CN109212737A - 一种采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置，包括箱体，箱体中设置有载物台，涂抹有吸附剂的载玻片位于载物台上，在箱体中还设置有孢子捕捉风道装置和显微成像装置，孢子捕捉风道装置包括不带底板的风箱，风箱的采集风道进风口通过管路与箱体上的进风口相连，风箱的采集风道出风口通过管路与吸风风机相连，通过步进电机十控制能够使得风箱底部与载物台上的载玻片贴紧，显微成像装置设置于载物台的上方，对其上的载玻片中孢子的显微图像进行图像采集。本发明可实现载玻片不同位置点孢子显微图像采集功能，以简化装置的复杂性，实现对空中真菌孢子的显微图像采集。

Description

一种采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置和方法

技术领域

本发明属于智能农业和生物科学技术领域，特别涉及一种采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置和方法。

背景技术

采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置是一种用于植物真菌病害监测和预报的仪器，主要用于远程采集随空气传播、传染的植物病原真菌孢子显微图像，进而测定植物生产环境中的真菌孢子数量，可为植物真菌病害的预测预报提供基础数据，是及早制定正确的防控策略和采取防治措施的一个重要依据。然而，由于在高放大倍数下，显微镜的视场范围非常的小，若仅采集载玻片上一个位置点的显微图像，难以反映载玻片上真菌孢子的真实数量；若遍历载玻片上所有区域采集真菌孢子显微图像，存在费时、图像数据量庞大等不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置和方法，以不易变形的载玻片为孢子捕捉载体，提出采集点可控的N个横向遍历的采集图像方法，显微镜与载物台的焦距手动调节后固定，通过驱动模块输出不同的脉冲数，控制步进电机的转动以实现载物台精准的平面移动，可实现载玻片不同位置点孢子显微图像采集功能，以简化装置的复杂性，实现对空中真菌孢子的显微图像采集。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置，包括箱体6，箱体6中设置有载物台2，涂抹有吸附剂的载玻片17位于载物台2上，其特征在于，在箱体6中还设置有孢子捕捉风道装置4和显微成像装置5，所述孢子捕捉风道装置4包括不带底板的风箱42，风箱42的采集风道进风口40通过管路与箱体6上的进风口9相连，风箱42的采集风道出风口41通过管路与吸风风机10相连，通过步进电机十38控制能够使得风箱42底部与载物台2上的载玻片17贴紧，所述显微成像装置5设置于载物台2的上方，对其上的载玻片17中孢子的显微图像进行图像采集。

所述载物台2安装于丝杠导轨一15上，通过步进电机三16驱动丝杠导轨一15使得载物台2沿X方向移动，所述载物台2上安装有步进电机四23，步进电机四23驱动载物台2沿Y方向移动，以控制载物台在平面上运动。所述载物台2上安装有限位销25和玻片限位板27，限位销25由步进电机五24控制，在涂抹孢子吸附剂时，步进电机五24推动限位销25卡住载玻片17，玻片限位板27由步进电机六28控制，在采集图像结束后推动载玻片17使其落入回收盒内。

所述显微成像装置5通过螺栓手动调节显微镜的焦距后固定，提出了采集点可控的N个横向遍历的采集图像方法，所述载玻片17左下角为采集起点，右上角为终点，通过驱动模块输出不同的脉冲数，控制步进电机的转动以实现载物台2精准的平面移动，以采集载玻片17上不同坐标点的夏孢子显微图像，实现对载玻片17不同位置点的显微图像进行自动采集。

所述显微成像装置5包括显微镜数字摄像头43、镜筒44和物镜45，所述显微镜数字摄像头43通过USB数据线和嵌入式工控机连接，随时接收来自工控机发出的图像采集信号，通过镜筒44和物镜45可放大100～400倍数，抓拍所述载玻片17上真菌孢子的显微图像。

所述风箱42安装在丝杠导轨五39上，由步进电机十38带动沿丝杠导轨五39上下运动，所述采集风道进风口40位于风箱42的顶部，采集风道出风口41位于风箱42的侧面。

所述载物台2下方正对所述显微成像装置5安装有显微镜光源12，所述箱体6顶部设置太阳能电板14，且太阳能电板14倾斜角度可调节，内部设置蓄电池13，蓄电池13和太阳能电板14相连以采集清洁的太阳能为整个装置供电。

采用嵌入式工控机控制各个电机，工控机封装于所述箱体6内，通过USB接口与无线通信模块相连，实现采集装置的远程图像传输，同时接收来自服务器端的控制命令信号，并根据服务器端的信号，启动或急停各个运动模块。

本发明还提供了利用所述采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置的采集方法，采用嵌入式工控机控制，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将涂抹吸附剂的载玻片17放置在载物台2上，运行步进电机五24，利用限位销25卡紧载玻片17；

步骤S2：运行步进电机三16和步进电机四23，移动载玻片17到孢子捕捉风道装置4位置处，孢子捕捉风道装置4运行使风箱42底部与载玻片17贴紧，同时开启吸风风机10；

步骤S3：捕捉真菌孢子时间范围为2～24小时，按实际需求设定捕捉时间；

步骤S4：捕捉结束后，关闭吸风风机10，运行步进电机三16和步进电机四23，载玻片17水平运送到显微成像位置5处，开启显微镜光源12；

步骤S5：运行步进电机三16和步进电机四23，以采集载玻片17上不同位置点上的孢子显微图像，同时启动显微镜数字摄像头43采集图像，按照采集点可控的N个横向遍历的采集图像方法，所述载玻片17左下角为采集起点，右上角为终点，通过驱动模块输出不同的脉冲数，控制步进电机三16和步进电机四23的转动以实现载物台2精准的平面移动，采集载玻片17上不同坐标点的夏孢子显微图像，实现对载玻片17不同位置点的显微图像进行自动采集。

步骤S6：工控机将图像数据存储在硬盘中，同时通过无线网络进行图像远程传输到服务器端；

步骤S7：关闭显微镜光源12，控制步进电机六28运动将载玻片17运送到回收位置丢弃，结束采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置和方法，以不易变形的载玻片为孢子捕捉载体，通过驱动模块输出不同的脉冲数，控制步进电机的转动以实现载物台精准的平面移动，以采集载玻片上不同位置点的夏孢子显微图像，解决了遍历载玻片上所有区域采集图像存在费时、图像数据量庞大等的不足，简化了装置的复杂性，实现了对空中真菌孢子的显微图像采集。可用于远程采集随空气传播、传染的植物病原真菌孢子显微图像，进而测定植物生产环境中的真菌孢子数量，可为植物真菌病害的预测预报提供基础数据，是及早制定正确的防控策略和采取防治措施的一个重要依据。

附图说明

图1为本发明载物台示意图。

图2为本发明采集风道装置示意图。

图3为本发明显微成像装置示意图。

图4为本发明载玻片不同位置点显微图像自动采集示意图。

图5为本发明采集的夏孢子显微图像示意图。

图6为本发明实施例中装置各模块结构示意图。

图7为本发明实施例中装置机械主体结构示意图。

图8为本发明实施例中载玻片取片装置示意图。

图9为本发明实施例中涂脂装置示意图。

图10为本发明实施例中远程采集装置软件工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和以采集小麦条锈病菌夏孢子、孢子吸附剂选用凡士林为实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种采集点可控的夏孢子显微图像采集装置，包括箱体6，箱体6中设置有载物台2，涂抹有凡士林的载玻片17位于载物台2上，参考图1，载物台2安装于丝杠导轨一15上，通过步进电机三16驱动丝杠导轨一15使得载物台2沿X方向移动，载物台2上安装有步进电机四23，步进电机四23驱动载物台2沿Y方向移动，载物台2上安装有限位销25和玻片限位板27，限位销25由步进电机五24控制，在涂抹凡士林时，步进电机五24推动限位销25卡住载玻片17，玻片限位板27由步进电机六28控制，在采集图像结束后推动载玻片17使其落入回收盒内。

箱体6下部设置地栓螺孔7和万向轮8，在箱体6中还设置有孢子采集风道装置4和显微成像装置5。

参考图2，孢子捕捉风道装置4包括不带底板的风箱42，风箱42的采集风道进风口40通过管路与箱体6上的进风口9相连，进风口9设置有纱网，风箱42的采集风道出风口41通过管路与吸风风机10相连。风箱42安装在丝杠导轨五39上，由步进电机十38带动沿丝杠导轨五39上下运动，采集风道进风口40位于风箱42的顶部，采集风道出风口41位于风箱42的侧面。

孢子捕捉风道装置4采用直角风道设计，使载玻片17与风箱35中含有孢子的气流充分接触以使其黏附更多的孢子。风箱35的底部与载玻片17贴紧时，可使外部气流与箱体内部隔离，防止外部空气污染内部装置。同时，还可通过吸风风机10控制风道内气流大小。

当开始采集孢子时，步进步进电机十38启动使丝杠导轨五39转动带动风箱42下降，使风箱42底部与载玻片17贴紧即停止，此时吸风风机10启动，风道内形成负压，夹杂着孢子的空气从进风口9吸入，从出风口11排出，空气中的孢子随着气流在风箱42内运动与载玻片17发生碰撞并黏附其上。

参考图3，显微成像装置5设置于载物台2的上方，对其上的载玻片17中孢子的显微图像进行图像采集。显微成像装置5包括显微镜数字摄像头43、镜筒44和物镜45，显微镜数字摄像头43通过USB数据线和嵌入式工控机连接，随时接收来自工控机发出的图像采集信号，根据夏孢子的大小通过镜筒44和物镜45可放大100～400倍数，抓拍载玻片17上真菌孢子的显微图像。嵌入式工控机和电路模块装载于箱体6内。采集装置采用12V的蓄电池13提供电源，蓄电池13和太阳能电板14相连以采集清洁的太阳能为整个装置供电。

所述显微成像装置5通过螺栓手动调节显微镜的焦距后固定，提出了采集点可控的N个横向遍历的采集图像方法，所述载玻片17左下角为采集起点，右上角为终点，通过驱动模块输出不同的脉冲数，控制步进电机的转动以实现载物台2精准的平面移动，以采集载玻片17上不同坐标点的夏孢子显微图像，实现对载玻片17不同位置点的显微图像进行自动采集。

载物台2下方正对显微成像装置5安装有显微镜光源12，箱体6顶部设置太阳能电板14，且太阳能电板14倾斜角度可调节，内部设置蓄电池13，蓄电池13和太阳能电板14相连以采集清洁的太阳能为整个装置供电。

本发明整体采用嵌入式工控机控制各个电机，通过无线通信模块接收服务器端的控制指令，无线通信模块和摄像头与嵌入式工控机通过USB线连接，驱动模块和I/O模块通过通信485总线与嵌入式工控机连接实现信号传输，驱动模块通过PWM信号调节驱动芯片输出不同的脉冲个数，从而实现电机模块的运动，限位开关与驱动模块连接控制电机启停，I/O模块与吸风风机和控制模块相连接，控制模块采用输出电流可调的PT4115芯片，通过输出不同占空比的PWM信号调节输出电流，从而实现显微镜光源发光强度的稳定定量调节。太阳能供电模块为装置各模块供电。

工控机封装于箱体6内，通过USB接口与无线通信模块相连，实现采集装置的远程图像传输，同时接收来自服务器端的控制命令信号，并根据服务器端的信号，启动或急停各个运动模块，控制采集方法包括如下步骤：

步骤S1：将涂抹凡士林的载玻片17放置在载物台2上，运行步进电机五24，利用限位销25卡紧载玻片17；

步骤S2：运行步进电机三16和步进电机四23，移动载玻片17到孢子捕捉风道装置4位置处，孢子捕捉风道装置4运行使风箱42底部与载玻片17贴紧，同时开启吸风风机10；

步骤S3：捕捉夏孢子时间范围为2～24小时，按实际需求设定捕捉时间；

步骤S4：捕捉结束后，关闭吸风风机10，运行步进电机三16和步进电机四23，载玻片17水平运送到显微成像位置5处，开启显微镜光源12；

步骤S5：运行步进电机三16和步进电机四23，以采集载玻片17上不同位置点上的孢子显微图像，同时启动显微镜数字摄像头43采集图像，按照采集点可控的N个横向遍历的采集图像方法，所述载玻片17左下角为采集起点，右上角为终点，通过驱动模块输出不同的脉冲数，控制步进电机(16和23)的转动以实现载物台2精准的平面移动，以采集载玻片17上不同坐标点的夏孢子显微图像，实现对载玻片17不同位置点的显微图像进行自动采集。

参考图4，本实施例的工作流程步骤如下：在载玻片的中间大小为50cm×25cm区域采集显微图像，换算成步进电机的脉冲数大小为20000脉冲数×10000脉冲数。左下角圆点为采集起点，右上角的圆点为终点，通过驱动模块输出不同的脉冲数，控制步进电机的转动以实现载物台精准的平面移动，以采集载玻片上不同坐标点的夏孢子显微图像。采集点之间的脉冲数间距(x，y)可根据用户需求设定。本实施例设定x、y轴脉冲数间距分别为5000，从起点开始采集第一张图像，按照箭头方向依次采集圆点上的图像，到终点完成图像采集，共采集12张，采集的图像如图5所示。

步骤S6：工控机将图像数据存储在硬盘中，同时通过无线网络进行图像远程传输到服务器端；

步骤S7：关闭显微镜光源12，控制步进电机六28运动将载玻片17运送到回收位置丢弃，结束采集。

进一步地，本发明还可包括载玻片取片装置1和涂脂装置3，参考图6、图7，载玻片取片装置1和涂脂装置3安装在箱体6内。以自动完成取载玻片－涂脂－空中夏孢子采集－孢子显微图像采集—回收载玻片等操作功能。

参考图8，载玻片取片装置1包括用于放置载玻片17的片库18，片库18的底部悬空，当装置1运行时，步进电机一20首先带动推片板19向前运动作用于悬空位置，推动片库18中的载玻片17移动到滑片板22上，此时步进电机二21带动滑片板22倾斜一定角度使载玻片17滑到载物台2上的玻片槽26中。

参考图9，涂脂装置3包括横向的丝杠导轨二32和两条纵向的丝杠导轨三33和丝杠导轨四34，涂胶头35设置在丝杠导轨三33上，涂胶头35的后方设置有胶盒36，丝杠导轨三33安装在丝杠导轨二32上，刮刀片37设置在丝杠导轨四34上，步进电机七29控制涂胶头35沿丝杠导轨三33上下运动，步进电机九30控制丝杠导轨三33沿丝杠导轨二32水平运动，步进电机八31控制刮刀片37沿丝杠导轨四34上下运动，用于将凡士林均匀涂抹于载玻片17采集区域。

本发明提供的采集点可控的夏孢子显微图像采集装置，片库18采用垂直堆叠存放，最大可存放载玻片100片，用于采集装置连续在野外田间长时间远程采集孢子图像数据。

本发明提供的采集点可控的夏孢子显微图像采集装置，采集装置需长期在环境较为恶劣的野外田间工作，考虑到需防尘、防水和防潮的使用要求，采用304不锈钢材质，将箱体6设计成带门的密封结构箱体，防止箱体生锈腐蚀造成箱体漏水损坏内部设备，箱体顶部的进风口9设置有纱网。长期野外使用的装置还要考虑抗风设计，所以箱体底部预留有地栓螺孔，便于需要时地脚固定。

如图10所示，本实施例的工作流程步骤如下：

步骤S1：工控机上电，软件自动启动，与服务器端建立链接；

步骤S2：系统自检，依次向驱动模块发送握手指令，接收反馈指令，向I/O模块发送指令，接收反馈指令，读取显微镜数字摄像头43设置参数(曝光时间，增益)，检测摄像头是否工作正常；

步骤S3：自检完成，向服务器端发送设备状态：驱动模块状态，I/O模块状态，显微镜数字摄像头43参数(曝光时间，增益)；

步骤S4：通过限位开关使各运动模块复位，等待服务器端的采集指令；

步骤S5：接收采集指令，载玻片取片装置1运行，取出载玻片17；

步骤S6：载物台2向左移动，载玻片17运送到涂脂装置3处均匀涂抹凡士林；

步骤S7：载物台2向左移动，载玻片17水平运送到孢子采集风道位置4处，孢子捕捉风道装置4运行使风箱42底部与载玻片17贴紧，同时开启吸风风机；

步骤S8：捕捉夏孢子设定为2小时；

步骤S9：捕捉结束后，关闭吸风风机10，载物台2向左移动，载玻片17水平运送到显微成像位置5处，开启显微镜光源12；

步骤S10：控制载物台2平面运动，以采集载玻片17上不同位置点上的夏孢子显微图像，同时启动显微镜数字摄像头43采集显微图像；

步骤S11：工控机将图像数据存储在硬盘中，同时通过无线网络进行图像远程传输到服务器端；

步骤S12：关闭显微镜光源12，控制步进电机六28运动将载玻片17运送到回收位置丢弃，结束采集。循环步骤S2～S12，自动换取载玻片、涂凡士林、孢子捕捉、显微成像和图像远程传输等功能。实现自动完成取载玻片－涂脂－空中孢子采集－孢子显微图像采集和远程传输—回收载玻片等功能。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明说的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置，包括箱体(6)，箱体(6)中设置有载物台(2)，涂抹有吸附剂的载玻片(17)位于载物台(2)上，其特征在于，在箱体(6)中还设置有孢子捕捉风道装置(4)和显微成像装置(5)，所述孢子捕捉风道装置(4)包括不带底板的风箱(42)，风箱(42)的采集风道进风口(40)通过管路与箱体(6)上的进风口(9)相连，风箱(42)的采集风道出风口(41)通过管路与吸风风机(10)相连，通过步进电机十(38)控制能够使得风箱(42)底部与载物台(2)上的载玻片(17)贴紧，所述显微成像装置(5)设置于载物台(2)的上方，对其上的载玻片(17)中孢子进行显微图像采集。

2.根据权利要求1所述采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置，其特征在于，所述载物台(2)安装于丝杠导轨一(15)上，通过步进电机三(16)驱动丝杠导轨一(15)使得载物台(2)沿X方向移动，所述载物台(2)上安装有步进电机四(23)，步进电机四(23)驱动载物台(2)沿Y方向移动，所述载物台(2)上安装有限位销(25)和玻片限位板(27)，限位销(25)由步进电机五(24)控制，在涂抹孢子吸附剂时，步进电机五(24)推动限位销(25)卡住载玻片(17)，玻片限位板(27)由步进电机六(28)控制，在采集图像结束后推动载玻片(17)使其落入回收盒内。

3.根据权利要求1所述采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置，其特征在于，所述显微成像装置(5)通过螺栓手动调节显微镜的焦距后固定，所述载玻片(17)左下角为采集起点，右上角为终点，通过驱动模块输出不同的脉冲数，控制步进电机的转动以实现载物台(2)精准的平面移动，采集载玻片(17)上不同坐标点的夏孢子显微图像，实现对载玻片(17)不同位置点的显微图像进行自动采集。

4.根据权利要求1所述采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置，其特征在于，所述风箱(42)安装在丝杠导轨五(39)上，由步进电机十(38)带动沿丝杠导轨五(39)上下运动，所述采集风道进风口(40)位于风箱(42)的顶部，采集风道出风口(41)位于风箱(42)的侧面。

5.根据权利要求1所述采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置，其特征在于，所述显微成像装置(5)包括显微镜数字摄像头(43)、镜筒(44)和物镜(45)，所述显微镜数字摄像头(43)通过USB数据线和嵌入式工控机连接，随时接收来自工控机发出的图像采集信号，通过镜筒(44)和物镜(45)可放大100～400倍数，抓拍所述载玻片(17)上真菌孢子的显微图像。

6.根据权利要求1所述采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置，其特征在于，所述载物台(2)下方正对所述显微成像装置(5)安装有显微镜光源(12)，所述箱体(6)顶部设置太阳能电板(14)，且太阳能电板(14)倾斜角度可调节，内部设置蓄电池(13)，蓄电池(13)和太阳能电板(14)相连以采集清洁的太阳能为整个装置供电。

7.根据权利要求1所述采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置，其特征在于，采用嵌入式工控机控制各个电机，工控机封装于所述箱体(6)内，通过USB接口与无线通信模块相连，实现采集装置的远程图像传输，同时接收来自服务器端的控制命令信号，并根据服务器端的信号，启动或急停各个运动模块。

8.利用权利要求1所述采集点可控的真菌孢子显微图像采集装置的采集方法，采用嵌入式工控机控制，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将涂抹吸附剂的载玻片(17)放置在载物台(2)上，运行步进电机五(24)，利用限位销(25)卡紧载玻片(17)；

步骤S2：运行步进电机三(16)和步进电机四(23)，移动载玻片(17)到孢子捕捉风道装置(4)位置处，孢子捕捉风道装置(4)运行使风箱(42)底部与载玻片(17)贴紧，同时开启吸风风机(10)；

步骤S3：捕捉真菌孢子时间范围为2～24小时，按实际需求设定捕捉时间；

步骤S4：捕捉结束后，关闭吸风风机(10)，运行步进电机三(16)和步进电机四(23)，载玻片(17)水平运送到显微成像位置(5)处，开启显微镜光源(12)；

步骤S5：运行步进电机三(16)和步进电机四(23)，以采集载玻片(17)上不同位置点上的孢子显微图像，同时启动显微镜数字摄像头(43)采集显微图像；

步骤S6：工控机将图像数据存储在硬盘中，同时通过无线网络进行图像远程传输到服务器端；

步骤S7：关闭显微镜光源(12)，控制步进电机六(28)运动将载玻片(17)运送到回收位置丢弃，结束采集。