一種探測松褐天牛的生物感應(yīng)器設(shè)計構(gòu)想

劉云山 張煒 李碩 姚?？?/p>

【摘 要】針對林業(yè)多發(fā)疾病松材線蟲病進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)從切斷松褐線蟲的傳播媒介松褐天牛入手，來限制松褐線蟲的傳播，從而達(dá)到保護松樹的目的。利用一種新型的生物感應(yīng)器，通過對松褐天牛在運動中所發(fā)出的聲音信號建立數(shù)據(jù)庫，過濾掉多余的單片機的干擾信號，將檢測到的聲音信號的特征信號通過凌陽單片機與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的信號進(jìn)行比對，一旦特征值符合，凌陽單片機便會在顯示屏幕上顯示分析結(jié)果，證明該植物內(nèi)有松褐天牛的存在，如果沒有滴滴的警報聲，則證明該植物內(nèi)不存在松褐天牛。判斷出松褐天牛若存在，則對松褐天牛進(jìn)行有效的消滅和鏟除，進(jìn)一步保護林業(yè)。

【關(guān)鍵詞】松褐天牛；聲音；發(fā)現(xiàn)

一、引言

林業(yè)是我國重要農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，其中松樹因為其觀賞價值、工業(yè)價值、藥用價值是我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)中必不可少的一種樹種。松褐天牛是松樹重要的蛀干害蟲，又是松材線蟲病的主要傳播媒介，控制松材線蟲病的關(guān)鍵是防治松褐天牛。松材線蟲病自1982年傳入中國以來，給中國林業(yè)造成了巨大危害和極大的生態(tài)及經(jīng)濟損失。近年來，我國加強松材線蟲病預(yù)防和除治工作，取得了一定的成績。但是，由于我國松林分布廣、面積大，自然條件非常適合松材線蟲病繁衍，目前我國松材線蟲病防治工作形勢仍十分嚴(yán)峻。加之松材線蟲的雌雄蟲都呈蠕蟲形，蟲體小且細(xì)長，一般很難在樹體中直接發(fā)現(xiàn)它的存在。松材線蟲雖然致病性很強，但其沒有自己遷移傳播的能力，必須依靠傳播媒介——松褐天牛攜帶才能擴散，被松材線蟲侵染的松樹往往又是松墨天牛的產(chǎn)卵對象。翌年，在罹患病的樹林內(nèi)寄生的松墨天牛羽化時又會攜帶大量線蟲，并“接種”傳播到健康的松樹上，導(dǎo)致病害的擴散蔓延【1】。因此，如果控制了松褐天牛，就打斷了松材線蟲的傳播鏈條，阻斷了它的傳播途徑，松材線蟲也就無法感染健康松樹，所以防治松材線蟲就由被動的防治轉(zhuǎn)而主動的防御，看似是個病害問題實質(zhì)上是害蟲的防治問題。

二、產(chǎn)品簡介

我們想要設(shè)計的一款產(chǎn)品是一個探測松褐天牛的生物感應(yīng)器，該產(chǎn)品具有一定的創(chuàng)新性，設(shè)計靈感來源于從切斷松材線蟲的傳播媒介入手，即在松褐天牛成蟲傳播更多的松材線蟲之前，就探測到松褐天牛并將其消滅。產(chǎn)品設(shè)計目的在于遏制松褐天牛成蟲傳播松材線蟲，對松褐天牛進(jìn)行及時的探測和預(yù)報，然后具體地方具體分析，采取相應(yīng)的防治措施，該產(chǎn)品對打造健康的森林，避免害蟲成災(zāi)，營造綠色環(huán)保的生態(tài)環(huán)境有一定的積極作用。眾所周知，要想防治害蟲，只有發(fā)現(xiàn)它才可以采取一定的措施，我們的儀器就是一種可以精準(zhǔn)的探測到松褐天牛的生物感應(yīng)器，松褐天牛的成蟲在6-7月出現(xiàn)，一般在樹干下部或大枝基部活動，我們通過對成蟲的觀察，先從它的聲音入手，利用聲音檢測儀，記錄它的聲音信號，通過比對它與其他自然界的聲音信號，找尋它特殊的聲音信號，或者找尋松褐天牛成蟲其他特殊的生物信號，然后將其轉(zhuǎn)化為電信號，制成一種便攜式的儀器，用以精準(zhǔn)的探測松褐天牛，從而達(dá)到快速有效的防治。該產(chǎn)品應(yīng)用于6-7月份松褐天牛成蟲出沒的時期，在那些曾經(jīng)出現(xiàn)過松褐天牛的地區(qū)進(jìn)行重點探測，我國南方地區(qū)松褐天牛的發(fā)生較嚴(yán)重，同時有向北方擴散蔓延的趨勢，該探測器還可以應(yīng)用于黃山，長江經(jīng)濟帶等對生態(tài)建設(shè)較為重要的區(qū)域。

三、整體設(shè)計

3.1軟件設(shè)計

本設(shè)計的硬件是以凌陽單片機為核心，外圍擴展相應(yīng)的功能硬件構(gòu)成。凌陽單片機具有較好語音識別功能，能對外界聲音信號的變化具有較為敏感的感應(yīng)。

整個系統(tǒng)運行的過程分為初始化，識別和顯示三個過程。

a）初始化——信息庫的建立

生活習(xí)性的觀察：對松褐天牛生活習(xí)性的觀察，確定其幾種經(jīng)常的生活習(xí)性并加以記錄。（比如振翅，爬行，取食等）

信號的采集：對幾種松褐天牛幾種經(jīng)常的生活習(xí)性的發(fā)生規(guī)律分別進(jìn)行記錄，建立初步的信息庫。

特征值的提取：提取初步建立的數(shù)據(jù)庫里的信息，提取松褐天牛發(fā)出的聲波的特征值【2】。

建立數(shù)據(jù)庫：對不同發(fā)聲規(guī)律的特征值的提取的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，用來特征值的比對。

b）識別——信號的采集以及比對的過程

硬件系統(tǒng)的設(shè)計：本設(shè)計的硬件是以凌陽單片機為核心，外圍擴展相應(yīng)的功能硬件構(gòu)成。凌陽單片機具有較好語音識別功能，能對外界聲音信號的變化具有較為敏感的感應(yīng)。

信號的采集：通過前置聲音采集模塊可以較好的采集到松褐天牛在運動中所發(fā)出的聲音信號，以及實現(xiàn)生物信號到電信號的轉(zhuǎn)換

信號的處理模塊主要包括濾除干擾信號，提取聲音特征值兩大部分。

濾除干擾信號：因為外界噪聲較多，所以感應(yīng)器所收集到的信號相對來說也會比較雜亂，對于這個問題，我們采用濾波器的辦法，去除其他干擾信號。

特征參數(shù)的提?。嚎梢杂行У谋碚髀曇粜盘柕奶卣?，用于接下來的信號比對。

特征參數(shù)的比對：從外界輸入的信號經(jīng)過一系列處理后，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行與數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。

c）顯示——將內(nèi)部信號處理與比對后的結(jié)果輸出

經(jīng)過內(nèi)部一系列處理比對后將最后的結(jié)果進(jìn)行輸出，最終通過判斷儀器顯示屏上的結(jié)果，即檢測到松褐天牛的有無。

四、功能及外觀上的設(shè)計

第一代：通過前置聲音放大器和聲音傳感器，可實現(xiàn)較好的信號采集功能以及聲信號和電信號之間的轉(zhuǎn)換。經(jīng)內(nèi)部處理器可將聲音傳感器的電信號分別實現(xiàn)濾波，特征值提取，特征值比對等。外接顯示屏，可將內(nèi)部處理的結(jié)果輸出。

第二代

不僅在外觀上做出改進(jìn)，而且增加感應(yīng)器的功能，不僅可以判斷褐天牛的有無，同時也可以判斷出松褐天牛距離的遠(yuǎn)近，與此同時對感應(yīng)器的外觀進(jìn)行改進(jìn)，讓感應(yīng)器更加輕便，美觀在后期的產(chǎn)品設(shè)想中我們希望將識別，定位，除害結(jié)合起來。據(jù)調(diào)查，松褐天牛主的蟲體主要分布在樹木1至6米處，利用這款設(shè)備我們可以輕松發(fā)現(xiàn)松褐天牛的具體位置，確定位置后采用物理或者化學(xué)辦法去除蟲害【3】。在識別，定位，除害的產(chǎn)品成熟后我們設(shè)想將產(chǎn)品安裝在智能機上，達(dá)到智能除害的效益。我們設(shè)想著不僅僅是實現(xiàn)松褐天牛的識別，也可以在擴大產(chǎn)品功能的方面做出重大突破，即產(chǎn)品實現(xiàn)不同害蟲的識別功能。

五、結(jié)語

該產(chǎn)品具有一定的創(chuàng)新性和實用性，目前，市場上出現(xiàn)的有關(guān)昆蟲的生物探測器很少，而探測松褐天牛的儀器還沒有，此外，松材線蟲病是目前對中國林業(yè)危害最為嚴(yán)重的外來有害生物，我國十分重視它的防治和傳播，所以該探測器具有十分廣闊的發(fā)展前景，它幾乎可以應(yīng)用到任何有松樹的地方。從產(chǎn)品設(shè)計角度來看，我們力爭將其設(shè)計為一款便攜式，操作性強，精確度高的儀器。

【參考文獻(xiàn)】

[1]柴希民， 張國賢. 松褐天牛成蟲攜帶松材線蟲的數(shù)量[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2000， 28（5）：000099-101.

[2] 董曉寧， 張萌. 基于凌陽單片機的語音識別系統(tǒng)設(shè)計[J]. 信息化研究， 2008， 34（2）：18-21.

[3] 高尚坤， 唐艷龍， 張彥龍，等. 松褐天牛在馬尾松樹干上的分布規(guī)律[J]. 林業(yè)科學(xué)研究， 2015， 28（5）：708-712.