基于物聯(lián)網(wǎng)的害蟲智能監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

邱榮洲 趙健 池關香 梁勇 陳世雄 翁啟勇

摘要：[目的]針對傳統(tǒng)害蟲監(jiān)測手段存在時耗長、人工成本高、數(shù)據(jù)質量不高等問題，將性誘捕技術與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的害蟲智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對目標害蟲的自動計數(shù)。[方法]應用誘芯與高壓電網(wǎng)相結合進行害蟲誘捕，采用紅外傳感器進行害蟲計數(shù)，通過4G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。基于。net平臺開發(fā)害蟲監(jiān)測Web管理網(wǎng)站、害蟲監(jiān)測APP、數(shù)字植保微信公眾號等配套軟件系統(tǒng)，用戶可以通過電腦、手機APP、微信等多終端遠程瀏覽查詢數(shù)據(jù)。[結果]以蔬菜重要害蟲斜紋夜蛾為例，通過在廈門同安、三明尤溪的蔬菜基地的田間試驗結果顯示，廈門同安試驗點的誘捕效果為276.14%，自動計數(shù)準確率為93.52%;三明尤溪試驗點誘捕效果為162.60%，自動計數(shù)準確率為81.59%，表明該自動監(jiān)測系統(tǒng)的害蟲誘捕率和識別準確率均較高。[結論]開發(fā)的害蟲智能監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了害蟲測報的自動化和智能化，提高了害蟲監(jiān)測的效率，在害蟲預測預報中具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);害蟲監(jiān)測;數(shù)字植保;自動計數(shù)

中圖分類號：S431.9文獻標志碼：A 文章編號：1008-0384（2020）02-0235-08

0 引言

（研究意義）害蟲預警監(jiān)測是及時、有效控制其暴發(fā)成災的關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)害蟲監(jiān)測手段主要是利用性誘劑、黑光燈、殺蟲燈、黃板等來實現(xiàn)，存在人工收樣統(tǒng)計繁重、時耗長、害蟲數(shù)據(jù)質量不高等問題。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能終端、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術普及應用，害蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)采集將從傳統(tǒng)人工采樣調查向機器智能化獲取過渡。（前人研究進展）為了解決害蟲監(jiān)測上費時費力的問題，研究人員在利用圖像、聲音信號、雷達、紅外傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術研發(fā)智能化新型測報工具方面進行了大量探索，并取得了明顯進展。中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所利用昆蟲雷達監(jiān)測研究稻飛虱、稻縱卷葉螟及其天敵的遷飛規(guī)律。Eliopoulos等利用聲音監(jiān)測技術獲取儲糧害蟲種群密度。文韜等研發(fā)了一種基于紅外光電傳感器的橘小實蠅成蟲誘捕監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測橘小實蠅成蟲蟲口密度，因目標昆蟲在檢測區(qū)域出現(xiàn)直接爬出、先進后出、徘徊等常見行為，導致系統(tǒng)出現(xiàn)計數(shù)誤差。肖德琴等設計了一個基于機器視覺的橘小實蠅誘捕監(jiān)測裝備，實現(xiàn)對橘小實蠅誘捕的實時監(jiān)測和快速診斷。陳梅香等應用機器視覺定時采集、識別粘蟲板圖像，實現(xiàn)對梨小食心蟲的自動識別計數(shù)。但是農(nóng)業(yè)害蟲種類繁多，蟲態(tài)及其生活環(huán)境復雜多變，一些關鍵技術尚未能取得突破性進展，導致很多害蟲測報裝備智能化程度低，技術成熟度不高，田間害蟲數(shù)據(jù)采集基本上還是以人工為主，田間害蟲調查仍然停留在“眼看、手查、盤拍、網(wǎng)捕”的階段。（本研究切入點）利用雷達進行遷飛性昆蟲監(jiān)測的價格昂貴，在實際應用上受到一定的限制;聲音監(jiān)測技術易受環(huán)境噪音的影響，目前僅限于特定害蟲的檢測;基于機器視覺和圖像識別的監(jiān)測方法還處于試驗階段，存在著設備結構復雜、識別算法普適性差等問題，無法滿足田間生產(chǎn)應用的需要。因此，應用紅外計數(shù)傳感器，結合昆蟲信息素誘捕技術，開發(fā)一款價廉、簡單易用的害蟲智能監(jiān)測裝備十分必要。（擬解決的關鍵問題）本研究以蔬菜重要害蟲斜紋夜蛾為例，將害蟲性誘劑誘捕技術與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合，利用紅外傳感器技術進行害蟲自動統(tǒng)計，設計開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的害蟲智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)田間害蟲誘捕的遠程自動采集計數(shù)，改變傳統(tǒng)的田間害蟲監(jiān)測方法。通過構建害蟲智能監(jiān)測系統(tǒng)，提高害蟲計數(shù)效率，實現(xiàn)害蟲測報的自動化和智能化，以期為害蟲適時有效防治提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1系統(tǒng)總體框架

害蟲監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應用層組成，即采用物聯(lián)網(wǎng)的標準體系架構，如圖1所示。感知層主要通過傳感器進行信息采集，包括將溫度、濕度、實時蟲量計數(shù)，通過傳感器將模擬信號轉化為數(shù)字信號，以便處理。傳輸層主要由接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)組成，主要任務是將感知層采集到的數(shù)據(jù)通過4G無線網(wǎng)絡、接入網(wǎng)、公網(wǎng)傳輸給遠程的應用管理層。應用層負責將采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，由Web管理網(wǎng)站、害蟲監(jiān)測APP、數(shù)字植保微信公眾號等于系統(tǒng)構成，系統(tǒng)整體架構如圖1所示。

1.2感知層的技術原理

感知層主要由溫濕度傳感器、GPS模塊、紅外計數(shù)傳感器構成。溫濕度傳感器采用RS485與數(shù)據(jù)傳輸單元通訊，每隔0.5h采集1次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示精度為0.1℃。GPS位置信息通過安裝有“害蟲監(jiān)測”APP的智能終端GPS模塊來獲取，在設備安裝地點利用智能終端的GPS模塊獲取當前的經(jīng)緯度信息，并上傳服務器。紅外計數(shù)傳感器由多組940nm波段紅外發(fā)射管和多組紅外接收管形成一個紅外檢測層，紅外接收管將紅外線光信號轉變成電信號輸出，只要有害蟲通過紅外檢測層，紅外接收管接收到的紅外線就有部分被遮擋，輸出的電信號就會發(fā)生變化，根據(jù)電信號的變化量實現(xiàn)對害蟲進行計數(shù)，其計數(shù)原理是用紅外中斷傳感器感知害蟲進入監(jiān)測區(qū)引起的電阻特性差異。為減少因目標昆蟲在檢測區(qū)域出現(xiàn)直接爬出、先進后出、徘徊等行為導致的系統(tǒng)計數(shù)誤差，通過增加高壓電網(wǎng)層來規(guī)范目標害蟲進入紅外檢測區(qū)域的行為。當靶標害蟲通過專一性的性信息素引誘飛人害蟲誘殺器，首先觸到高壓電網(wǎng)被擊落，然后自由落體通過紅外計數(shù)傳感器掉人集蟲罐。當靶標害蟲通過紅外計數(shù)傳感器，紅外光幕感應觸發(fā)計數(shù)系統(tǒng)計數(shù)，數(shù)據(jù)傳輸單元將計數(shù)結果通過4G無線網(wǎng)絡實時發(fā)送到服務器。

1.3系統(tǒng)軟硬件設計

1.3.1 硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)主要由太陽能供電組件、害蟲誘殺器、智能計數(shù)系統(tǒng)、溫濕度采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸單元、集蟲罐等部件組成，系統(tǒng)結構如圖2.害蟲紅外計數(shù)傳感器是裝置的核心組件，采用廈門智恒微電子IMS框型數(shù)粒傳感器，其檢測精度φ3mm，響應時間1ms，并且低功耗，適合作為害蟲計數(shù)。溫濕度傳感器采用廈門泰勒士TS-FTMol溫濕度傳感器，通過增加溫濕度百葉箱進行防水防護，以適應田間的高溫、高濕的復雜多變生態(tài)環(huán)境。數(shù)據(jù)傳輸單元集成了微控制器、4G通信模塊、主控電路等，連接紅外計數(shù)傳感器和溫濕度傳感器，實現(xiàn)紅外計數(shù)、溫濕度自動采集，并通過4G通信模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務器。集蟲罐與計數(shù)傳感器通過防倒爬結構件進行連接，減少目標昆蟲倒爬到計數(shù)器引起的重復計數(shù)問題。

1.3.2軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)由害蟲監(jiān)測Web管理網(wǎng)站、害蟲監(jiān)測APP、害蟲監(jiān)測移動查詢端等子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)采用“B/S+C/S”分布式多層架構技術，其中手機終端害蟲監(jiān)測APP開發(fā)選用JDK（Java developmentbt）+Echpse+Android SDK（Software development kit）+ADT（Android development tools）的開發(fā)環(huán)境，并基于Android4.4版本開發(fā)。Web管理網(wǎng)站、數(shù)字植保微信公眾號的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio.NET 2013.前端采用HTML、CSS、Javascript、Aiax、jQuery等技術，后端以C#作為開發(fā)語言，以REST API形式對外提供數(shù)據(jù)服務。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選用MicrosoftSQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)用戶按角色劃分為系統(tǒng)管理員、設備日常運行維護管理員和數(shù)據(jù)查詢用戶。系統(tǒng)管理員負責監(jiān)測設備上線前的初始化工作，通過Web站點進行操作管理，包括用戶、設備監(jiān)測對象、使用單位、安裝位置等信息的配置。設備日常運行維護管理員負責指定設備的誘芯更換記錄和實時數(shù)據(jù)查詢，為方便田間操作，采用APP進行管理。數(shù)據(jù)查詢用戶是一般是系統(tǒng)使用單位的最終用戶，主要目的是利用監(jiān)測設備來分析作物生產(chǎn)過程中監(jiān)測對象（害蟲）的實時蟲量變化規(guī)律，為適時采取害蟲防治措施提供科學依據(jù)。因此，系統(tǒng)采用Web站點和微信公眾號兩種方式進行連接，可為數(shù)據(jù)查詢用戶提供小時蟲量、日蟲量、旬蟲量、月蟲量、地圖分析、歷史數(shù)據(jù)等相關數(shù)據(jù)查詢分析功能模塊。系統(tǒng)功能結構如圖3示。

（1）Web管理網(wǎng)站

Web管理端主要包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)導出等功能。系統(tǒng)管理模塊主要負責監(jiān)測任務配置，包括監(jiān)測任務、監(jiān)測對象、開始監(jiān)測日期、監(jiān)測年限、設備編號、設備安裝地點等信息管理。設備數(shù)據(jù)查詢分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)2個子模塊，其中實時數(shù)據(jù)模塊支持數(shù)據(jù)列表和折線圖表2種查詢模式，可按小時、天、旬、月進行自動分類統(tǒng)計查詢，形成時折線、天折線、旬折線、月折線，方便用戶了解設備監(jiān)測對象（害蟲）的田間種群動態(tài)情況。歷史數(shù)據(jù)模塊提供設備自動采集的原始數(shù)據(jù)的查詢，包括設備編號、監(jiān)測對象、采集時間（紅線計數(shù)觸發(fā)時間）、計數(shù)數(shù)量、溫度、濕度、上傳時間等信息。數(shù)據(jù)分析主要采用地圖進行展示分析，一般按地市進行各指標的匯總分析，利用超圖公司的地圖服務接口，進行直觀圖查詢。數(shù)據(jù)導出作為與對外的數(shù)據(jù)接口，采用通用的Excel格式導出，包括按各種分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)的導出。

（2）手機APP

害蟲監(jiān)測APP是系統(tǒng)設備安裝人員提供現(xiàn)場信息管理的工具，包括安裝地點的GPS位置獲取、周邊環(huán)境圖片采集、設備管理員信息維護、誘芯更換管理以及設備調試。設備安裝維護人員可以通過APP實時查看空氣溫度、濕度、紅外計數(shù)等數(shù)據(jù)，來判斷設備數(shù)據(jù)是否正常工作。該APP也是設備管理員進行日常數(shù)據(jù)查看、誘芯更換記錄的工具。

（3）微信公眾號

隨著微信在農(nóng)村地區(qū)的普及應用，成為繼廣播、電視之后的農(nóng)民獲取信息的另一重要渠道，通過微信公眾號進行查詢數(shù)據(jù)可以降低用戶的使用門檻。因此，開通“數(shù)字植?！蔽⑿殴娞?，可方便用戶進行數(shù)據(jù)查詢，并提交查詢效率。系統(tǒng)采用基于HTML5開發(fā)適用于手機端的查詢，既可鏈接微信公眾號，也支持手機瀏覽器進行查詢。主要將監(jiān)測地點的圖片、日蟲量實時統(tǒng)計、實時濕度、濕度、24h蟲量、近1月蟲量等數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個界面中，便于了解當前田間害蟲發(fā)生情況。

1.4 田間試驗與評價方法

在廈門市同安區(qū)五顯鎮(zhèn)四林村（GPS：E118°8'41"，N24°46'35'。）、三明市尤溪縣西城鎮(zhèn)北宅村（GPS：E119°3'21"，N26°15'1"）的蔬菜種植基地，對系統(tǒng)監(jiān)測能力進行田間測試。每個監(jiān)測點安裝l臺害蟲智能監(jiān)測裝置，1個夜蛾通用誘捕器作為對照。監(jiān)測裝置以及夜蛾通用誘捕器距地面1.2m，兩者相隔50m.監(jiān)測日期分別為2019年5月18至31日、5月25日至6月7日，誘芯為漳州英格爾公司生產(chǎn)的斜紋夜蛾微管誘芯，每天早上7：00-9：oo對誘捕的斜紋夜蛾成蟲進行人工計數(shù)。

害蟲自動計數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的評價方法將智能監(jiān)測裝置、夜蛾通用誘捕器上誘集的害蟲進行人工計數(shù)，以評價智能監(jiān)測裝置對害蟲的誘捕效果（Trappingeffect，TE）。將智能監(jiān)測裝置自動計數(shù)的數(shù)量，以人工計數(shù)作為對照，用計數(shù)準確率（Counting accuracy，CA）評價指標評價害蟲的自動計數(shù)效果。

式中，P1表示智能監(jiān)測裝置誘捕的害蟲數(shù)量，P₂表示夜蛾通用誘捕器誘捕的害蟲數(shù)量。Q₁表示智能監(jiān)測自動計數(shù)的害蟲數(shù)量，Q₂表示人工計數(shù)的害蟲數(shù)量。

2 結果與分析

2.1軟件應用測試

本系統(tǒng)開發(fā)了害蟲監(jiān)測Web管理網(wǎng)站、害蟲監(jiān)測APP應用、害蟲監(jiān)測移動查詢端，主要功能包括：任務管理、設備管理、實時數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)查看、地圖分析、數(shù)據(jù)導出等功能。下面分別按子系統(tǒng)對相關主要功能進行測試。

（1）系統(tǒng)管理

在Web管理網(wǎng)站登錄頁輸入用戶名、密碼后，進入任務管理，可以發(fā)起任務、修改任務和停用任務。切換到設備管理，可以對設備信息進行增、刪、改、查操作。系統(tǒng)管理員還可以通過害蟲監(jiān)測APP進行設備管理，如圖4a所示。通過APP設備管理的位置獲取，可自動獲取當前安裝地點的GPS信息，還可以利用APP采集周邊環(huán)境圖片并上傳，以及對設備管理員的信息進行維護，對誘芯更換信息進行記錄。

（2）數(shù)據(jù)查看

登錄Web管理網(wǎng)站，進入實時監(jiān)測的小時數(shù)據(jù)列表，如圖4b所示。可以通過任務列表和設備列表查詢相關設備的實時數(shù)據(jù)，也可以按天、旬、月進行自動分類統(tǒng)計，以及查看時折線、夭折線、旬折線、月折線等圖表，如圖4c所示。切換到歷史數(shù)據(jù)，可查看每臺設備每一次觸發(fā)的具體時間及溫濕度信息。設備維護員還可以登錄APP查看實時數(shù)據(jù)，先進入任務列表，選擇某個監(jiān)測任務，可實時顯示該任務下所有設備的當前數(shù)據(jù)。微信用戶還可以通過微信公眾號進行查看數(shù)據(jù)。先關注“數(shù)字植保”公眾號，進入害蟲監(jiān)測，選擇某個監(jiān)測任務下的某個監(jiān)測點，可查看該監(jiān)測地點的圖片、日蟲量實時統(tǒng)計、實時濕度、濕度、24h蟲量、近1月蟲量等數(shù)據(jù)，如圖4d所示。

（3）數(shù)據(jù)分析與導出

登錄Web管理網(wǎng)站，點擊數(shù)據(jù)分析，選擇某個監(jiān)測任務，可查看該任務所有設備的害蟲發(fā)生量按地市區(qū)劃的匯總分析的直觀圖。點擊導出Excel，可將當前數(shù)據(jù)導成Excel文件。

2.2 田間測試效果

將智能監(jiān)測系統(tǒng)自動計數(shù)的蟲量、人工計數(shù)蟲量、對照夜蛾通用誘捕器誘捕蟲量進行分類匯總，應用公式（1）進行誘捕效果計算，公式（2）進行自動計數(shù)準確率計算。結果（表1）表明，廈門同安試驗點智監(jiān)測系統(tǒng)在2019年5月18～31日的14d內，自動計數(shù)的蟲量為1551只、人工計數(shù)1497只、夜蛾通用誘捕器的蟲量為656只，平均誘捕效果為276.14%;三明尤溪試驗點智監(jiān)測系統(tǒng)在2019年5月24～6月7日的14d內，自動計數(shù)的蟲量為64只、人工計數(shù)為56只、夜蛾通用誘捕器為50只，平均誘捕效果為162.60%。2個監(jiān)測點的平均誘捕效果均大于100%，表明無論田間蟲量大小，智能監(jiān)測系統(tǒng)的誘蟲效果要好于對照的夜蛾通用誘捕器，可提高害蟲測報的準確度。此外，人工計數(shù)中還發(fā)現(xiàn)集蟲罐有零星的蚊科和胡蜂科昆蟲，高壓電網(wǎng)粘有完整和不完整蟲體現(xiàn)象。

應用公式（2）進行自動計數(shù)準確率計算，廈門同安試驗點智監(jiān)測系統(tǒng)平均計數(shù)準確率為93.52%、三明尤溪試驗點為81.59%。從日蟲量變化曲線（圖5）上看，自動計數(shù)與人工計數(shù)的蟲量基本一致，日變化曲線峰值高度擬合，能夠分析害蟲的發(fā)生高峰期、發(fā)生程度，可以滿足害蟲測報的應用要求。但是，通過自動計數(shù)與人工計數(shù)的日蟲量差異比較發(fā)現(xiàn)，2個試驗點均存在漏計或重復計數(shù)問題。結合測試結果初步推測，引起誤差可能原因有：（1）同一時間有多只害蟲觸網(wǎng)，而紅外計數(shù)只產(chǎn)生1次觸發(fā)記錄，引起系統(tǒng)漏計;（2）受監(jiān)測點生境差異影響，存在非靶標害蟲隨機誤人誘捕器的情況，引起系統(tǒng)重復計數(shù);（3）零星靶標害蟲被高壓電網(wǎng)擊碎，引起系統(tǒng)重復計數(shù)。

3 討論與結論

物聯(lián)網(wǎng)因其能透徹感知、可靠傳輸、智能處理等強大功能逐步在農(nóng)業(yè)中得到應用。本研究設計開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的害蟲智能監(jiān)測設備及配套軟件系統(tǒng)，在硬件上，實現(xiàn)了監(jiān)測點實時發(fā)生蟲量的自動采集上傳。在軟件上，基于net平臺開發(fā)了害蟲監(jiān)測Web管理網(wǎng)站、害蟲監(jiān)測APP、數(shù)字植保微信公眾號等配套軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了用戶可以通過電腦、手機APP、微信等多終端遠程瀏覽查詢數(shù)據(jù)。系統(tǒng)以斜紋夜蛾為例，在廈門同安、三明尤溪進行田間試驗，結果顯示，廈門同安試驗點的誘捕效果為276.14%，自動計數(shù)準確率為93.52%;三明尤溪試驗點誘捕效果為162.60%，自動計數(shù)準確率為81.59%，害蟲誘捕率和識別準確率均高，可以作為害蟲測報的依據(jù)。

在試驗過程中，仍然存在一些不足，需進一步整改與完善使其生產(chǎn)應用的需要，如：在監(jiān)測準確度方面，因監(jiān)測生態(tài)環(huán)境復雜多變，存在零星非目標害蟲誤人問題，以及高壓電網(wǎng)粘蟲問題，影響計數(shù)的準確性;在試驗設計方面，尚未開展誘捕的蟲量與田間蟲量的對比試驗，設備監(jiān)測到的蟲量是否能代表田間的種群密度，將在后續(xù)的工作中進一步驗證完善。試驗結果表明，開發(fā)設計的害蟲智能監(jiān)測裝置結構合理，軟件界面設計友好，易于用戶操作;該裝置可提高害蟲監(jiān)測的效率，改變傳統(tǒng)的害蟲監(jiān)測方法，實現(xiàn)害蟲測報的自動化、遠程化、精確化、實時化，在害蟲預測預報中具有廣闊的應用前景。