2016 高雄市立第 56 屆中小學科學展覽會...
Post on 22-Sep-2019
8 Views
Preview:
TRANSCRIPT
2016高雄市立第 56屆中小學科學展覽會
作品說明書
科(類)別:農業與食品學科
組 別:高級中等學校組
作品名稱 :四軸飛行器用於農作物生物防治之研究
關鍵詞:四軸飛行器、監視器、驅鳥
編號:30701
目錄
摘要........................1
壹、研究動機....................2
貳、研究目的....................3
参、研究設備及器材.................4
肆、研究過程及方法.................5
伍、研究結果....................10
陸、討論......................11
柒、結論......................12
捌、參考資料及其他.................13
1
摘要
蔬菜、水果和糧食等農作物對於人類來說是不可或缺的,但近年來因為氣候變遷農作物產
量逐年減少,鳥類對農作物的影響也相對巨大。有數據顯示全世界的山鳥在一年內吞食了 1500
萬噸糧食,足以養活世界 9000 萬的人口,另外糧食作物之一的小米若防制效果不彰,損失可以
高達 95%,在研究應對氣候變遷的對策之餘,也可以從農作物的鳥害下手。
稻米、雜糧收成前,總是會引來大批的鳥類,尤其是麻雀,往往會成群結隊的來吃免費的
大餐。每年農民都要實施「趕鳥計劃」,傳統驅鳥方式例如放鞭炮、稻草人、綁反光帶,對鳥類
已產生免疫力、效果不彰。所以我們利用四軸飛行器動態驅鳥,達到有效的驅鳥效果,以減少農
作物的鳥害,也藉此以不危害生物也能生物防制的目的。
2
壹、研究動機
會做這項研究是因為看到一篇屏東縣萬丹鄉紅豆田真實的「毒鳥」報導(如圖 1-1、圖 1-2),
屏東萬丹紅豆正直播種發芽期,萬丹鄉一塊紅豆田路邊與田裡,都是遭毒身亡的野生鳥類,有麻
雀、紅鳩、珠頸鳩與紅冠水雞等。遭毒身亡鳥類屍體被其他鳥類啄食肢解,造成更多的鳥類中毒
亡,其中數量最多的就是麻雀。
由於每年到了秋天,高屏地區的許多農夫在稻作收割之後,就會接著種植紅豆,因為最佳
的播種期是在國慶日前後,但播種後,總是會有許多野鳥前往啄食,因此常上演「人鳥大戰」。
農民為了避免紅豆的幼苗被鳥拉起破壞,原本都會力稻草人、田區吊掛反光帶或廢棄光碟、插旗
幟、製造聲響、田區覆蓋鳥網等,但是鳥類對固定驅鳥方式習慣後,即不在畏懼。
所以農夫逼不得已,將內含加保扶成分的農藥「好年冬」,液體混入稻穀中,撒布在紅豆田
田埂及周邊道路來誘殺麻雀,惡意毒死前來覓食的鳥類,而其它的大型鳥吃了這些死亡的小鳥後,
也跟著中毒死亡。這種驅鳥的方式不但手段殘忍,又會汙染大自然破壞生態圈。
看到一整地觸目駭心的鳥類屍體照片,也為了幫助紅豆田的每株芽都能在無毒藥的環境下
順利長大,希望農民生產農作物時,能維護環境生態,兼顧動植物保育,於是我們上網查了資料,
看到了無人機以及空拍機的技術,並想說我們能利用小型的飛行器來驅鳥。利用網路監視器移動
偵測、紅外線感應等,偵測鳥類是否飛入農田,要是偵測到就產生訊號,啟動四軸飛行器動態驅
鳥。
圖 1-1 紅鳩屍體 (註 1) 圖 1-2 被毒死的鳥群 (註 2)
註 1:引用自蘋果日報報導 2015 年 10 月 07 日 00:01
註 2: 引用東森新聞雲
3
貳、研究目的
麻雀是對農業造成影響最大的鳥類,其原因為麻雀是雜食性的鳥類,會根據季節的不同食
用不同的食物。春夏季昆蟲活動頻繁,而植物較少結出果實,麻雀的主要食物就會是昆蟲,相反
的在秋冬季時,植物開花結果,昆蟲的活動逐漸減弱,麻雀就會以植物的果實種子特別是農作物
為主食。
也因如此有些農民為了對付麻雀等鳥類,會使用毒藥毒鳥或以人力達到驅鳥的目的,但是
這些方法不僅耗費人力,使用藥劑更是會造成環境循環汙染和使得生態圈失衡,因此我們構思了
使用四軸飛行器動態驅鳥的方式,藉由科技的力量,達到不耗費人力,不灑毒藥,不殺生。
由於這只是初步的構想,希望未來經過試驗改善之後,這項技術能夠更為完善,不只在紅
豆田,也能應用在其它農田裡使用,造福更多農民。
4
参、研究設備及器材
圖 3-1 四軸飛行器 圖 3-2 四軸飛行器 圖 3-3 網路監視器
圖 3-4麵包板 圖 3-5三用電表 圖 3-6剝線鉗
圖 3-7 電動起子 圖 3-8 示波器 圖 3-9 斜口鉗
圖 3-10 電烙鐵 圖 3-11 藍芽喇叭
6
二、實驗歩驟
為了解四軸飛行器動態驅鳥的效果,當然實際到現場操作,就知道效果好不好。攜帶白米(當
成農作物以吸引鳥類來啄食)、四軸飛行器、相機等設備就可以出發了。先在地上撒上白米,等
待鳥類啄食,啟動四軸飛行器動態驅鳥
圖 4-2 實驗步驟
三、實驗結果
鳥類啄食白米時,啟動四軸飛行器動態驅鳥,所有鳥類立即飛離,效果良好。不同鳥類被
驅離後再回來啄食的時間各有不同。如表 4-1 所示,鴿子回來啄食時間較長,麻雀回來回來啄食
時間較長。四軸飛行器動態驅鳥的範圍不因鳥種而有不同(如表 4-2)
表 4-1 不同鳥類被驅離後再回來啄食的時間
鳥種 回來啄食時間
鴿子 平均 5 分鐘
麻雀 平均 15 分鐘
表 4-2 四軸飛行器驅鳥範圍
鳥種 距離
鴿子 方圓 5 公尺
麻雀 方圓 5 公尺
撒上白米
等待鳥類啄食
啟動四軸飛行器
動態驅鳥
記錄驅鳥後,多久時間
後,鳥類會再回來啄食
7
四、自動驅鳥
四軸飛行器動態驅鳥效果非常良好,但如果需要人去操作,這樣就不是很理想,因此希望
能自動動態驅鳥。自動驅鳥的方式有二種,一種是比較簡單的定時驅鳥,另一種是偵測有鳥類進
入農田再驅鳥。
由實驗結果表 4-1 可知,只要設定定時器,每隔一段時間(如 15 分鐘)就自動啟動四軸飛行
器動態驅鳥。另一種方式就是偵測鳥類是否進入農田,當鳥類進入農田,經過網路監視器 的鏡
頭時, 畫面會有變化,網路監視器產生一個警告訊息並產生警報聲。經由電子電路去檢測網路
監示器的喇叭電壓訊號判斷是否要驅動四軸飛行器。
聲音訊號是一種脈波,揚聲器的工作原理是讓電流通過線圈產生磁場,利用電流產生的磁
場和揚聲器原有的磁場作用產生振動,由此可知聲音的高低大小取決於頻率與振幅。因此我們將
揚聲器的兩條線路拆出來後,利用示波器觀測電壓變化,並設計一套電路。
移動偵測所產生的警報聲波形如圖 4-3,經過第一個運算放大器電壓放大,再經過第二個運
算放大器電流放大,再由電容電阻組成的濾波器後,波形如圖 4- 4,電壓約 4V,電壓會稍為波動,
範圍 3.5V- 4V 之間
圖 4-3 圖 4-4
實驗中的這台網路監視器會偵測網路,如果沒有連上網路時,每隔一段時間會發出聲音訊號
如圖 4-5,經放大濾波後波形如圖 4- 6,電壓範圍 0.5V - 1V 之間,為了避免其信號影響,我們使用
比較器,比較參考電壓 2.5V,就可以避免偵測網路時產生的聲音造成誤動作。當比較器偵測電壓
高於 2.5V,就啟動四軸飛行器動態驅鳥。
10
伍、研究結果
傳統的趕鳥方式,例綁稻草人、反光帶等,成本低,環保,初期有效,長期則效果降低。
使用四軸飛行器動態驅鳥效果優良,減少農作物受鳥類侵害。麻雀在秋冬兩季的時候會因為昆蟲
活動減弱,而改食用植物的種子果實為主;紅豆正值播種發芽期受鳥害嚴重,因此四軸飛行器在
秋冬時或作物播種發芽期驅鳥,可以達到最好的效果,不需要全年全時驅鳥。
因為是自動驅鳥,所以人不需要 24 小時守在田裡,節省人力以及不浪費時間。麻雀經過驅
趕後,大約 15 分鐘會再飛回來(在有食物無人的狀況下),因此使用定時驅鳥的方式,是一種簡
單方便的驅鳥方式。
一分地等於 969.917 平方公尺,等於 31.14 公尺正方型面積。一台四軸飛行器飛行速度 1 公尺
/秒,32 秒可完成驅鳥一次。四軸飛行器每台有效驅鳥距離約方圓 5 公尺,同時使用三台驅鳥,
才不會造成將鳥從 A 區趕到 B 區(如表 5-1)。
表 5-1 驅鳥方式的比較
方式
項目
四飛行器使用數量 3 台 1 台
完成飛行時間 32 秒 96 秒
效果
3 台四軸飛行器同
時掃過農田,鳥不會
飛回農田
1 台四軸飛行器掃
過之後,鳥會去沒掃
到的農田
關於加保扶我們有上網蒐集了一些相關之料,加保扶又稱好年冬,被歸類於「胺基甲酸鹽類」,
是一種殺蟲劑,濃度過高被列為高劇毒農藥,在台灣已是禁藥,主要用於防蟲害,好年冬一旦進
入植物體內,會逐漸滲透到各部位,使整株產生抗蟲性,由於毒性猛烈,無法輕易被洗去,所已
藥效可維持比較久。人類若吸到好年冬,可能會導致頭痛、盜汗、噁心、腹瀉,胸痛、視線模糊,
焦慮與肌肉疲勞等症狀,長期吸入則可能造成生殖系統與神經的病變。
農夫藉由好年冬強烈的毒性將它加入於稻穀,放在田埂間及道路旁,使麻雀吃下後死亡,解
決鳥害的問題,但高等消費者如黑鳶吃下了麻雀也中毒死亡,使台灣黑鳶保育遭受難,也將有可
影響到食物鏈頂端的人類。
11
除了利用四軸飛行器動態驅鳥外我們也嘗試過用聲音驅趕,將藍芽喇叭放在距離鳥類
一公尺的地方,分別用不同的分貝播放老鷹的叫聲,從表 5-2 得知分貝大約 70 左右鳥類才有
所動靜,利用聲音驅趕效果並不彰,但我們可以把聲音與四軸飛行器做結合,發揮出更大的
效果。
表 5-2 音量驅鳥效果比較
圖 5-1 未播放音效 圖 5-2 已播放音效 圖 5-3 用藍芽喇叭驅鳥
分貝
鳥是否飛走
20 否
30 否
40 否
50 否
60 否
70 是(少數幾隻)
80 是
12
陸、討論
藉由實際的測試我們發現,四軸飛行器驅鳥效果非常好,可以保護農民辛苦耕作的農作物,
又不會汙染大自然破壞生態圈。
四軸飛行器充完電之後,續航力最高只可達十分鐘左右,但是鳥類經過驅趕之後,15 分鐘後
又陸續飛回來繼續覓食(以無人的狀況下),需要飛行器間隔一段時間持續去驅趕,可能發生來
不及充電的現象,所以必須在農田中,增設兩倍以上的四軸飛行器,輪流來趕鳥、充電。
或在農田裡增設導引線,讓四軸飛行器沿著導引線飛行,就可不需使用 GPS 定位系統,可以
購買便宜的四軸飛行器驅鳥,降低建置成本,且四軸飛行器在導引線上能夠直接供電,就不會發
生來不及充電的現象。
移動偵測有可能出現誤動作,如風吹農作物,造成畫面改變,網路監視器就會當成有物體
進入農田,發出移動偵測警報。還有此誤動作並不會造成太大影嚮,只是多驅鳥一次。
將網路監視器揚聲器之兩條線路拉出來後,接於放大電路上,由於連接之間未加電容器將
直流隔離,使得放大電路中的直流逆流回網路監視器而使得聲音晶片燒毀,又要多花錢買一台。
圖 6-1 實際驅鳥照圖 圖 6-2 飛行器飛向鳥鳥飛走
13
柒、結論
四軸飛行器用於農作物生物防治,不但有效而且,能維護環境生態,兼顧動植物保育。從
發現問題,上網搜尋資料,實際測試、製作的過程中,獲益良多。學到了如何將學校所融入於生
活中,應用的理論包含:電源電路、整流、濾波、運算放大器、電晶體放大、等相關知識,幾乎
是電子學大部份內容,利用這些來完成一個電路,有句話說:「理論需要實務來驗証」,不但能複
習,還能先預習呢!
相信未來飛行器驅鳥的普及,方便有效率也節省了人力的開支,同時也可減少農夫用藥毒
鳥破壞生態的惡況降低。除了能實際運用所學的,還能運用科技讓人們過得更好,這就是參與科
展最好的意義了!
所謂三個臭皮匠勝過一個諸葛亮,團隊的力量真是大。感謝老師的指導,家人的支持,加
上隊友的努力順利完成這次的報告。
14
捌、參考資料及其他
一、網路監視器
http://ssscart.com/security-surveillance/ip-camera.html
二、四軸飛行器
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9B%E8%BD%B4%E9%A3%9E%E8%A1%8C%E5%99%A8
三、蔡朝洋、蔡承佑(2015)。 電子學 I。 全華圖書股份有限公司
四、楊德明、陳伯爵(2015)。電工機械 I。科友圖書股份有限公司
五、400 鳥屍集體躺紅豆田萬丹「寂靜的大地」多殘忍! ETtoday 地方新聞 ETtoday 新聞雲
http://www.ettoday.net/news/20151007/575874.htm#ixzz40XBgoGc6
六、農業知識入口網
https://kmweb.coa.gov.tw/ct.asp?xItem=909273&ctNode=1580&mp=1&kpi=0&rowId=&hashid=
七、Yahoo 奇摩知識+(電容濾波原理)
https://tw.answers.yahoo.com/question/index?qid=20071101000015KK08752
八、維基百科 麻雀
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BA%BB%E9%9B%80
九、農藥使用資訊系統 加保扶(殺蟲劑)
http://pesticide.tactri.gov.tw/index.php?option=com_content&view=article&id=152&Itemid=53
十、The News Lens 關鍵評論
http://www.thenewslens.com/post/14177
top related