植物病原菌孢子智能捕捉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙遠(yuǎn)超，胡憲亮，王圣楠，孫洪濤，李曉慧，趙建平

(1.曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165;2.濟(jì)南祥辰科技有限公司，山東 濟(jì)南 251400)

0 引言

氣傳病害是植物病害中的一類(lèi)重要病害。植物病原主要通過(guò)氣流進(jìn)行傳播，從而完成侵染[1]。孢子是真菌主要的繁殖方式。孢子產(chǎn)生數(shù)量很大，且體積小、質(zhì)量輕，很容易通過(guò)氣流傳播[2]。因此，農(nóng)作物田間空氣中病原菌孢子的數(shù)量和農(nóng)作物病害發(fā)生有著密切的關(guān)系。對(duì)田間空氣中病原菌孢子進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地捕捉和計(jì)數(shù)，可為農(nóng)作物病害的診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)降低農(nóng)作物病害發(fā)生而造成的損失具有重要意義[3]。

目前，對(duì)于空氣中病原菌孢子的捕捉和計(jì)數(shù)，多采用孢子捕捉器進(jìn)行取樣和監(jiān)測(cè)，待捕捉結(jié)束后將黏附有病原菌孢子的載玻片帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行顯微觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)[4]。這種方式需要人工收集載玻片在顯微鏡下觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，存在智能化程度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)[5]。針對(duì)傳統(tǒng)孢子捕捉器存在的弊端，本文結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，基于高倍顯微鏡、電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)數(shù)字?jǐn)z像頭、嵌入式工控機(jī)和云服務(wù)器等，提出了一種以脈沖信號(hào)作為控制信號(hào)，具有高放大倍數(shù)、高分辨率的智能植物病原菌孢子捕捉系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)捕捉病原菌孢子、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)、定時(shí)將病原菌孢子的數(shù)量及形態(tài)圖像上傳至云服務(wù)器，為病害監(jiān)測(cè)預(yù)警和防控工作提供了重要科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)功能需求分析和總體設(shè)計(jì)

根據(jù)植物病原菌孢子的傳播原理、傳統(tǒng)孢子捕捉器存在的缺點(diǎn)，病原菌孢子智能捕捉系統(tǒng)需要滿足以下功能需求。

①病情圖像自動(dòng)采集功能：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從載玻片加載、病原菌孢子捕捉、顯微成像、已使用載玻片回收過(guò)程全自動(dòng)化運(yùn)行。

②孢子形態(tài)圖像上傳及控制命令下發(fā)：通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集的病原菌孢子數(shù)目、形態(tài)圖像上傳至云服務(wù)器；同時(shí)，用戶可根據(jù)需求設(shè)置顯微鏡放大倍數(shù)和氣流采集的時(shí)間、時(shí)長(zhǎng)。

③病原菌孢子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)面板：系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)與病害孢子及病害發(fā)生指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)，得出農(nóng)作物病害情況并發(fā)出預(yù)警；用戶可以查看圖像數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述功能需求，本文將系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[6]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)田間農(nóng)作物病原菌孢子捕捉的智能化，本文設(shè)計(jì)的孢子智能捕捉系統(tǒng)主要包括控制器模塊、病原菌孢子捕捉模塊、顯微圖像采集模塊以及無(wú)線通信模塊等四部分。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

2.1 控制器模塊

控制器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要完成各模塊的控制工作[7]。由于系統(tǒng)需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)、鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)、無(wú)線通信模塊、高倍顯微鏡和CCD數(shù)字?jǐn)z像頭等模塊進(jìn)行精確控制，所以要求控制器模塊具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)接口。因此，本系統(tǒng)采用青島棟林科技有限公司生產(chǎn)的XC-2150F型嵌入式工控機(jī)。該工控機(jī)內(nèi)核基于Intel Corei7處理器，運(yùn)行內(nèi)存容量最大支持8 GB，具有5個(gè)通用串行總線(universal serial bus，USB)接口和4個(gè)串行通信(cluster communication port，COM)端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)、無(wú)線通信模塊和高倍顯微鏡和CCD攝像頭等設(shè)備同時(shí)接入，保證了孢子圖像數(shù)據(jù)的采集與處理速度。

2.2 病原菌孢子捕捉模塊

病原菌孢子捕捉模塊的主要功能為：在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)與鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)三部分的共同作用下，進(jìn)行載玻片自動(dòng)裝載、生物膠涂抹、孢子吸附和廢棄載玻片的回收等操作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)田間病害孢子的自動(dòng)捕捉。

由于本系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制的精度要求比較高，因此電機(jī)選用高精度的兩相四線步進(jìn)電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)控制部件。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制模塊作為本系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，是由UIM2501控制協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接UIM242控制驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的。UIM2501搭配UIM242控制驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了控制器局域網(wǎng)總線(controller area network，CAN)協(xié)議與RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換，從而避免CAN協(xié)議帶來(lái)的一系列復(fù)雜問(wèn)題。嵌入式工控機(jī)可利用一個(gè)UM2501控制協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接多個(gè)UIM242控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)，為實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供了便利。

2.3 顯微圖像采集模塊

顯微圖像采集模塊主要由高倍顯微鏡、CCD數(shù)字?jǐn)z像頭、顯微鏡光源補(bǔ)償和滾珠絲桿組成。在嵌入式工控機(jī)的控制下，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿對(duì)顯微鏡焦距進(jìn)行超高精度調(diào)節(jié)。光源是CCD攝像頭對(duì)物體清晰拍照的重要因素。在對(duì)物體進(jìn)行成像時(shí)，CCD攝像頭上光敏元件感受到外界光線變化，產(chǎn)生電流信號(hào)作用于工控機(jī)。工控機(jī)根據(jù)電流信號(hào)大小生成脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號(hào)，調(diào)節(jié)發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)的強(qiáng)弱變化，以滿足在不同環(huán)境光下對(duì)CCD相機(jī)拍攝所需最佳亮度需求[7-8]。本系統(tǒng)采用奧林巴斯BX51型高倍顯微鏡作為田間病原菌孢子圖像拍攝，選用低功耗大功率燈珠為顯微圖像采集提供光源補(bǔ)償。

2.4 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊的主要功能是將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器端，同時(shí)將用戶下發(fā)的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)至嵌入式工控機(jī)，是應(yīng)用層與感知層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的“橋梁”[9]?？紤]到系統(tǒng)低功耗、易擴(kuò)展等實(shí)際需求，故選用山東楠林信息技術(shù)公司推出的XC-GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊利用運(yùn)營(yíng)商通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(general packet radio service，GPRS)為用戶提供無(wú)線長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能，具有RS-232和RS-485接口，支持AT指令，上傳速率最大支持60 KB/s,實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端對(duì)顯微圖像采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)病原菌孢子智能捕捉系統(tǒng)控制需求，基于系統(tǒng)的硬件模塊的研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了具有人機(jī)交互能力的軟件系統(tǒng)[10]。系統(tǒng)軟件主要包含三部分內(nèi)容：①病原菌孢子采集；②顯微圖像處理；③監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

3.1 病原菌孢子采集

為實(shí)現(xiàn)載玻片的自動(dòng)裝載、生物膠涂抹、空氣中孢子捕捉、顯微圖像處理和廢棄載玻片回收等任務(wù)操作，以嵌入式Windows 7為操作系統(tǒng)、Microsoft Visual Studio2010為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了以嵌入式工控機(jī)為核心的病原菌孢子采集軟件系統(tǒng)。孢子采集與顯微圖像處理流程如圖3所示。

圖3 孢子采集與顯微圖像處理流程圖

3.2 顯微圖像處理

病原菌孢子數(shù)目、形態(tài)等特征的提取是實(shí)現(xiàn)與病害發(fā)生指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用圖像特征提取軟件OpenCV對(duì)孢子數(shù)目、形態(tài)進(jìn)行提取，數(shù)據(jù)庫(kù)SQLServer 2008實(shí)現(xiàn)孢子特征數(shù)據(jù)庫(kù)與病害發(fā)生指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。

為篩選清晰顯微圖像，首先運(yùn)用OpenCV對(duì)原圖像進(jìn)行灰度化、邊緣濾波處理；然后通過(guò)對(duì)圖像的每一行隔一個(gè)像素取一個(gè)灰度值，得到新的灰度矩陣V(i,j)；再根據(jù)式(1)計(jì)算相鄰灰度方差，從而得到清晰圖像；最終通過(guò)邊緣檢測(cè)方法提取到孢子的數(shù)目和形態(tài)。

I(x+1,y)]

(1)

式中：I(x，y)為(x,y)位置對(duì)應(yīng)的灰度值；n為圖像的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3.3 監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化客戶端電腦載荷，減輕系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本和工作量，監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用程序采用瀏覽器/服務(wù)器(browser/server，B/S)結(jié)構(gòu)。為了滿足用戶對(duì)田間農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使用Java服務(wù)器頁(yè)面(javaserver pages，JSP)技術(shù)開(kāi)發(fā)Web端，搭建配置Tomcat服務(wù)器，采用層疊樣式表(cascading style sheets，CSS)和JavaScript等相關(guān)技術(shù)對(duì)網(wǎng)站頁(yè)面進(jìn)行排版，以求達(dá)到視覺(jué)上的美觀。監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用程序包括登錄孢子圖像遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)、病情預(yù)警發(fā)布子系統(tǒng)、氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)。用戶在安裝OXC.EXE插件下的IE11瀏覽器上輸入網(wǎng)址，即可進(jìn)入登錄界面。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

根據(jù)上述研究思路，設(shè)計(jì)了病原菌孢子智能捕捉系統(tǒng)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，于2017年6月與2017年11月期間，將病原菌孢子智能捕捉系統(tǒng)和傳統(tǒng)孢子捕捉器同時(shí)放置在濟(jì)寧市汶上縣次丘農(nóng)場(chǎng)小麥田內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。運(yùn)行結(jié)果如表1所示。

表1 運(yùn)行結(jié)果

由表1可以看出，與傳統(tǒng)孢子捕捉器相比，病原菌孢子捕捉系統(tǒng)不僅具有自動(dòng)采集、自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，而且在采集孢子圖像、孢子檢測(cè)精度等方面體現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能，為農(nóng)、林業(yè)病蟲(chóng)害的防治提供了可靠保障。本系統(tǒng)同時(shí)配備了空氣溫濕度、土壤溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向等氣象因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便進(jìn)行病害發(fā)生與氣象數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前孢子捕捉器普遍存在工作效率低、孢子識(shí)別率差、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種以脈沖信號(hào)為控制信號(hào)，具有高放大倍數(shù)、高分辨率的智能農(nóng)作物病原菌孢子捕捉系統(tǒng)。田間測(cè)試表明，系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，能夠?qū)崿F(xiàn)從載玻片加載、病原菌孢子捕捉、顯微成像、圖像數(shù)據(jù)上傳和廢舊載玻片回收等操作的全自動(dòng)化，為病害監(jiān)測(cè)預(yù)警和防控工作提供了重要科學(xué)依據(jù)，對(duì)降低農(nóng)作物病害發(fā)生而造成的損失具有重要意義。