小麥條銹病菌夏孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

雷 雨 姚志鳳 何東健

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

由條形柄銹菌(Pucciniastriiformisf. sp.tritici,Pst)引起的小麥條銹病是中國西北、西南、華北和淮北等冬麥區(qū)和西北春麥區(qū)小麥的重要病害，一般流行年份可致小麥減產(chǎn)10%～20%，特大流行年份可致小麥減產(chǎn)50%～60%，對(duì)中國糧食安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅[1-3]。小麥條銹病是一種氣傳性多循環(huán)真菌病害，影響小麥條銹病發(fā)病和傳播的因素有很多，除了受實(shí)時(shí)生境、地形地貌、歷史生境等因素的影響外，夏孢子菌源數(shù)是影響其發(fā)生和流行的主要原因。夏孢子是小麥條銹病發(fā)生和發(fā)展的侵染源，主要借助氣流傳播完成周年侵染循環(huán)[4-6]。因此，小麥田間空氣中病原菌夏孢子的數(shù)量和小麥病害發(fā)生有著極為密切的關(guān)系，對(duì)田間空氣中夏孢子進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地捕捉和計(jì)數(shù)，可為小麥條銹病的預(yù)測預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)降低小麥因條銹病而造成的損失具有重要意義。

目前，空氣中氣傳植物病源真菌孢子多采用孢子捕捉器取樣和監(jiān)測[7-10]，捕捉結(jié)束后將黏附有孢子的載玻片或捕捉帶拿回實(shí)驗(yàn)室，在顯微鏡下人工計(jì)數(shù)[11-12]或分子生物學(xué)方法計(jì)數(shù)[13-14]等。利用孢子捕捉器捕捉孢子時(shí)有兩種方法[12,15]，但布放在野外田間的孢子捕捉器測點(diǎn)分散、數(shù)量多且地理位置偏僻，人工定時(shí)換取載玻片或捕捉帶工作量大、效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無法對(duì)農(nóng)田中孢子的濃度進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)、大尺度監(jiān)測，導(dǎo)致難以把握大尺度農(nóng)田真菌孢子的實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)變化情況[12,16]。植保專家急需一種能自動(dòng)捕捉和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)捕捉結(jié)果的解決方案，以節(jié)約人力，提高監(jiān)測效率，并為小麥條銹病的預(yù)測預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支撐。

近年來，隨著自動(dòng)化技術(shù)、傳感技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用圖像采集系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)圖像采集系統(tǒng)能提供生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的視頻圖像數(shù)據(jù)，采集的圖像信息在監(jiān)測病蟲害[17-18]、農(nóng)作物生長[19-20]、農(nóng)產(chǎn)品檢測[21]等方面發(fā)揮著重要的作用。然而，目前國內(nèi)外圖像傳感器一般由嵌入式CPU搭載普通的CMOS攝像頭或CCD攝像頭組成，僅適用于視覺可見的對(duì)象，無法獲取微米級(jí)的真菌孢子圖像。夏旭陽[22]基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種田間遠(yuǎn)程真菌孢子顯微圖像采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中真菌孢子的快速檢測，但需要人工對(duì)載玻片涂抹凡士林，且僅能采集載玻片上一個(gè)位置點(diǎn)的顯微圖像，難以反映真菌孢子的真實(shí)數(shù)量。因此，開發(fā)一款對(duì)田間空氣中小麥條銹病菌夏孢子進(jìn)行在線自動(dòng)捕捉和顯微成像并遠(yuǎn)程傳輸?shù)难b備具有重要意義。

結(jié)合自動(dòng)化、顯微成像和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于ARK-1123C型嵌入式工控機(jī)和顯微鏡CCD數(shù)字?jǐn)z像頭，本文自主設(shè)計(jì)開發(fā)的高放大倍數(shù)、高分辨率的小麥條銹病菌夏孢子捕捉、顯微圖像采集及遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，可為農(nóng)田空氣中小麥條銹病菌夏孢子的自動(dòng)計(jì)數(shù)及條銹病的預(yù)測預(yù)報(bào)提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 田間監(jiān)測需求分析

根據(jù)田間空氣中小麥條銹病菌夏孢子監(jiān)測應(yīng)用需求，小麥條銹病菌夏孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：

(1)系統(tǒng)能自動(dòng)完成取載玻片、涂脂、空氣中孢子捕捉、顯微圖像采集、載玻片回收等功能，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化監(jiān)測。

(2)可根據(jù)用戶需求遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)設(shè)置孢子捕捉時(shí)間和時(shí)長、顯微圖像采樣點(diǎn)范圍和數(shù)量，同時(shí)采集的圖像能無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器中。

(3)系統(tǒng)能長時(shí)間在野外田間采集夏孢子顯微圖像，對(duì)空氣中的夏孢子進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

夏孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)主要包括處理器模塊、夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊、無線通信模塊、太陽能供電模塊4部分，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1a所示。

(1)處理器模塊

該模塊為系統(tǒng)的控制核心，完成系統(tǒng)各模塊的控制任務(wù)。

(2)夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊

驅(qū)動(dòng)模塊和I/O模塊通過RS485通信總線與處理器相連實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的傳輸。驅(qū)動(dòng)模塊通過PWM信號(hào)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)芯片輸出不同的脈沖數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)，限位開關(guān)對(duì)各電機(jī)起行程限位保護(hù)作用。I/O模塊與吸風(fēng)風(fēng)機(jī)和控制模塊相連接，控制模塊通過不同占空比的PWM信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微鏡光源發(fā)光強(qiáng)度的穩(wěn)定定量調(diào)節(jié)。顯微圖像采集機(jī)構(gòu)中的顯微鏡數(shù)字?jǐn)z像頭通過USB接口連接處理器，以采集夏孢子顯微圖像。

(3)無線通信模塊

負(fù)責(zé)傳輸顯微圖像到遠(yuǎn)程服務(wù)器中，用戶可通過服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)或歷史圖像數(shù)據(jù)。

(4)太陽能供電模塊

該模塊為系統(tǒng)各模塊提供電源。太陽能電池板安裝于裝備頂部，通過全牙通絲螺桿可調(diào)節(jié)其傾斜角度，以提高對(duì)太陽能的吸收效率。遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)各模塊和線路安裝于鋼制的箱體內(nèi)，工作時(shí)關(guān)閉嵌有密封封條的前后側(cè)門，可防水和防塵。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)物正視圖和后視圖如圖1b、1c所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖Fig.1 Hareware architecture and picture of system1.蓄電池 2.充放電控制器 3.夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊 4.太陽能板 5.處理器 6.I/O模塊 7.高增益磁盤天線 8.全牙通絲螺桿 9.無線通信模塊 10.光源控制模塊 11.支撐板 12.電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊 13.箱體

2 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1處理器模塊

由于系統(tǒng)需要執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)、吸風(fēng)風(fēng)機(jī)、顯微鏡光源等控制，以及顯微圖像采集和遠(yuǎn)程控制等多任務(wù)調(diào)度，故需要有較高性能的處理器作為控制核心。考慮到ARK-1123C型嵌入式工控機(jī)(研華科技有限公司)采用掌上型無風(fēng)扇嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，體積小(133.8 mm×43.1 mm×94.2 mm)、功耗低，適于野外長期工作，因此選用該工控機(jī)。其處理器為Inter Atom E3825，主頻1.33 GHz，內(nèi)存容量4 GB，硬盤容量500 GB，輸入電壓為12 V。ARK-1123C型的VGA接口可連接顯示器，3個(gè)USB接口可用于連接4G無線通信模塊和顯微鏡CCD數(shù)字?jǐn)z像頭，2個(gè)COM通信端口，可用于RS485總線連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和I/O模塊。

2.1.2夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊

夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊的功能是在嵌入式工控機(jī)的控制下，自動(dòng)完成取載玻片、涂脂、孢子捕捉、顯微圖像采集、回收載玻片等一系列操作任務(wù)。根據(jù)夏孢子自動(dòng)捕捉和顯微圖像采集要求，本文設(shè)計(jì)了夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊，其組成如圖2所示。

圖2 夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊實(shí)物圖Fig.2 Physical map of urediniospore capture and micro-image acquisiton module1.載玻片取片機(jī)構(gòu) 2.涂脂機(jī)構(gòu) 3.孢子捕捉風(fēng)道機(jī)構(gòu) 4.顯微圖像采集機(jī)構(gòu) 5.吸風(fēng)風(fēng)機(jī) 6.軟管 7.顯微鏡光源 8.直線導(dǎo)軌滑臺(tái)模組 9.尼龍拖鏈 10.載物臺(tái)

夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊主要包括載玻片取片機(jī)構(gòu)、涂脂機(jī)構(gòu)、孢子捕捉風(fēng)道機(jī)構(gòu)、顯微圖像采集機(jī)構(gòu)、吸風(fēng)風(fēng)機(jī)、軟管、顯微鏡光源、直線導(dǎo)軌滑臺(tái)模組、尼龍拖鏈和載物臺(tái)等部分。直線導(dǎo)軌滑臺(tái)模組由THK SKR33導(dǎo)軌、滑臺(tái)與步進(jìn)電機(jī)A組成，用螺栓水平固定于支撐板下部，步進(jìn)電機(jī)A的參數(shù)選型如表1所示。載物臺(tái)與滑臺(tái)通過螺栓連接固定，可在直線導(dǎo)軌滑臺(tái)的帶動(dòng)下水平方向上運(yùn)行；顯微圖像采集機(jī)構(gòu)通過螺栓豎直安裝于支撐板上，顯微鏡光源豎直固定于顯微圖像采集機(jī)構(gòu)正下方，保證光源中心與物鏡鉛直對(duì)齊。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用VSMD102-025T驅(qū)動(dòng)器(北京韋恩斯技術(shù)有限公司)，通過PWM信號(hào)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)芯片輸出不同的脈沖數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)各步進(jìn)電機(jī)(表1)的轉(zhuǎn)動(dòng)以控制各機(jī)構(gòu)完成任務(wù)。顯微鏡光源采用12 V/3 W的PL-2108-3W點(diǎn)光源(東莞市沃德普自動(dòng)化科技有限公司)，光源控制模塊采用輸出電流可調(diào)節(jié)的PT4115芯片，從而實(shí)現(xiàn)顯微鏡光源發(fā)光強(qiáng)度的穩(wěn)定定量調(diào)節(jié)以提高顯微圖像的清晰度。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)選型Tab.1 Parameter selection of stepper motors

該模塊中，載玻片取片機(jī)構(gòu)、載物臺(tái)、涂脂機(jī)構(gòu)、孢子捕捉風(fēng)道機(jī)構(gòu)和顯微圖像采集機(jī)構(gòu)等設(shè)計(jì)如下：

(1)載玻片取片機(jī)構(gòu)

載玻片取片機(jī)構(gòu)的功能是從載玻片片盒中自動(dòng)取出1片載玻片放置在載物臺(tái)上的玻片槽內(nèi)，其組成如圖3所示。

圖3 載玻片取片機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of mechanism for supply of slide 1.支架座 2.絲桿步進(jìn)電機(jī)B 3、6.行程限位開關(guān) 4.推片板 5.片盒 7.絲桿步進(jìn)電機(jī)C 8.滑片板 9.載玻片

載玻片取片機(jī)構(gòu)主要包括支架座、絲桿步進(jìn)電機(jī)B、推片板、片盒、絲桿步進(jìn)電機(jī)C、滑片板、載玻片和行程限位開關(guān)等部分，步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)選型如表1所示。片盒內(nèi)最大可存放100片載玻片，片盒底部采用懸空設(shè)計(jì)，懸空部分的尺寸為77 mm×1.5 mm，比載玻片尺寸略大，便于推出載玻片。行程限位開關(guān)安裝于絲桿末端，保證步進(jìn)電機(jī)的起始與結(jié)束位置固定不變。當(dāng)需要取片時(shí)，絲桿步進(jìn)電機(jī)B帶動(dòng)推片板向前運(yùn)動(dòng)，作用于片盒的懸空位置，推動(dòng)位于片盒內(nèi)最底層的載玻片向前移動(dòng)到滑片板上，絲桿步進(jìn)電機(jī)C帶動(dòng)滑片板傾斜使載玻片滑到載物臺(tái)上的玻片槽中，完成取片任務(wù)。

(2)載物臺(tái)

為了能采集載玻片上不同位置點(diǎn)的夏孢子顯微圖像，載物臺(tái)中載玻片槽內(nèi)的載玻片應(yīng)能實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，以完成后續(xù)的涂脂、圖像采集等操作任務(wù)。因此，載物臺(tái)采用自動(dòng)化設(shè)計(jì)，其組成如圖4所示。

圖4 載物臺(tái)示意圖Fig.4 Schematic of automatic stage1.絲桿步進(jìn)電機(jī)D 2.限位銷 3.絲桿步進(jìn)電機(jī)E 4.絲桿步進(jìn)電機(jī)F 5.基座 6.載玻片槽 7.載玻片限位板

載物臺(tái)主要包括絲桿步進(jìn)電機(jī)D、限位銷、絲桿步進(jìn)電機(jī)E、絲桿步進(jìn)電機(jī)F、基座、載玻片槽和載玻片限位板等部分，步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)選型如表1所示。載物臺(tái)安裝于直線導(dǎo)軌滑臺(tái)(圖2)上，可在直線導(dǎo)軌滑臺(tái)的帶動(dòng)下沿X方向左右運(yùn)動(dòng)，絲桿步進(jìn)電機(jī)F能實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)沿Z方向前后運(yùn)動(dòng)，以控制載物臺(tái)在平面上運(yùn)動(dòng)。

載玻片限位板上的載玻片槽尺寸為78 mm×28 mm，用于放置載玻片。絲桿步進(jìn)電機(jī)E通過螺絲與限位銷連接，在涂抹凡士林時(shí)，絲桿步進(jìn)電機(jī)E推動(dòng)限位銷卡住載玻片，防止載玻片被涂膠頭黏住帶走；在顯微圖像采集結(jié)束后，絲桿步進(jìn)電機(jī)D驅(qū)動(dòng)載玻片限位板，推動(dòng)載玻片向前移動(dòng)使其落入回收盒內(nèi)回收。

(3)涂脂機(jī)構(gòu)

涂脂機(jī)構(gòu)的功能是利用步進(jìn)電機(jī)控制涂膠頭和刮刀片將凡士林均勻涂抹于載物臺(tái)上的載玻片的上表面，其組成如圖5所示。

圖5 涂脂機(jī)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of vaseline application mechanism1.涂膠頭 2.膠盒 3.支架板 4.十字絲桿導(dǎo)軌滑臺(tái) 5.步進(jìn)電機(jī)G 6.步進(jìn)電機(jī)H 7.絲桿導(dǎo)軌滑臺(tái) 8.步進(jìn)電機(jī)I 9.刮刀片

涂脂機(jī)構(gòu)主要包括涂膠頭、膠盒、支架板、十字絲桿導(dǎo)軌滑臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)G、步進(jìn)電機(jī)H、絲桿導(dǎo)軌滑臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)I與刮刀片等部分，步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)選型如表1所示。凡士林存放于膠盒中，當(dāng)需要涂抹時(shí)，步進(jìn)電機(jī)I驅(qū)動(dòng)涂膠頭向Z軸反向運(yùn)動(dòng)到膠盒正上方，接著步進(jìn)電機(jī)G驅(qū)動(dòng)涂膠頭向下運(yùn)動(dòng)，從膠盒中蘸取適量的凡士林，然后兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)將涂膠頭依次復(fù)位到初始位置，步進(jìn)電機(jī)G驅(qū)動(dòng)涂膠頭向下運(yùn)動(dòng)將凡士林涂抹于載玻片上。然后載物臺(tái)向X軸正向移動(dòng)到刮刀片下方，通過步進(jìn)電機(jī)H驅(qū)動(dòng)刮刀片向下緊貼住載玻片，載物臺(tái)再向X軸正向移動(dòng)，刮刀片自動(dòng)刮走多余的凡士林，使載玻片上均勻涂抹一薄層凡士林，用于黏附空氣中的夏孢子。

(4)孢子捕捉風(fēng)道機(jī)構(gòu)

孢子捕捉原理如圖6a所示，當(dāng)開始捕捉夏孢子時(shí)，吸風(fēng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開始吸風(fēng)，風(fēng)道內(nèi)形成負(fù)壓，夾雜著夏孢子的外部空氣從箱體進(jìn)風(fēng)口吸入風(fēng)箱內(nèi)，空氣中的夏孢子與載玻片發(fā)生碰撞并黏附其上，空氣則從箱體出風(fēng)口排出?；诖嗽恚O(shè)計(jì)的孢子捕捉風(fēng)道機(jī)構(gòu)如圖6b所示。

圖6 孢子捕捉風(fēng)道機(jī)構(gòu)圖Fig.6 Schematic of spores collecting airway mechanism1.風(fēng)箱出風(fēng)口 2.風(fēng)箱進(jìn)風(fēng)口 3.絲桿導(dǎo)軌滑臺(tái) 4.步進(jìn)電機(jī)J 5.連接板 6.風(fēng)箱 7.載玻片

孢子捕捉風(fēng)道機(jī)構(gòu)主要包括風(fēng)箱出風(fēng)口、風(fēng)箱進(jìn)風(fēng)口、絲桿導(dǎo)軌滑臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)J、連接板、風(fēng)箱和載玻片等部分。連接板與主支撐板用螺栓固定連接。無底風(fēng)箱的進(jìn)風(fēng)口通過軟管與箱體進(jìn)風(fēng)口相連，風(fēng)箱出風(fēng)口通過軟管與吸風(fēng)風(fēng)機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)J能夠使絲桿導(dǎo)軌滑臺(tái)帶動(dòng)風(fēng)箱下降，使風(fēng)箱底部與移動(dòng)到其下方載物臺(tái)上的載玻片貼緊，使外部氣流與內(nèi)部隔絕，避免外部空氣污染內(nèi)部硬件。吸風(fēng)風(fēng)機(jī)選用5.16 W/1 2V的3610KL-04W-B50型專用風(fēng)扇(日本美蓓亞公司)，轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，氣體采集流量為1 550 L/min。

(5)顯微圖像采集機(jī)構(gòu)

由文獻(xiàn)[23]可知，夏孢子外觀為橙黃色，外形似橢圓，平均尺寸為24.5 μm×21.6 μm。在實(shí)驗(yàn)室用研究級(jí)顯微鏡對(duì)夏孢子觀察可知，需光學(xué)放大200倍以上才能視覺可見。結(jié)合現(xiàn)有顯微成像技術(shù)，設(shè)計(jì)的顯微圖像采集機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖7 顯微圖像采集機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of micro-image acquisition mechanism1.顯微數(shù)字?jǐn)z像頭 2.鏡筒 3.物鏡 4. 連接板

顯微圖像采集機(jī)構(gòu)主要包括顯微數(shù)字?jǐn)z像頭、鏡筒、物鏡和連接板。連接板與主支撐板用螺栓固定連接。顯微數(shù)字?jǐn)z像頭選用UCMOS 14000KPA Pro系列高分辨率顯微鏡CCD數(shù)字?jǐn)z像頭(杭州圖譜光電科技有限公司)，分辨率可達(dá)1 400萬像素，JPEG格式；鏡筒選用1倍鏡筒；物鏡選用20倍遠(yuǎn)心物鏡。顯微圖像采集機(jī)構(gòu)可采集電子放大400倍的1 400萬像素的夏孢子顯微圖像。

2.1.3無線通信模塊

考慮到4G技術(shù)的廣泛應(yīng)用，且傳輸速率可達(dá)50 Mb/s，適于快速、遠(yuǎn)距離無線傳輸高質(zhì)量音視頻圖像。故用華為ME909s-821型4G無線模塊和高增益磁盤天線，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端對(duì)孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?？紤]到TeamViewer遠(yuǎn)程控制應(yīng)用軟件(TeamViewer GmbH公司，德國)具有桌面共享和數(shù)據(jù)傳輸簡單的特點(diǎn)，只需在服務(wù)器端和客戶端同時(shí)運(yùn)行TeamViewer，該軟件第1次在兩端運(yùn)行便會(huì)自動(dòng)生成伙伴ID，以后只需在服務(wù)器端輸入密碼即可立即建立起連接，故用TeamViewer實(shí)現(xiàn)對(duì)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)無線傳輸。

2.1.4太陽能供電模塊

為提供系統(tǒng)在野外小麥田間長時(shí)間持續(xù)工作的電源，設(shè)計(jì)了太陽能供電模塊，其由太陽能電池板、可充電蓄電池和充放電控制器組成。太陽能電池板選用單晶硅太陽能電池板，功率為100 W、電池片轉(zhuǎn)換效率為18%、最大輸出電壓為18.2 V、最大輸出電流為5.49 A、尺寸為1 200 mm×540 mm×30 mm。充放電控制器控制整個(gè)供電模塊的工作狀態(tài)，對(duì)蓄電池提供充放電管理、狀態(tài)監(jiān)測、防過充放電和防反流。可充電蓄電池選擇12 V、65 A·h的閥控密封式鉛酸蓄電池，在太陽能供電不足的情況下維持系統(tǒng)的正常工作。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)載玻片的自動(dòng)供片、涂脂、空氣中孢子捕捉、顯微圖像采集和回收載玻片等任務(wù)操作，以嵌入式Windows 7為操作系統(tǒng)，Microsoft Visual Studio 2013 和QT5.5.1圖形用戶界面庫為開發(fā)平臺(tái)，移植相關(guān)的驅(qū)動(dòng)、中間件，開發(fā)夏孢子顯微圖像采集軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的運(yùn)行控制。

2.2.1系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電開機(jī)后進(jìn)行初始化，打開軟件設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕開始運(yùn)行。系統(tǒng)主要工作流程如圖8所示。

圖8 夏孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)工作流程圖Fig.8 Flow chart of micro-image remote acquisition system for urediniospores

2.2.2顯微圖像采集與傳輸

用7101型全透明載玻片作為孢子捕捉載體，尺寸為75.6 mm×25.4 mm×1 mm。由于在高放大倍數(shù)下，遍歷載玻片上所有區(qū)域采集顯微圖像費(fèi)時(shí)且圖像數(shù)據(jù)量龐大，故借鑒文獻(xiàn)[24]中的十二個(gè)橫向遍歷法采集顯微圖像?；谑€(gè)橫向遍歷法，設(shè)計(jì)的不同位置點(diǎn)顯微圖像自動(dòng)采集順序示意如圖9所示。

圖9 載玻片不同位置點(diǎn)顯微圖像自動(dòng)采集示意圖Fig.9 Schematic of automatic acquisition of micro-images from different positons of slide

在載玻片中間50 cm×25 cm區(qū)域采集顯微圖像，換算成步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)為20 000×10 000。左下角圓點(diǎn)為采集起點(diǎn)，右上角圓點(diǎn)為終點(diǎn)，通過驅(qū)動(dòng)模塊輸出不同的脈沖數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)精準(zhǔn)的平面移動(dòng)，以采集載玻片上不同坐標(biāo)點(diǎn)的夏孢子顯微圖像。采集點(diǎn)之間的脈沖數(shù)間距(x，z)可根據(jù)用戶需求設(shè)定，若設(shè)定X、Z軸脈沖數(shù)間距分別為5 000，從起點(diǎn)開始采集第1幅圖像，按照箭頭方向依次采集圓點(diǎn)處的圖像，到終點(diǎn)完成圖像采集，共采集12幅。圖像采集完成后，以JPEG格式保存在硬盤指定文件中，最后用TeamViewer遠(yuǎn)程控制應(yīng)用軟件將圖像數(shù)據(jù)通過4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器端。

2.2.3系統(tǒng)應(yīng)用軟件

為有效地執(zhí)行和控制各模塊的運(yùn)動(dòng)，采用Microsoft Visual Studio 2013 和QT5.5.1平臺(tái)開發(fā)了小麥條銹病菌夏孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集程序軟件，應(yīng)用層采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的運(yùn)行控制。夏孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集程序功能主要包括顯微圖像顯示、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、電源控制、顯微圖像采集參數(shù)、顯微鏡數(shù)字?jǐn)z像頭參數(shù)、執(zhí)行狀態(tài)、圖像保存路徑和急停9部分。通過自動(dòng)控制可設(shè)置采集次數(shù)和采集時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥田間空中夏孢子的定時(shí)監(jiān)測；手動(dòng)控制和電源控制能手動(dòng)對(duì)各模塊進(jìn)行啟停以檢查各部分是否正常工作；顯微圖像采集參數(shù)包括(x，z)脈沖數(shù)掃描間距、風(fēng)機(jī)吸風(fēng)時(shí)間和顯微鏡光源預(yù)熱時(shí)間，可根據(jù)采集要求設(shè)置其參數(shù)值；顯微鏡數(shù)字?jǐn)z像頭參數(shù)包括對(duì)比度、增益、色度、曝光時(shí)間、色溫和飽和度，通過調(diào)節(jié)攝像頭參數(shù)可使顯微圖像的質(zhì)量最佳；在程序運(yùn)行時(shí)，通過執(zhí)行狀態(tài)欄可觀察運(yùn)行狀態(tài)；添加圖像保存路徑，可將顯微圖像存儲(chǔ)到指定文件夾中；最后添加急停按鈕，當(dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)用來關(guān)閉程序。圖10為夏孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集軟件界面。

圖10 夏孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集軟件界面Fig.10 Software interface of urediniospore micro-image remote acquisition

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境搭建及儀器布置

為了驗(yàn)證本儀器能否長時(shí)間穩(wěn)定地遠(yuǎn)程采集高倍數(shù)、高分辨率的夏孢子顯微圖像，進(jìn)行了顯微圖像采集試驗(yàn)。

參照文獻(xiàn)[3]，供試小麥材料選用易感病品種小堰22，經(jīng)浸種、催芽后，于2017年10月12日播種于西北農(nóng)林科技大學(xué)小麥人工病圃農(nóng)田中，播種面積為1 000 m2。待小麥長到拔節(jié)期，用0.02%吐溫-80溶液，將實(shí)驗(yàn)室繁育的新鮮小麥條銹病菌夏孢子配制成質(zhì)量濃度為0.125 mg/mL的孢子懸浮液，于2018年4月5日傍晚給小麥接種。接種后用經(jīng)水噴霧處理的塑料薄膜覆蓋12 h，以保持飽和濕度，次日08:30揭去塑料薄膜，以促其發(fā)病。

2018年4月20日，小麥條銹病開始大規(guī)模發(fā)病，于當(dāng)天開始在農(nóng)田中進(jìn)行為期40 d的綜合測試試驗(yàn)，直到冬小麥成熟期初期結(jié)束，儀器在小麥田間布放情況如圖11所示。

圖11 儀器布放圖Fig.11 Device deployment diagram

3.2 系統(tǒng)軟件運(yùn)行測試

為了測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，在服務(wù)器端運(yùn)行TeamViewer軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：采集開始時(shí)間設(shè)置為09:00，孢子捕捉時(shí)長為2 h，每天采集1次，共采集40次，X軸和Z軸脈沖數(shù)掃描間距均為5 000，光源預(yù)熱時(shí)間為5 min，攝像頭曝光時(shí)間為85 000 μs，色溫為6 503 K，飽和度為128，其他攝像頭參數(shù)采用默認(rèn)值。參數(shù)設(shè)置完后，軟件一鍵啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行捕捉空中夏孢子和采集顯微圖像，并且保存至系統(tǒng)本地硬盤，或?qū)D像無線傳輸至服務(wù)器。執(zhí)行40次采集任務(wù)總共采集了480幅顯微圖像，放大倍數(shù)為400倍，分辨率為4 096像素×3 288像素，JPEG格式，單幅圖像大小為601 KB。

3.3 圖像對(duì)比與分析

為了對(duì)比系統(tǒng)采集的夏孢子顯微圖像的質(zhì)量，將系統(tǒng)采集的圖像與研究級(jí)顯微鏡采集的圖像進(jìn)行對(duì)比。用研究級(jí)倒置顯微鏡(BX52型，Olympus，日本)和數(shù)碼成像系統(tǒng)(DP72型，Olympus，日本)對(duì)夏孢子臨時(shí)載玻片進(jìn)行觀察、拍照，共獲得50幅夏孢子圖像，放大倍數(shù)為400倍，分辨率為4 140像素×3 096 像素，JPEG格式，單幅圖像大小為798 KB。圖12為系統(tǒng)采集圖像與研究級(jí)顯微鏡采集圖像的對(duì)比。

圖12 小麥條銹病菌夏孢子顯微圖像對(duì)比Fig.12 Micro-images comparison of urediniospores of Puccinia striiformis f. sp. tritici

從圖12a可以看出，系統(tǒng)能夠采集放大400倍的4 096像素×3 288像素的夏孢子顯微圖像；夏孢子外觀呈橙黃色，外形似橢圓，清晰度較高；夏孢子相互粘連現(xiàn)象較多，由于夏孢子是立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)夏孢子出現(xiàn)部分重疊時(shí)，由于放大倍數(shù)大，景深小，重疊在上部的孢子無法聚焦，少量孢子會(huì)變模糊；圖像背景呈淡黃色，由于載玻片上涂抹了一薄層凡士林，顯微放大后背景中存在晶體條狀凡士林。

圖12b中研究級(jí)顯微鏡采集的夏孢子顯微圖像的夏孢子邊界輪廓都比較清晰，直觀上顏色有一定差異，主要原因是研究級(jí)顯微鏡所采用的數(shù)碼成像系統(tǒng)制造更加精密、昂貴。雖然本文方法采集的圖像背景顏色和研究級(jí)顯微鏡采集的相比有一定差距，但不影響夏孢子的識(shí)別和計(jì)數(shù)，所采集的顯微圖像可滿足夏孢子監(jiān)測的要求[25]。

3.4 能量可用性測試

在野外小麥田間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了為期40 d的能量可用性測試。蓄電池容量為65 A·h，額定電壓為12 V，實(shí)際電壓為10.8～13.7 V，在充放電控制器的作用下，低于10.8 V時(shí)停止放電，高于13.7 V時(shí)停止充電。太陽能電池板在光照充足的晴天經(jīng)過8 h左右，即可將蓄電池從10.8 V充到13.7 V，在連續(xù)7 d以上的陰雨天氣時(shí)蓄電池電壓的最低值為10.8 V。在40 d的連續(xù)測試中，系統(tǒng)可以有效地工作，僅在連續(xù)7 d以上陰雨天氣、光照嚴(yán)重不足、太陽能供電不足的情況下系統(tǒng)出現(xiàn)過1次斷電而停止工作，為保證連續(xù)40 d的顯微圖像采集，采用更換備用蓄電池保持系統(tǒng)繼續(xù)工作。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)目前使用的孢子捕捉設(shè)備存在的不足，基于ARK-1123C型嵌入式工控機(jī)和顯微鏡CCD數(shù)字?jǐn)z像頭，提出了一種高放大倍數(shù)、高分辨率的小麥條銹病菌夏孢子顯微圖像遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小麥田間空氣中夏孢子的持續(xù)監(jiān)測。

(2)設(shè)計(jì)了由載玻片取片機(jī)構(gòu)、載物臺(tái)、涂脂機(jī)構(gòu)、孢子捕捉風(fēng)道、顯微圖像采集機(jī)構(gòu)組成的夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊、無線通信模塊和太陽能供電模塊等硬件，以及主控端夏孢子顯微圖像采集軟件，可自動(dòng)完成取載玻片、涂脂、空中孢子捕捉、孢子顯微圖像采集、載玻片回收等功能，且可根據(jù)用戶需求遠(yuǎn)程設(shè)置孢子捕捉和顯微圖像采集參數(shù)，采集的圖像通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器中。

(3)田間試驗(yàn)表明，系統(tǒng)可自動(dòng)完成夏孢子捕捉和顯微圖像采集，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集放大400倍的4 096像素×3 288像素的夏孢子顯微圖像，可滿足小麥田間夏孢子監(jiān)測的要求。系統(tǒng)能長時(shí)間穩(wěn)定工作，可為農(nóng)田空氣中小麥條銹病菌夏孢子的自動(dòng)計(jì)數(shù)及條銹病的預(yù)測預(yù)報(bào)提供重要的技術(shù)支持，也可為其他氣傳性真菌孢子的自動(dòng)監(jiān)測提供借鑒思路。