CN110973090A - 一种无线测虫装置及测虫方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线测虫装置，包括壳体、控制模块、无线通信模块、电源模块、诱捕模块和监测模块，壳体包括上下连通设置的工作仓和害虫收集仓；诱捕模块包括若干开设于壳体的外周壁上的诱捕孔；监测模块包括测虫电容C1，控制模块包括单片机U1和模数转换芯片U2，测虫电容C1设于工作仓内的下部，测虫电容C1的两个极板竖直设置且在两个极板之间形成监测通道；测虫电容C1与模数转换芯片U2电连接，单片机U1分别与模数转换芯片U2、电源模块和无线通信模块电连接。本发明采用STM32单片机作为控制器，结合由测虫电容与AD转换芯片组成的电容监测模块，对害虫的种类和数量进行检测，并可有效滤除电路噪声，保留测虫特征响应。

Description

一种无线测虫装置及测虫方法

技术领域

本发明涉及粮库管理系统领域，特别涉及到一种无线测虫装置及测虫方法。

背景技术

目前，粮库仓储害虫问题受到人们的关注。据统计，全球每年有10％～25％的粮食因虫害而损失。合理有效灭虫方案的制定，需要建立在害虫种类、数量与发生区域等数据的精准检测基础之上。因此，精准、实时的害虫检测技术，是当前粮库管理领域的研究热点。

目前，研究人员在储粮害虫的检测方面已经提出了许多方法，如传统的人工扦样检测法、红外光谱检测法、图像识别法、声音识别法等等。人工扦样检测法工作量大、效率低，人为误差不可避免，最终会给防治决策提供不准确甚至错误的信息。红外光谱法的检测结果精准，但效率太低，而且检测设备昂贵，效果差强人意。图像识别法对设备的运算能力要求很高、器件精密且恶劣环境耐受能力极差。声音识别法在检测过程中，因受传感器噪音、环境噪音、信号噪音等方面的干扰，有效信号经常被淹没，不能提取特征信息，该技术的应用有待进一步研究。

此外，目前粮库采用的大部分为传统的有线通信，存在布线复杂、成本高、不耐熏蒸、故障率高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种无线测虫装置及测虫方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种无线测虫装置，包括壳体、控制模块、无线通信模块、电源模块、诱捕模块和监测模块，所述壳体的内部空心，壳体包括上下连通设置的工作仓和害虫收集仓；诱捕模块包括若干开设于壳体的外周壁上的诱捕孔，诱捕孔设于工作仓的中部；

所述监测模块包括测虫电容C1，控制模块包括单片机U1和模数转换芯片U2，测虫电容C1设于工作仓内的下部，测虫电容C1的两个极板竖直设置且在两个极板之间形成监测通道；单片机U1、模数转换芯片U2、无线通信模块和电源模块均设于工作仓内的上部，测虫电容C1与模数转换芯片U2电连接，单片机U1分别与模数转换芯片U2、电源模块和无线通信模块电连接。

进一步的，所述工作仓为柱状结构，害虫收集仓为锥形结构；诱捕孔沿壳体的壳壁厚度方向从外往内倾斜向上开置。

进一步的，所述单片机U1的PB6引脚和PB7引脚分别与模数转换芯片U2的SCL引脚和SDA引脚相连，模数转换芯片U2的SCL引脚和SDA引脚分别通过电阻R1和电阻R2与+5V电源相连；测虫电容C1的两端分别与模数转换芯片U2的NC引脚和EXC引脚相连。

进一步的，所述单片机的型号为STM32130C8T6，模数转换芯片U2的型号为AD7151。

一种无线测虫装置的测虫方法：诱捕孔吸引害虫进入壳体内，害虫进入工作仓内后向下掉入监测模块，当害虫通过监测通道时测虫电容C1的电容值发生变化，模数转换芯片U2捕捉到信号变化从而将信号传递给单片机U1，单片机U1对模数转换芯片U2相应寄存器的数值进行读取，根据读取到的数值的不同来确定害虫的种类，并将实时数据通过无线通信模块的无线网络传输至控制主机；进入壳体内的害虫最终从工作仓内向下掉入至害虫收集仓内进行收集。

进一步的，模数转换芯片U2捕捉到的信号含有噪声数据，通过频率特性滤波法滤除电路噪声，保留测虫特征响应，频率特性滤波法的步骤如下：

1)、以第i个采样数据作为基准值；

2)、计算第i+1个数据与第i个数据的差值，记此差值为m1；

3)、计算第i+2个数据与第i+1个数据的差值，记此差值为m2；

4)、若m1、m2正负同号，则保留所有三个数据；若m1、m2正负反号，则计算第i+3个数据与第i+2个数据的差值，记为m3，若m2、m3正负反号，则将第i+1、i+2、i+3个数据全部置为i数据的数值。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用STM32单片机作为控制器，结合由测虫电容与AD转换芯片组成的电容监测模块，对害虫的种类和数量进行检测。针对电路噪声对测量结果的干扰问题，结合采集到的数据的特点，提出了一种新型限频滤波算法，在保留测虫特征响应的基础上，将电路噪声数据消除。

采用电容式传感器与AD芯片结合的方式监测害虫，通过监测装置中测虫电容值的变化，来识别出害虫的种类和数量，在保证检测精准性的前提下，极大的降低了装置成本，造价低廉，响应迅速，识别精准，很好地实现了害虫种类和数量的精准测量。

通信方式采用无线网络，规避了传统有线方式布线复杂、成本高、不耐熏蒸、故障率高等缺点，实现了远距离数据通信，为粮库虫情检测提供了一种新型、成本低廉的解决方案，节省了布线成本，降低了安装工作量；

提出的频率特性滤波算法，可有效滤除数据的电路噪声，保留特征阶跃，可对害虫种类、数量进行有效监测，便于工作人员制定下一步的除虫措施。

除诱捕模块开孔外，将其与模块全部封闭注塑，提升装置的恶劣环境耐受度，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明所述的无线测虫装置的结构示意图。

图2为本发明所述的检测模块和控制模块的电路图。

图3为本发明所述的无线测虫装置的工作流程图。

图4为滤波前的静置采样数据图。

图5为滤波前的投放1只体长约1cm虫子的采样数据图。

图6为滤波前的投放1只体长约1cm和1只体长约0.5cm虫子的采样数据图。

图7为本发明所述的频率特性滤波算法的流程图。

图8为滤波后的静置采样数据图。

图9为滤波后的投放1只虫子的采样数据图。

图10为滤波后投放2只虫子的采样数据图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1～图10，本发明所述的一种无线测虫装置，包括壳体、控制模块、无线通信模块、电源模块、诱捕模块和监测模块。本发明采用分块化设计，每个模块对应各自的功能，通过软件编程实现各模块的协调运作、数据的处理和发送等功能。壳体的内部空心，壳体包括上下连通设置的工作仓和害虫收集仓。诱捕模块包括若干开设于壳体的外周壁上的诱捕孔，诱捕孔设于工作仓的中部。

根据害虫的趋孔特性，诱捕模块对应壳体的内壁光滑，外管壁有数百个斜向上的诱捕孔来吸引害虫进入。此测虫装置无需外部接线，内部初诱捕模块留孔外，将其余部分全部封闭注塑，将控制器、测虫芯片等部件与外界隔绝，可提升装置在恶劣环境下的使用寿命。

监测模块包括测虫电容C1，控制模块包括单片机U1和模数转换芯片U2。测虫电容C1包括两块相对设置于壳体内壁上的半环形的极板，两块极板之间为中空设置，留下害虫掉落的通道。测虫电容C1设于工作仓内的下部，测虫电容C1的两个极板竖直设置且在两个极板之间形成监测通道。单片机U1、模数转换芯片U2、无线通信模块和电源模块均设于工作仓内的上部。测虫电容C1与模数转换芯片U2电连接，单片机U1分别与模数转换芯片U2、电源模块和无线通信模块电连接。

监测模块由AD7151转换芯片与测虫电容组成。AD7151芯片是美国模拟器件公司研制的模数转换芯片，输入灵敏度高，功耗较低，它的内部寄存器可根据电容值大小的不同而生成不同数值，供控制器读取。

工作仓为柱状结构，害虫收集仓为锥形结构，从而方便将装置插入粮堆。诱捕孔沿壳体的壳壁厚度方向从外往内倾斜向上开置，从而可保证进入诱捕器的是害虫而非如破碎的粮粒、微小的石子等其他物质。

单片机U1的PB6引脚和PB7引脚分别与模数转换芯片U2的SCL引脚和SDA引脚相连。模数转换芯片U2的SCL引脚和SDA引脚分别通过电阻R1和电阻R2与+5V电源相连。测虫电容C1的两端分别与模数转换芯片U2的NC引脚和EXC引脚相连。

单片机的型号为STM32130C8T6，模数转换芯片U2的型号为AD7151。

一种无线测虫装置的测虫方法：诱捕孔吸引害虫进入壳体内，害虫进入工作仓内后向下掉入监测模块，当害虫通过测虫电容C1的监测通道时测虫电容C1的电容值发生变化。模数转换芯片U2捕捉到信号变化唤醒MCU并将信号传递给单片机U1，单片机U1对模数转换芯片U2相应寄存器的数值进行读取。根据读取到的数值的不同来确定害虫的种类，单片机进行信号处理后将实时数据通过无线通信模块的无线网络传输至控制主机即上位机。进入壳体内的害虫最终从工作仓内向下掉入至害虫收集仓内进行收集。

在测虫过程中，害虫掉落，引发监测模块电容信号变化之后，单片机读取AD芯片相应寄存器的值，并将数据通过无线通信模块发回至控制主机。采集到的数据如图4～图6所示。

从采样数据图中可明显看出，AD电路的工作特性导致传感器采集到的数据中含有较多噪声数据，这些噪声数据较小的测虫波动会产生干扰，使得噪声与响应无法区分，对后续的害虫种类匹配造成影响，因此需要通过数字滤波的方法对数据进行处理，减少或消除信号中的干扰数据。

采用数据中的噪声波动频率极高；而测虫波动的数据则有着连续爬升或连续掉落的特点，且持续时间较长，频率较低；根据两者不同数据的频率特性区别，这里提出一种频率特性滤波法。

模数转换芯片U2捕捉到的信号含有噪声数据，通过频率特性滤波法滤除电路噪声，保留测虫特征响应。频率特性滤波法的步骤如下：

1)、以第i个采样数据作为基准值；

2)、计算第i+1个数据与第i个数据的差值，记此差值为m1；

3)、计算第i+2个数据与第i+1个数据的差值，记此差值为m2；

4)、若m1、m2正负同号，则保留所有三个数据；若m1、m2正负反号，则计算第i+3个数据与第i+2个数据的差值，记为m3，若m2、m3正负反号，则将第i+1、i+2、i+3个数据全部置为i数据的数值。

将所提出的频率特性滤波算法编写为程序代码，利用MATLAB进行数据处理。

本发明结合害虫的生物特征，利用电容的物理特性对害虫种类和数量进行监测；结合测虫装置应用场景，采用无线模块通信；针对数据内部的噪声干扰即电路噪声对测量结果的干扰问题，结合采集到的数据的特点，提出一种基于频率特性的滤波方法，在保留测虫特征响应的基础上，将电路噪声数据消除，对后续的数据分析、害虫特征提取起到了重要的作用。在实现害虫监测实时、精准的同时，通过全封闭外观设计和元件低功耗调试，使测虫器拥有较强的恶劣环境耐受性和较长的使用寿命等，达到良好的市场竞争力，可供各规模的粮库投放使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种无线测虫装置，其特征在于：包括壳体、控制模块、无线通信模块、电源模块、诱捕模块和监测模块，所述壳体的内部空心，壳体包括上下连通设置的工作仓和害虫收集仓；诱捕模块包括若干开设于壳体的外周壁上的诱捕孔，诱捕孔设于工作仓的中部；

所述监测模块包括测虫电容C1，控制模块包括单片机U1和模数转换芯片U2，测虫电容C1设于工作仓内的下部，测虫电容C1的两个极板竖直设置且在两个极板之间形成监测通道；单片机U1、模数转换芯片U2、无线通信模块和电源模块均设于工作仓内的上部，测虫电容C1与模数转换芯片U2电连接，单片机U1分别与模数转换芯片U2、电源模块和无线通信模块电连接。

2.根据权利要求1所述的无线测虫装置，其特征在于：所述工作仓为柱状结构，害虫收集仓为锥形结构；诱捕孔沿壳体的壳壁厚度方向从外往内倾斜向上开置。

3.根据权利要求1所述的无线测虫装置，其特征在于：所述单片机U1的PB6引脚和PB7引脚分别与模数转换芯片U2的SCL引脚和SDA引脚相连，模数转换芯片U2的SCL引脚和SDA引脚分别通过电阻R1和电阻R2与+5V电源相连；测虫电容C1的两端分别与模数转换芯片U2的NC引脚和EXC引脚相连。

4.根据权利要求3所述的无线测虫装置，其特征在于：所述单片机的型号为STM32130C8T6，模数转换芯片U2的型号为AD7151。

5.一种如权利要求1所述的无线测虫装置的测虫方法，其特征在于：诱捕孔吸引害虫进入壳体内，害虫进入工作仓内后向下掉入监测模块，当害虫通过监测通道时测虫电容C1的电容值发生变化，模数转换芯片U2捕捉到信号变化从而将信号传递给单片机U1，单片机U1对模数转换芯片U2相应寄存器的数值进行读取，根据读取到的数值的不同来确定害虫的种类，并将实时数据通过无线通信模块的无线网络传输至控制主机；进入壳体内的害虫最终从工作仓内向下掉入至害虫收集仓内进行收集。

6.根据权利要求5所述的无线测虫装置的测虫方法，其特征在于：模数转换芯片U2捕捉到的信号含有噪声数据，通过频率特性滤波法滤除电路噪声，保留测虫特征响应，频率特性滤波法的步骤如下：

1)、以第i个采样数据作为基准值；

2)、计算第i+1个数据与第i个数据的差值，记此差值为m1；

3)、计算第i+2个数据与第i+1个数据的差值，记此差值为m2；

4)、若m1、m2正负同号，则保留所有三个数据；若m1、m2正负反号，则计算第i+3个数据与第i+2个数据的差值，记为m3，若m2、m3正负反号，则将第i+1、i+2、i+3个数据全部置为i数据的数值。

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