虫灯使用黑光灯吸引迁飞性趋光害虫，并在害虫接触到金属网时释放高压脉冲电流杀灭害虫。 这种新型绿色农业病虫害防治方式可以有效地降低农药施用率，已经在全国各个地区得到了广泛应用，如表1所示。可以看到，自2022年以来杀虫灯在我国农业生产中被广泛应用，江西省新余市就部署了2万盏太阳能杀虫灯用于水稻的趋光性害虫防治[5]，这进一步给当地带来了重大的社会影响。 随着“精准农业〞和“智能农业〞的快速开展，以及农业信息化需求的不断增长，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks， WSN）技术已广泛应用于农情信息采集、农业装备智能控制等方面[13，14]。WSN适用于大规模部署和区域监测，可以很容易地与太阳能杀虫灯（Solar Insecticidal Lamps，SILs）结合，形成一种新型的农业物联网——太阳能杀虫灯物联网（Solar Insecticidal Lamps Internet of Things：SIL-IoTs）。太阳能杀虫灯物联网节点结构图如图1所示。在每个太阳能杀虫灯物联网节点中，可以集成无线通信模块（例如，ZigBee）通过网络及时地向终端用户报告所在位置的害虫密度信息。白天，太阳能杀虫灯物联网节点（以下简称“节点〞）利用太阳能电池板收集能量并转化为电能存储到蓄电池中。夜间，节点开启诱虫灯吸引附近的趋光性害虫并在害虫接触金属网时释放高压脉冲电流杀灭害虫，通过统计脉冲电流的次数可以估算区域内虫口密度。除了虫口密度信息外，无线通信模块还可收集更多信息，例如杀虫灯节点的太阳能电池板能量收集情况、杀虫灯的电池剩余容量等信息。 通过在现有的太阳能杀虫灯上增加无线通信模块，太阳能杀虫灯物联网可以提高迁飞性趋光害虫防治效果、实现农业害虫灾害预警和为农业生产区域的精确施药提供数据支撑与决策依据。 本文总结了杀虫灯应用研究现状、现有企业生产的联网型杀虫灯产品特点和杀虫灯物联网研究现状。首先分析了现有杀虫灯的研究进展和应用特点。然后调研并分析了现有企业生产的联网型杀虫灯功能及产品特点，总结了现有杀蟲灯物联网的研究现状。接着从太阳能杀虫灯的能量采集方式、部署特点出发，结合无线传感器网络的研究现状，综合分析了基于太阳能能量采集的传感器网络研究现状和基于启发式的传感器网络节点部署研究现状;最后结合农业生产现状和太阳能杀虫灯的特点，提出了太阳能杀虫灯物联网的四个关键研究问题，并对太阳能杀虫灯物联网在农业虫害防治领域的未来进行了展望。