茶刺蛾智能檢測與捕殺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

向 誠，史杰函，嚴(yán)謙捷，鐘遠(yuǎn)志，劉欽標(biāo)

（中南林業(yè)科技大學(xué) 涉外學(xué)院，湖南 長沙 410004）

茶刺蛾智能檢測與捕殺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

向 誠，史杰函，嚴(yán)謙捷，鐘遠(yuǎn)志，劉欽標(biāo)

（中南林業(yè)科技大學(xué) 涉外學(xué)院，湖南 長沙 410004）

設(shè)計(jì)一種以移動(dòng)手機(jī)為控制端，以單片機(jī)為核心處理器、通過無線通信模塊傳輸操作指令、視頻、文本信息，能實(shí)時(shí)地將各信息采集模塊拍攝到的圖像、文本信息傳輸至手機(jī)等移動(dòng)終端，并能根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)出語音預(yù)警、在手機(jī)控制端的控制下對(duì)茶刺蛾開展誘捕燈捕殺的一種智能型茶刺蛾在線檢測與捕殺系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有檢測和捕殺效率高、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，有利于推廣。

茶刺蛾；WIFI；智能檢測；音頻識(shí)別；在線捕殺

茶葉作為我國種植面積最廣的經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，是農(nóng)民收入的一個(gè)重要來源。一直以來，對(duì)茶葉蟲害的檢測主要靠人眼來發(fā)現(xiàn)與判斷，但這種方式不僅大大地降低了蟲害的檢測出率，畢竟只有在蟲害大規(guī)模爆發(fā)時(shí)才能被人眼所發(fā)現(xiàn)；另一方面，當(dāng)前對(duì)茶葉蟲害的捕殺是依靠化學(xué)農(nóng)藥為主的害蟲防治技術(shù)，農(nóng)藥對(duì)靶標(biāo)害蟲進(jìn)行毒殺的同時(shí)，也加深了對(duì)食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)的破壞，農(nóng)藥殘留導(dǎo)致食物和環(huán)境的污染日益突出。

由于，在所有茶葉蟲害中茶刺蛾對(duì)茶葉的危害最大，為此，擬設(shè)計(jì)出一種綠色環(huán)保的蟲害防治設(shè)備——茶葉蟲害（茶刺蛾）智能檢測與捕殺系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠解決傳統(tǒng)測報(bào)工作勞動(dòng)力大、效率低的問題，而且節(jié)能環(huán)保。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前茶葉蟲害的檢測與捕殺主要依靠肉眼查看和農(nóng)藥噴灑來實(shí)現(xiàn)這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)一種綠色環(huán)保的茶葉蟲害智能檢測與捕殺系統(tǒng)。該系統(tǒng)以stm32為核心，以智能手機(jī)為控制端和顯示端。系統(tǒng)通過音頻檢測、紅外攝像等多種手段對(duì)茶葉蟲害進(jìn)行實(shí)時(shí)在線探測，并把探測各類信息上傳至云端，以便通過手機(jī)等工具查看蟲害的現(xiàn)時(shí)情況及其具體方位等。當(dāng)系統(tǒng)探測到的蟲害時(shí)，手機(jī)上的報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)預(yù)警，并通過控制端發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)誘捕燈等對(duì)害蟲進(jìn)行在線捕殺。紅外攝像頭在手機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)全方位無死角監(jiān)控。

基于以上的研究需求，確立了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 茶刺蛾檢殺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該探測車的硬件主要由電源模塊、控制器模塊、音頻檢測模塊、語音模塊、無線信息傳輸模塊、誘捕燈及手機(jī)控制端構(gòu)成。

（1）電源電路。由于本系統(tǒng)需要驅(qū)動(dòng)車體直流電機(jī)、攝像頭轉(zhuǎn)向舵機(jī)，所以選擇了一個(gè)最低容量為10C的可充電鋰電池，其輸出電壓為12V。

本設(shè)計(jì)中對(duì)于不同的負(fù)載，供電電壓的會(huì)有所不同，為防止機(jī)電類負(fù)載對(duì)單片機(jī)和其它集成芯片造成干擾，需要分開供電，并且需要加大容量的濾波電容以及必要的電感等儲(chǔ)能元件，電源模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示。驅(qū)動(dòng)攝像頭伺服電機(jī)，選用LM317穩(wěn)壓芯片輸出的5V電壓；對(duì)控制器等集成電路的供電選用了LM7805三端穩(wěn)壓管；對(duì)傳感器檢測模塊的供電選用了LM2596開關(guān)型降壓穩(wěn)壓管。

圖2 電源電路原理圖

（2）控制器電路?？刂破髂K上連無線路由，下接各檢測電路，是系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理的核心。文章選取STM32作為主控芯片，STM32內(nèi)置EEPROM和A/D轉(zhuǎn)換器，無需外加A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片。其內(nèi)部有4路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)還集成了MAX810專用復(fù)位電路、能適用電機(jī)控制、強(qiáng)干擾場合的電路設(shè)計(jì)。

（3）驅(qū)動(dòng)電路。伺服電機(jī)本身自帶驅(qū)動(dòng)電路，只需要通過單片機(jī)提供PWM信號(hào)以調(diào)節(jié)其角度即可，不需要設(shè)計(jì)專門的驅(qū)動(dòng)電路，但需要設(shè)計(jì)誘捕燈驅(qū)動(dòng)電路。為實(shí)現(xiàn)手機(jī)無線方式控制誘捕燈的開關(guān)，采用繼電器控制方式以連通與斷開驅(qū)動(dòng)芯片。則在單片機(jī)控制I/O口與繼電器K1間接入一個(gè)ULN2003用于驅(qū)動(dòng)繼電器。

（4）音頻識(shí)別電路。文章采用LM567鑒頻芯片來對(duì)害蟲進(jìn)行音頻頻率的識(shí)別，當(dāng)外界音源頻率的輸入和電路設(shè)定頻率相同時(shí)，芯片輸出低電平信號(hào)，其他音頻頻率予以濾除。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。聲源從Mic輸入，一路經(jīng)Q2、R50、R44、R45組成的共射級(jí)放大電路后輸入LM386的IN+用于選頻，調(diào)節(jié)R44即可改變選頻頻率，音頻經(jīng)LM567處理后從VOUT端輸出至主單片機(jī)P1^3，R54、C45用于濾除高頻噪聲。一路經(jīng)Q5、Q3逐步放大后輸入NE555的TRLG，將電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖輸出，用于數(shù)字信號(hào)處理，文章采用直接低電平觸發(fā)。

圖3 音頻頻率檢測電路圖

（5）語音提示電路。語音提示設(shè)計(jì)采用ISD1820語音模塊，ISD1820芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大，自動(dòng)增益控制，防混淆濾波器及FLASH陣列等。該模塊支持10s語音錄放，通過設(shè)置可進(jìn)入循環(huán)播放工作模式，工作電壓3～5V。

（6）誘捕燈。為降低噴灑農(nóng)藥等防治蟲害給食品帶來安全隱患和環(huán)境污染等問題，本文選用誘捕燈來對(duì)茶刺蛾開展在線捕殺。誘捕燈選用常用戶外果園誘蟲燈便可。該誘捕方式具有無毒素殘留，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉等特點(diǎn)，從而在降低環(huán)境污染的同時(shí)，維持茶葉原有的品質(zhì)。

（7）無線通信和圖像采集模塊。無線通信和圖像采集模塊由攝像頭和路由器構(gòu)成。圖像采集選擇能滿足上下左右0°～180°旋轉(zhuǎn)的、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離打開或關(guān)閉的高質(zhì)量高清的天敏S605型攝像機(jī)，通訊接口為USB協(xié)議。路由器采用支持OpenWrt、工作電壓為5V的TP-LINK全新推出的TL-WR703N型迷你3G無線路由器,它與通過UART與單片機(jī)及通信，與手機(jī)控制端則通過WIFI傳遞圖像和文本數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)作為茶刺蛾智能檢測與捕殺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分較為復(fù)雜，包括手機(jī)控制端的操作軟件設(shè)計(jì)、無線路由軟件設(shè)計(jì)、基于單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)等。下面僅就軟件總體設(shè)計(jì)和單片機(jī)工作流程作說明。

（1）軟件總體設(shè)計(jì)概況。正如所述所說，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)其要實(shí)現(xiàn)的功能要分成較多模塊。其中，路由操作系統(tǒng)采用OpenWrt，此部分在路由器刷機(jī)部分完成，主要完成圖像采集、文本信息傳輸和操作指令傳輸?shù)裙δ埽皇謾C(jī)控制端控制攝像頭運(yùn)行、開關(guān)誘捕燈和顯示檢測系統(tǒng)信息等；單片機(jī)軟件通過接收來自上位機(jī)的命令，執(zhí)行相應(yīng)操作；而連接上位機(jī)和下位機(jī)之間的紐帶就是通信協(xié)議。軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程如圖4所示，表明了通過軟件控制的從手機(jī)控制端到無線路由器再到單片機(jī)與具體電路的數(shù)據(jù)流向。

圖4 軟件設(shè)計(jì)整體流程圖

圖5 單片機(jī)設(shè)計(jì)流程圖

（2）單片機(jī)工作軟件。茶刺蛾檢測與捕殺系統(tǒng)以單片機(jī)作為核心，與其它各個(gè)功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換以及操作驅(qū)動(dòng)控制。通過編寫單片機(jī)程序，以達(dá)到控制各個(gè)功能模塊的作用。如圖5所示為未考慮中斷情況下單片軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)簡單整體流程。

4 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試與性能測試，該智能檢測與捕殺系統(tǒng)穩(wěn)定性良好、無線交互式操作操控的靈敏度高，伺服電機(jī)能帶動(dòng)攝像頭左右旋轉(zhuǎn)180°和仰、俯視90°全方位地采集圖像信息，獲取的實(shí)時(shí)視頻信息清晰、流暢，檢測茶刺蛾參數(shù)誤報(bào)率低，做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)單位容積內(nèi)的茶刺蛾捕殺率保持在90%以上，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

［1］黃安平，包小村.茶刺蛾及其防治研究進(jìn)展［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，（9）：84-86.

［2］劉三林.茶奕刺蛾生物學(xué)特性及防治［J］.湖南林業(yè)科技，2001，（1）：26-28.

［3］向誠，謝峰粹.基于WiFi和Android的智能探測車設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2013，（12）：82-85.

［4］候國照.基于OpenWrt的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

Design and Research on Intelligent Detection and Catching System for Iragoides Fasciata Moore

XIANG Cheng，SHI Jie-han，YAN Qian-jie，ZHONG Yuan-zhi，LIU Qin-biao
（School of Foreign Affair，Central South University of Forestry and Technology，Changsha，Hunan 410004，China）

The design of a mobile phone as the control end，the microcontroller as the core processor，which transfers operational instructions，video，text information through the wireless communication module，transmits the image，text information captured by real-time information acquisition module to the phone and other mobile terminals，and according to issues voice warning according to the test results.It is an intelligent iragoides fasciata moore on-line detection and killing system under the control of the mobile phone.The system has high detection and killing efficiency，energy saving and environmental protection and other characteristics，and is conducive to the promotion.

tea moth；WIFI；intelligent detection；audio recognition；online hunting

TN92

A

2095-980X（2017）02-0054-02

2017-02-07

2016年度湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目：茶葉蟲害（茶刺蛾）智能檢測與捕殺系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2016-957）。

向誠（1973-），男，湖南洞口人，碩士，副教授，主要研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化控制。