基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的作物蟲情采集監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

趙 晴，臧賀藏，張 杰，胡 峰，王 猛，張建濤，李國強(qiáng)

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所/河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002)

目前，我國農(nóng)作物重大害蟲監(jiān)測(cè)預(yù)警信息的采集主要依靠人工觀測(cè)、調(diào)查、統(tǒng)計(jì)以及大田普查、黑光燈誘集、性誘劑誘捕等方式[1-7]。其中，人工調(diào)查需要基層農(nóng)技人員深入田間實(shí)地，調(diào)查時(shí)間長且勞動(dòng)強(qiáng)度大，記錄的調(diào)查結(jié)果還需再次錄入計(jì)算機(jī)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的電子化，增加了額外的工作量。黑光燈誘集效果好，但是誘集種類多、數(shù)量大，仍需定期取樣后進(jìn)行室內(nèi)分類統(tǒng)計(jì)，不僅時(shí)效性差且工作量大，相似的近源種類昆蟲難以區(qū)分，容易造成統(tǒng)計(jì)誤差[8-13]。而性誘劑誘捕以利用昆蟲性信息素為原理，對(duì)指定的田間昆蟲進(jìn)行誘集，方法簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛[14]。利用性誘芯進(jìn)行害蟲測(cè)報(bào)，技術(shù)原理成熟可靠，但是需要測(cè)報(bào)人員定期取樣，帶回室內(nèi)人工分析統(tǒng)計(jì)，消耗大量人力和時(shí)間，調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量差，測(cè)報(bào)結(jié)果具有一定的延時(shí)性；對(duì)無趨光性和沒有性外激素的害蟲無法進(jìn)行誘集監(jiān)測(cè)。

本研究針對(duì)性誘測(cè)報(bào)時(shí)效性較差，害蟲田間調(diào)查數(shù)據(jù)電子化程度低等問題，利用視頻監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程傳輸、圖像處理等信息技術(shù)，改進(jìn)害蟲性誘測(cè)報(bào)方式，研發(fā)專用的昆蟲遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置；開發(fā)基于Android智能手機(jī)的害蟲蟲情田間采集APP端(以下簡(jiǎn)稱APP端)，優(yōu)化害蟲信息的采集和統(tǒng)計(jì)方式，構(gòu)建作物蟲情采集監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng))。該系統(tǒng)以服務(wù)器為基礎(chǔ)，通過遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置和APP端采集害蟲信息，由管理員用戶登錄系統(tǒng)維護(hù)蟲情等相關(guān)信息，統(tǒng)計(jì)整理后的害蟲整體發(fā)生情況，通過Web端首頁進(jìn)行綜合展示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶通過登錄系統(tǒng)查詢本地害蟲發(fā)生情況，并以手機(jī)短信的方式向指定群體發(fā)布害蟲預(yù)警信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過APP端，實(shí)現(xiàn)田間蟲情信息的電子化采集錄入、上傳等功能，提升田間害蟲信息采集的效率，并可查看相關(guān)的蟲情發(fā)生動(dòng)態(tài)信息；結(jié)合Web端軟件及遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶對(duì)本地害蟲蟲情發(fā)生數(shù)據(jù)的在線化管理和應(yīng)用，并通過采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置信息接收通訊錄，向指定人群發(fā)布蟲情預(yù)警信息。

采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從技術(shù)框架上，采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為3個(gè)層面，一是以APP端和遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集層；二是通過4G、WLAN網(wǎng)絡(luò)組成的數(shù)據(jù)傳輸層；三是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的Web端應(yīng)用、APP端查詢的數(shù)據(jù)應(yīng)用層(圖1)。

圖1 采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分層架構(gòu)

采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由系統(tǒng)服務(wù)器及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫、APP端、用戶Web端組成，采用了C/S和B/S混合架構(gòu)。APP端位于Android智能手機(jī)上，由用戶完成田間蟲情數(shù)據(jù)采集并上傳至蟲情信息數(shù)據(jù)庫，為C/S結(jié)構(gòu)；用戶Web端通過對(duì)服務(wù)器的鏈接，完成對(duì)預(yù)警發(fā)布數(shù)據(jù)庫和蟲情信息數(shù)據(jù)庫的訪問，在Web端實(shí)現(xiàn)蟲情數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測(cè)預(yù)警等應(yīng)用，為B/S結(jié)構(gòu)(圖2)。

1.2 角色權(quán)限及功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)角色設(shè)計(jì)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶、管理員用戶2種，監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶使用APP端和Web端賬戶；管理員用戶使用Web端賬戶。

圖2 采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)B/S與C/S混合構(gòu)架模式

2種角色登錄系統(tǒng)Web端后顯示不同的界面，相應(yīng)的功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶界面為用戶信息維護(hù)、蟲情信息管理、監(jiān)測(cè)預(yù)警3個(gè)功能模塊。其中，蟲情信息管理包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)蟲情信息補(bǔ)錄、查詢2個(gè)子模塊，監(jiān)測(cè)預(yù)警包含預(yù)警閾值設(shè)置、通訊錄管理、預(yù)警信息推送3個(gè)子模塊。管理員用戶界面為系統(tǒng)管理、蟲情信息管理、蟲情信息查詢、蟲情基本信息4個(gè)功能模塊，其中，系統(tǒng)管理包括用戶信息管理、站點(diǎn)信息維護(hù)、FTP目錄管理3個(gè)子模塊；蟲情信息管理包括APP調(diào)查信息管理和性誘圖像管理2個(gè)子模塊，蟲情基本信息包括作物信息、蟲名蟲態(tài)信息、作物與害蟲關(guān)系3個(gè)子模塊(圖3)。

圖3 采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)角色權(quán)限及功能模塊設(shè)計(jì)

1.3 工作流程設(shè)計(jì)

采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶使用APP端進(jìn)行田間調(diào)查，完成蟲情信息的采集和上傳；管理員用戶通過管理遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置FTP路徑，實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)采集遠(yuǎn)程性誘圖片并回傳至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶在Web端對(duì)蟲情信息進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)和通訊錄、閾值的設(shè)置，并完成預(yù)警信息的編輯推送；管理員用戶對(duì)服務(wù)器、蟲情數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理維護(hù)，完成蟲情數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和信息展示和維護(hù)(圖4)。

1.4 遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置硬件設(shè)計(jì)

采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置主要包括電源、電源控制器、微型攝像頭、誘蟲陷阱、4G路由器5個(gè)部分。(1)電源，通過電源控制器后與攝像頭和路由器相連實(shí)現(xiàn)供電。(2)電源控制器為KG316T型DC12V時(shí)控開關(guān)，依據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置，控制攝像頭、路由器供電的時(shí)間段。(3)微型攝像頭選用DV-IP 903 P型130萬像素微型網(wǎng)絡(luò)攝像頭，體積小巧適合安裝于誘集箱體，并可設(shè)置上傳圖像的FTP文件路徑。(4)誘蟲陷阱由昆蟲性誘芯和粘蟲板組成，用于誘殺所監(jiān)測(cè)的目標(biāo)昆蟲。(5)4G路由器為SIM卡插卡式工業(yè)路由器，用于圖像數(shù)據(jù)無線通信上傳至服務(wù)器。

電源由太陽能板、蓄電池及充電控制器組成。太陽能板接受陽光產(chǎn)生電流，通過充電控制器變壓后給蓄電池充電。太陽能板置于立桿頂端，下方一側(cè)為測(cè)報(bào)誘集箱體，另一側(cè)為設(shè)備集成安裝的防水箱。測(cè)報(bào)誘集箱體頂端為防雨罩，罩內(nèi)安裝微型攝像頭，攝像頭正對(duì)下方平臺(tái)上的粘蟲板和誘芯；另一側(cè)防水箱內(nèi)安裝電池、電源控制器、4G路由器等(圖5)。

圖4 采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

1：立桿；2：太陽能電池板；3：防水箱；4：測(cè)報(bào)誘集箱體；5：微型攝像頭；6：性誘芯及粘板；7：電池、電源控制器、4G路由等；8：地埋基座

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

APP端：基于Android Studio開發(fā)系統(tǒng)；程序語言：Java；Android 4.0.3以上系統(tǒng)。Web端：基于Visual Studio 2017集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)語言C#、Asp.net；Windows 7操作系統(tǒng)以上。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)原理

遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置主要以遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的定時(shí)拍照功能為基礎(chǔ)，集合4G無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)性誘圖像的定時(shí)采集和回傳；對(duì)不同種類的誘蟲圖片進(jìn)行圖像預(yù)處理，構(gòu)建SVM識(shí)別模型，并基于OpenCV的Adaboost級(jí)聯(lián)分類的樹狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行OpenCV的Traincascade程序分類器訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)圖像計(jì)數(shù)；通過后臺(tái)集成SMS(Short messaging service)移動(dòng)電話短信的云服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶向指定人員發(fā)布預(yù)警信息。

2.3 功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2015作為開發(fā)工具，采用B/S模式，后臺(tái)服務(wù)器采用Windows Server 2008操作系統(tǒng)和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。APP端系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器為Windows Server 2008，采用Java 提供的Web Service服務(wù)用以接收APP端上傳的田間采集數(shù)據(jù)，或監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶Web端錄入數(shù)據(jù)。性誘測(cè)報(bào)系統(tǒng)通過后臺(tái)設(shè)置FTP文件夾和回傳路徑，獲得遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置回傳的誘集圖像，圖像處理后的數(shù)據(jù)錄入后臺(tái)服務(wù)器。APP端、Web端及圖像處理數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)庫表頭字段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，達(dá)到APP端和Web端數(shù)據(jù)共享和兼容。

2.4 APP端

APP端僅提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶登錄帳號(hào)，登錄后主要分為查詢、錄入、管理3個(gè)模塊。其中，數(shù)據(jù)錄入模塊，用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶采集蟲情信息，通過依次點(diǎn)選作物、蟲名、蟲態(tài)，填寫數(shù)量及備注信息后，保存在APP端本地(圖6)；采集的數(shù)據(jù)在管理模塊中，由監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶通過點(diǎn)擊相應(yīng)選項(xiàng)進(jìn)行上傳。

圖6 采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)APP端數(shù)據(jù)錄入模塊

2.5 Web端

監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶通過用戶名和密碼進(jìn)入站點(diǎn)界面，顯示為個(gè)人中心、蟲害信息、監(jiān)測(cè)預(yù)警3個(gè)模塊。通過蟲害信息模塊，可以篩選、查看、下載來自本監(jiān)測(cè)點(diǎn)的蟲情相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并提供信息添加界面，方便監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶對(duì)蟲情信息補(bǔ)充完善。監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊，由監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶設(shè)置所監(jiān)測(cè)目標(biāo)害蟲的預(yù)警閾值，并管理本監(jiān)測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)的種植戶等相關(guān)人員的名單和手機(jī)號(hào)信息，進(jìn)行信息推送的設(shè)置；當(dāng)目標(biāo)害蟲發(fā)生情況達(dá)到預(yù)警閾值時(shí)，由監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶在短信推送界面選擇需要發(fā)送的人員，編寫預(yù)警信息后進(jìn)行短信推送(圖7)。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶預(yù)警信息推送

管理員用戶通過用戶名和密碼進(jìn)入管理界面，顯示為系統(tǒng)管理、蟲害信息管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、蟲情基本信息4個(gè)模塊。蟲情信息管理模塊，一是管理各監(jiān)測(cè)點(diǎn)用戶APP端上傳的包括地點(diǎn)、時(shí)間、作物、蟲名和蟲態(tài)、數(shù)量信息等在內(nèi)的蟲情數(shù)據(jù)庫；二是管理遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)信息，通過后臺(tái)圖像識(shí)別程序分析遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置回傳的誘集圖像，統(tǒng)計(jì)并錄入蟲情數(shù)據(jù)庫(圖8)。

圖8 管理員用戶圖像處理界面

3 實(shí)例應(yīng)用

系統(tǒng)的遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置，于2018年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所的靈寶縣寺河鄉(xiāng)果園基地得到實(shí)地試用。監(jiān)測(cè)目標(biāo)害蟲為蘋小卷葉蛾(Adoxophyesorana)，8月28日放置性誘芯和白底粘蟲板，每天采集誘集圖像，8月30日開始誘集到第1只蘋小卷葉蛾雄蛾，至9月6日誘集到9只蘋小卷葉蛾雄蛾，與普通的性誘誘集結(jié)果沒有明顯差異。采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置性能穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠(圖9)。

圖9 遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置應(yīng)用及其對(duì)蘋小卷葉蛾誘集結(jié)果

4 結(jié)論與討論

本研究以APP端進(jìn)行蟲情數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程性誘測(cè)報(bào)裝置采集相結(jié)合的方式，構(gòu)建了采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高了田間調(diào)查工作的效率，提升了蟲情監(jiān)測(cè)的信息化水平。

得益于移動(dòng)通信技術(shù)和智能手機(jī)的快速發(fā)展，開發(fā)專用的APP端進(jìn)行相關(guān)信息的采集，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蟲害管理的趨勢(shì)，國內(nèi)已有學(xué)者開發(fā)了相關(guān)APP，實(shí)現(xiàn)了棉蚜發(fā)生信息、枸杞病蟲信息等的實(shí)時(shí)采集[15-16]。在害蟲信息自動(dòng)采集方面，應(yīng)用紅外線技術(shù)對(duì)誘集到的蟲體進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)湖北、安徽兩地的蔬菜斜紋夜蛾及西安地區(qū)玉米害蟲的監(jiān)測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)中，害蟲發(fā)生動(dòng)態(tài)的峰期與常規(guī)性誘監(jiān)測(cè)的峰期基本一致，但蟲量統(tǒng)計(jì)數(shù)值與實(shí)際誘集結(jié)果存在誤差[17-19]。

本系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高了作物不同種類害蟲信息采集與分析的工作效率，同時(shí)改進(jìn)了害蟲性誘測(cè)報(bào)的時(shí)效性，保存了性誘圖像的原始資料，方便進(jìn)行人工校驗(yàn)，保證了性誘測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，便于基層農(nóng)技人員精準(zhǔn)掌握農(nóng)田蟲害實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)并發(fā)出預(yù)警，有利于及時(shí)做好蟲害預(yù)防措施，促進(jìn)植保工作的良性發(fā)展。