CN104381231A - 一种基于图像的野外虫情监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像的远程虫情监测装置，包括上、下连通的诱捕室和收集室，所述诱捕室与收集室之间有连通管，连通管内设有引风机，引风机上方设有保护罩，保护罩与连通管内壁之间具有供昆虫通过的间隙，所述收集室内设有照明灯和摄像机，所述照明灯和摄像机连接控制盒，所述控制盒内设有存储模块、控制模块和无线传输模块。本发明监测装置实现了昆虫诱捕、昆虫图像采集、温湿度采集以及数据信息无线传输功能，通过在远程主机上查看获取到的昆虫图像，从而替代费时费力的传统人工现场计数方法。

Description

一种基于图像的野外虫情监测装置

技术领域

本发明涉及农林虫情监测与农田信息采集技术领域，尤其涉及一种基于图像的野外虫情监测装置。

背景技术

我国是一个农业大国，也是农业生物灾害(病害、虫害、鼠害和草害)多发的国家。近十年来，我国每年暴发的病虫害种类比前十年增加一倍以上，如蝗虫、稻飞虱、稻纵卷叶螟等出现猖獗危害势头。虽然国家大力防治，但每年仍会损失粮食近500亿斤，各类经济作物1800万吨，仅螟虫灾害就造成经济损失上百亿。虽然，以喷施农药的方式能够减少虫害，但也因此带来了严重的水土资源污染、生态系统失衡、农产品品质下降以及威胁人们健康等问题。因此，农田害虫的监测、虫情灾害在统计预报工作中十分重要，若监测预报准确及时，就可及早控制害虫，减少农药用量，避免农作物遭受重大损失。

传统的人工虫害监测方法利用人工感官的方式在现场判别虫害并统计数量，其准确率受人的主观因素影响大，且耗时耗力。当前，使用的昆虫诱捕器存在的主要问题是需要定期收取样品手工计数，害虫数据质量差，很难估算其种群密度(吕昭智.现代信息技术在害虫种群密度监测中的应用[J].农业工程学报，2005.21(12)：p.112-115.)。大多数农田或者果园距离较远、交通不便，植保人员定期下乡监测需要花费大量的时间。此外，现场判别害虫多是依靠有经验的农业工作人员和少数昆虫分类专家来完成。对一些区域不常见的昆虫，植保人员现场识别有一定的难度。

近年来，传感器技术、无线传输技术、计算机技术等技术越来越广泛地应用于农田信息监测中，推动精细化农业发展。农田信息监测系统可以使用户远程获取温湿度、光照等多种农业生产信息，方便进行农田的管理。而虫情的监测是农田信息监测中很重要的一部分，远程虫情监测是其未来发展的趋势。

我国早在1958年就已经开始昆虫诱捕的研究，常见的害虫诱捕器主要有利用趋光性、趋色性、趋化性(林明江，安玉兴等.害虫诱捕器的研究与应用进展[J].广东农业科学，2011年第9期)。现在使用较多的是诱虫灯和昆虫信息素。王杨等人综合运用昆虫诱捕技术，对黄桃病虫害开展绿色防控试验，试验结果发现频振式杀虫灯可诱杀7目15科16种昆虫。

对农田环境温湿度等环境参数的收集有利于对虫情进行监测分析。近年来，国内外学者针对农田信息采集研究较为深入。中国农业科学院利用3G网络结合DDNS动态域名技术将传感器获取到的空气温湿度、土壤温湿度等果园气象环境因子以及果树视频图像远程传输到监控中心服务器，结合Web技术在网上实时发布果园环境信息(夏雪.基于3G和DDNS的果园环境远程监控系统[J].自动化与仪表，2013.28(8)：p.18-21.)。熊迎军等人设计了的MESH型ZigBee农田图像采集网络，使用改进的离散余弦变换减小了图像压缩的运算量，并对压缩后的图像作了数据分组和校验，保证了数据传输的可靠性，无线传输成功率为76％(熊迎军.农田图像采集与无线传输系统设计.农业机械学报，2011.42(3)：p.184-187.)。台湾大学生物产业自动化专业在针对台湾地区东方果实小蝇预警做了一系列的研究。他们在台湾各地布置20个WSN网络，将气温、湿度、风速和诱捕器中昆虫数量等信息打包发送至各地数据中心，最后汇总到位于实验室的中心主机(Jiang，J.-A.，et al.，A GSM-based remote wireless automaticmonitoring system for field information：A case study for ecological monitoring of the oriental fruitfly，Bactrocera dorsalis(Hendel)[J].Computers and Electronics in Agriculture，2008.62(2)：p.243-259.)。

然而，以往的研究通常只是收集诱捕器中的昆虫数和外界温湿度，无法了解捕获昆虫的种类以及其他详细的信息。单单是昆虫数量的话，无法了解到虫害的真实情况，因此无法判断诱捕器中是否全是害虫，是否是同一种昆虫。

发明内容

本发明提供了一种基于图像的野外虫情监测装置，该装置实现了昆虫诱捕、昆虫图像采集、温湿度采集以及数据信息无线传输功能，通过在远程主机上查看获取到的昆虫图像，从而替代费时费力的传统人工现场计数方法。

一种基于图像的远程虫情监测装置，包括上、下连通的诱捕室和收集室，所述诱捕室与收集室之间有连通管，连通管内设有引风机，引风机上方设有保护罩，保护罩与连通管内壁之间具有供昆虫通过的间隙，所述收集室内设有照明灯和摄像机，所述照明灯和摄像机连接控制盒，所述控制盒内设有存储模块、控制模块和无线传输模块。

昆虫诱捕装置通过紫外灯发出的紫外短波进行昆虫的诱捕，靠近紫外灯的昆虫会被运转的风扇吸入到昆虫收集室中，并被收集室底部的粘液粘附而无法逃脱。

所述收集室的外壳上设有温湿度传感器，温湿度传感器与控制盒信号连接，可以用于检测监测装置周围环境的温湿度。收集温湿度有利于预测虫情。分析收集到的温湿度信息与虫情灾害之间的关联，可以建立相应的数学模型，预测地方未来可能发生虫灾的灾害等级。

所述连通管内部设有诱芯槽，壁面上开设气孔，可以在诱芯槽内放置不同类型的诱芯，以增加诱捕效果，当监测装置内的风扇工作后，诱芯散发的气味可以随着气流通过气孔扩散，进而吸引昆虫。

所述诱捕室顶部设有挂钩，便于远程虫情监测装置的安放。

所述诱捕室由顶棚和底部的腔体组成，所述腔体为倒锥台形，周面设有栅栏结构，内部设有紫外灯，所述顶棚为锥形，顶棚底部的直径大于腔体顶端的直径。

所述收集室由顶盖和底座组成，所述顶盖和底座之间为可拆卸连接，可将底座拆卸下来，更换粘液后，即可再次使用，方便装置的清理。

所述保护罩为半球形，确保掉落在保护罩的昆虫滑落至收集室内部。

所述保护罩的顶部开有若干个小孔，优选，小孔孔径为10～15mm，不仅便于引风机将昆虫吸入至昆虫收集室，还能确保昆虫不会掉落至保护罩内。

存储模块和控制模块采用微处理器，用于控制照明灯、温湿度传感器和摄像机的运行，并存储温湿度传感器和摄像机采集到的数据。无线传输模块采用GPRS模块用于传输数据。

微处理器编有嵌入式软件，其运行流程为：程序的上电初始化和GPRS模块初始化，开始计时并进入休眠模式，当到达计时时间后，微处理器控制摄像机和温湿度感应器进行图像和温湿度的采集，并通过GPRS模块发送数据，完成采集后，再次进行计时和休眠模式。

所述摄像机优选为CCD摄像机，照明灯优选为LED灯，可提供必要的光照。将摄像机调整角度后进行固定，可获得整个收集室底部的图像。

所述温湿度传感器采集到温湿度信息后，通过微处理器对采集到的电信号进行AD转换后获得温湿度数据。所述的嵌入式软件采用单片机C语言编制，并在KEIL4下编译。

摄像机采集到的昆虫图像经微处理器压缩处理后与温湿度信息打包，附上装置的ID号后，形成一个数据包，由GPRS模块发送到移动通信网络。

所述监测装置还编有上位机软件，收集管理从下位机装置收集到的图像和温湿度信息。该软件通过TCP/IP协议与田间的监测装置进行连接，通过监听指定的端口，获得监测装置采集到的图像及温湿度数据。所述软件具有数据保存功能，可将收集到的数据保存到数据库中。工作人员通过查询可获取指定装置ID指定时间的数据信息。

本发明还提供了一种野外虫情的监测方法，包括以下步骤：

(1)在田间设置若干个野外虫情的监测装置，并在监测装置的微处理器中设定每个监测装置对应的ID号以及图像采集的频率；

(2)打开监测装置电源后，微处理器控制温湿度感应器和摄像机进行定时监测，并打包监测数据；

(3)从远程主机上接收微处理器传输的数据后，进行解析，实现远程的虫情监测和分析。

作为优选，步骤(1)中，所述的频率为0.5～1h/次。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明监测装置通过对收集室内昆虫图像、温湿度信息的监测以及无线网络远程传输，实现了远程的虫情监测，无需进行现场昆虫计数，通过接收的图像信息就可判断监测装置中昆虫的数量和种类等信息。

(2)本发明监测装置通过控制盒内的存储模块、控制模块和无线传输模块，定时发送采集到的信息，提高了野外虫情监测的自动化程度；

(3)本发明每个监测装置都对应唯一的ID号，将多个装置放置于田间，可分析不同田块的虫情，以便及时采取对应措施。

(4)任意一台可连接到互联网的计算机或其他终端设备，都可以获取到采集的数据。数据采集后还可以进一步通过Web等形式进行信息的传播。

附图说明

图1为本发明基于图像的野外虫情监测装置的结构示意图；

1挂钩，2顶棚，3紫外灯，4栅栏，5半球形保护罩，6引风机，7气孔，8诱芯槽，9控制盒，10温湿度传感器，11，LED灯，12CCD摄像机，13收集室，14底座；

图2为本发明野外虫情监测装置中微处理器的嵌入式软件的运行流程图；

图3为远程主机软件的运行流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于图像的远程虫情监测装置，连通的上、下两部分，上部为诱捕室，下部为收集室13。

诱捕室由顶棚2和底部腔体组成，所述腔体为倒锥台形，周面设有栅栏4结构，内部设有紫外灯3，所述顶棚2为锥形，顶棚底部的直径大于腔体顶端的直径。顶棚2的上面设有挂钩1，诱捕室与收集室13之间有连通管，连通管内设有引风机6，引风机6上方设有半球形的顶部开有孔径为10～15mm的小孔的保护罩5，保护罩5与连通管内壁之间具有供昆虫通过的间隙。该引风机6产生的风力可将靠近紫外灯2的昆虫吸入连通管内，并使昆虫掉落至收集室13内。连通管内部还设有诱芯槽8，壁面上开设气孔7。诱芯槽8内可以放置不同的诱芯，当引风机6工作后，诱芯散发的气味可以随着气流通过气孔5扩散，吸引昆虫。

收集室13为直径是连通管直径2倍的圆筒，收集室13的顶部与连通管相连通，收集室由顶盖和底座14组成，所述顶盖和底座14之间为可拆卸连接。收集室表面装有温湿度传感器10；收集室13内设有采集数据的控制盒9、采集图像的CCD摄像机12和LED灯11；温湿度传感器10、LED灯11和CCD摄像机12通过电路与控制盒9相连。CCD摄像机12伸入至收集室13的中央，CCD摄像机与可拆卸底座的距离为收集室13高度的2/3。

本发明监测装置控制盒9内设有存储模块、控制模块和无线传输模块，存储模块和控制模块采用微处理器，用于控制LED灯11、温湿度传感器10和CCD摄像机12的运行，并存储温湿度传感器10和CCD摄像机12采集到的数据。无线传输模块采用GPRS模块用于传输数据。

如图2所示，该微处理器已编入一个嵌入式软件，该嵌入式软件的运行流程为：微处理器程序上电初始化后，进行GPRS模块的初始化，再开始计时，进入休眠模式，当到达计时时间后，微处理器控制摄像机和温湿度感应器进行图像和温湿度的采集，并通过GPRS模块发送数据，完成采集工作后，再次进行休眠。该嵌入式软件采用单片机C语言编制，并在KEIL4下编译。

本发明监测装置的远程主机上还编入了一个对应的上位机软件，收集和管理从下位机收集到的图像信息。该软件通过TCP/IP协议与田间的监测装置进行连接，通过监听指定的端口，获得监测装置采集到的图像及温湿度数据。所述软件具有数据保存功能，可将收集到的数据保存到数据库中。工作人员通过查询可获取指定装置ID指定时间的数据信息(软件运行流程如图3所示)。

采用本发明监测装置进行野外虫情监测的方法，具体如下：

首先，在需要进行虫情监测的田间放置多个本发明监测装置，在每个监测装置控制盒的微处理器中设定每个监测装置的ID号，以及采集图像的频率，频率设置为0.5～1h/次。

接着，在可拆卸底座中铺放粘附昆虫的粘液，将可拆卸底座装回到监测装置上，将装置悬挂于田间，并记录每个装置在田间的位置，悬挂高度需高于田间种植植物的高度。如果需要抓捕特定种类的昆虫，可在诱芯槽中放置特定的诱芯。

然后，打开装置的电源，微处理器开始进行初始化，且紫外灯打开，整个监测装置开始工作。一段时间后，田间的昆虫会被紫外灯发射的紫外光所吸引，当昆虫靠近紫外灯时，会被运行的风扇吸入至收集室内，并被粘液粘附。

本发明监测装置中的微处理器采用的是短期工作方式，一般处于休眠状态，仅在达到设定的定时时间后，才开始进行数据的采集工作。

当到达微处理器中设置的定时时间时，微处理器控制LED灯开启，并发送信号给CCD摄像机，CCD摄像机开始采集图像。由于CCD摄像机拍摄的图像大小较大，不利于传输，需要进行压缩。本发明采用的压缩算法为JPEG压缩，是一种比较成熟的利于单片机实现的压缩算法。JPEG压缩时利用DCT和VLC(可变长编码)技术实现图像压缩。在DCT变换时，以8×8像素为基本计算单元，利用单片机内部的快速RAM作为缓冲区完成编码操作。

最后，将压缩编码后的图像和温湿度传感器中采集到的数据一起打包，附上装置的ID号和校验码，形成一个数据包，通过GPRS模块发送到移动通讯网络上。远程主机上打开编写的上位机软件，软件进行初始化后，通过监听端口，接收到数据包后进行解析，通过数据包中的ID号对应数据包中的图像等信息，在软件中进行显示，从而实现远程的虫情监测。

Claims (8)

1.一种基于图像的远程虫情监测装置，包括上、下连通的诱捕室和收集室，其特征在于，所述诱捕室与收集室之间有连通管，连通管内设有引风机，引风机上方设有保护罩，保护罩与连通管内壁之间具有供昆虫通过的间隙，所述收集室内设有照明灯和摄像机，所述照明灯和摄像机连接控制盒，所述控制盒内设有存储模块、控制模块和无线传输模块。

2.如权利要求1所述的远程虫情监测装置，其特征在于，所述收集室的外壳上设有温湿度传感器，温湿度传感器与控制盒信号连接。

3.如权利要求1所述的远程虫情监测装置，其特征在于，所述连通管内部设有诱芯槽，壁面上开设气孔。

4.如权利要求1所述的远程虫情监测装置，其特征在于，所述诱捕室由顶棚和底部的腔体组成，所述腔体为倒锥台形，周面设有栅栏结构，内部设有紫外灯，所述顶棚为锥形，顶棚底部的直径大于腔体顶端的直径。

5.如权利要求1所述的远程虫情监测装置，其特征在于，所述收集室由顶盖和底座组成，所述顶盖和底座之间为可拆卸连接。

6.如权利要求1所述的远程虫情监测装置，其特征在于，所述保护罩为半球形。

7.如权利要求1所述的远程虫情监测装置，其特征在于，所述保护罩的顶部开有若干小孔。

8.如权利要求7所述的远程虫情监测装置，其特征在于，所述小孔的孔径为10～15mm。