松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張福山，楊際偉，何學(xué)友，蔡守平，林永群

(1.福建省科技廳農(nóng)牧業(yè)科研中試中心，福建 福州 350012； 2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012)

松墨天牛(MonochamusalternatesHope)是我國(guó)松樹的毀滅性病害松材線蟲病(Bursaphelenchusxylophilus)的主要媒介昆蟲[1]。在松材線蟲的擴(kuò)散和侵染過程中，松墨天牛起著攜帶、傳播和協(xié)助病原侵入寄主的關(guān)鍵性作用。松材線蟲病侵入我國(guó)30年來，累計(jì)致死松樹5億多株，毀滅松林33.33萬hm2以上，造成極大經(jīng)濟(jì)損失[2]，嚴(yán)重影響所在林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。因此，松墨天牛蟲情的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與預(yù)警對(duì)提高松材線蟲防控能力，保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)具有十分重要的作用。

松墨天牛成蟲期長(zhǎng)達(dá)210 d(4—10月)，平均監(jiān)測(cè)期有180 d左右(30周)[3]。目前，松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)主要是依靠誘捕器+引誘劑誘捕后進(jìn)行人工計(jì)數(shù)[4-5]，頻率一般為7 d一次，工作環(huán)境較為惡劣，工作量大，人工成本高；并且集蟲筒中松墨天牛蟲體易腐爛，從而導(dǎo)致蟲口計(jì)數(shù)存在誤差。

蟲害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)是一項(xiàng)跨學(xué)科高度集成的系統(tǒng)技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，害蟲智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的研究進(jìn)程也開始加快，在林業(yè)害蟲方面的研究應(yīng)用也不斷增多，但在松材線蟲及其傳媒松墨天牛監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的研究較少。李念祥等[6]采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)松材線蟲病零星病害木進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)數(shù)；葛宏立[7]采用遙感圖像技術(shù)對(duì)松材線蟲病零星病害木進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。關(guān)于松墨天牛的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，尚未有研究報(bào)道。本文根據(jù)松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)的技術(shù)需求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等新技術(shù)，研究設(shè)計(jì)一套松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)松墨天牛蟲情實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警，提高松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性，有利于制定、實(shí)施科學(xué)防控措施，為及時(shí)控制松墨天牛蟲口數(shù)量、防治松材線蟲病擴(kuò)散傳播，減輕松材線蟲病帶來的損失提供可能。

1 松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)因素

1.1 誘捕數(shù)量

通過對(duì)松墨天牛連續(xù)、定點(diǎn)誘捕，統(tǒng)計(jì)捕蟲數(shù)量并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，是最直接有效的松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。其中，捕蟲數(shù)量統(tǒng)計(jì)工作的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性十分重要，能夠真實(shí)有效地反映松墨天?；顒?dòng)規(guī)律。為進(jìn)一步佐證捕蟲情況，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程圖像抓拍系統(tǒng)，定時(shí)抓拍捕蟲瓶圖像。

1.2 空氣溫度與空氣濕度

空氣溫度與空氣濕度影響松墨天牛的壽命、羽化率[8]，進(jìn)而影響松墨天牛的發(fā)生程度[9]。高溫和高濕可以增加松墨天牛的羽化率。究其原因，可能是高溫條件可以加快其發(fā)育速率，使松墨天牛盡早完成生活史。因此盡管壽命縮短，但羽化率較高。高濕度條件對(duì)于松墨天牛的存活更加重要，長(zhǎng)時(shí)間處于高濕狀態(tài)下，可以減少水分蒸發(fā)，延長(zhǎng)壽命，進(jìn)而提升其羽化率[8]。翁少容[9]研究表明，氣溫能夠顯著影響松墨天牛的發(fā)生面積，隨著年均溫的升高，該蟲為害面積增大。因此，注重對(duì)松墨天?；顒?dòng)環(huán)境中空氣溫度與空氣濕度的分析應(yīng)用，可為松墨天牛的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考。

2 松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)方法

2.1 監(jiān)測(cè)參數(shù)

由上面分析可知，松墨天牛需著重監(jiān)測(cè)3個(gè)參數(shù)：捕蟲數(shù)量、空氣溫度、空氣濕度。捕蟲數(shù)量是松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)核心指標(biāo)，空氣溫度與空氣濕度用于綜合分析松墨天牛生活習(xí)性與活動(dòng)規(guī)律。監(jiān)測(cè)這3個(gè)參數(shù)的變化情況并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，能夠較好地實(shí)現(xiàn)松墨天?？茖W(xué)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

2.2 監(jiān)測(cè)范圍、周期和頻率

目前，福建松墨天牛成蟲期長(zhǎng)達(dá)210 d(4—10月)，平均監(jiān)測(cè)期有180 d左右。選擇有松墨天牛蟲害的森林布設(shè)松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)。捕蟲數(shù)量實(shí)時(shí)在線統(tǒng)計(jì)，空氣溫度與空氣濕度每10 min記錄并上報(bào)1次，圖像每6 h抓拍1次，起始時(shí)間為00∶00。在福州國(guó)家森林公園設(shè)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

根據(jù)松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)預(yù)警的技術(shù)需求，采用智能監(jiān)測(cè)、預(yù)警與專家決策相結(jié)合的技術(shù)路線，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)松林中松墨天牛誘捕情況，記錄蟲情監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的空氣溫度和空氣濕度，通過移動(dòng)通信與云服務(wù)技術(shù)支持，提供及時(shí)準(zhǔn)確的松墨天牛誘捕數(shù)量及預(yù)警信息。同時(shí)，管理員可利用云平臺(tái)，結(jié)合記錄空氣溫度與空氣濕度數(shù)據(jù)，對(duì)松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行系統(tǒng)性分析，作出科學(xué)的蟲情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖2 松墨天牛智能誘捕器主要硬件配置示意圖

4 硬件子系統(tǒng)的配置與優(yōu)化

根據(jù)松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的要求，硬件子系統(tǒng)即為松墨天牛智能誘捕器，構(gòu)建目標(biāo)為研發(fā)配置出性能穩(wěn)定、可靠的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品。其要求：一是誘捕裝置與參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置牢固、穩(wěn)定、可靠，并能適應(yīng)復(fù)雜的森林環(huán)境，如高濕環(huán)境、野生動(dòng)物破壞等；二是產(chǎn)品要適應(yīng)森林山區(qū)通訊信號(hào)差及沒有有線電源的特殊情況。

經(jīng)設(shè)計(jì)，本硬件子系統(tǒng)采用松墨天牛信息引誘劑對(duì)松墨天牛定向誘捕，采用6000 V高壓直流電擊殺松墨天牛；計(jì)數(shù)裝置采用光電計(jì)數(shù)器對(duì)落入捕蟲瓶的松墨天牛進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，抓拍裝置采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)遠(yuǎn)程抓拍捕蟲瓶圖像，輔助統(tǒng)計(jì)分析捕蟲情況，以信息采集裝置為通信核心組件進(jìn)行遠(yuǎn)程信息傳輸，采用太陽能供電裝置提高戶外應(yīng)用能力。智能誘捕器主要硬件配置示意圖見圖2。

4.1 信息采集器

選擇廈門四信物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司的F9164-N型遠(yuǎn)程測(cè)控終端(即RTU)作為信息采集器的基礎(chǔ)硬件，以此為基礎(chǔ)從硬件與軟件方面開發(fā)與優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)松墨天牛智能誘捕器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸與指令下達(dá)等功能。如圖3所示，信息采集器基于“通信控制處理器(ARM9嵌入式系統(tǒng))+GPRS模塊”。通信控制處理器集成2個(gè)RS232接口、2個(gè)RS485接口、4路模擬量輸入接口(16位AD)、2路開關(guān)量輸入接口、2路開關(guān)量(I/O)輸出接口(繼電器驅(qū)動(dòng))，內(nèi)置溫度測(cè)量，片內(nèi)FLASH實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存，內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)時(shí)，采樣頻率85.6 ksps；支持GPRS、CDMA、3G、4G等通信方式，短信為備份傳輸通道。信息采集器軟件部分以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為支撐平臺(tái)，遵守MODBUS協(xié)議，報(bào)文協(xié)議采用HJ/T212通訊協(xié)議；采用模塊化設(shè)計(jì)，分為初始化模塊、參數(shù)配置模塊、GPRS鏈路建立模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等。

智能誘捕器功能組件接入信息采集器說明：光電計(jì)數(shù)器以開關(guān)量輸入；空氣溫度與空氣濕度傳感器接RS485通訊接口，風(fēng)扇接開關(guān)量輸出1(繼電器K1)，與空氣濕度關(guān)聯(lián)；網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接RS485通訊接口，與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)關(guān)聯(lián)。

圖3 信息采集器結(jié)構(gòu)與配置圖

信息采集器設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠：WDT設(shè)計(jì)，防止程序發(fā)生死循環(huán)；內(nèi)置15KV ESD保護(hù)，電源接口內(nèi)置反相保護(hù)和過壓保護(hù)，天線接口具有防雷保護(hù)；寬電源輸入(DC 5～36 V)，寬溫設(shè)計(jì)，耐高低溫，耐強(qiáng)電磁干擾；低功耗設(shè)計(jì)：支持多種工作模式(包括自報(bào)式、查詢式、兼容式等)，最大限度降低功耗。

4.2 高壓電網(wǎng)裝置

高壓電網(wǎng)裝置用于擊殺松墨天牛。高壓電網(wǎng)上部為圓形塑料頂蓋，下部為塑料漏斗，中間為松墨天牛信息引誘劑(采用福建省林業(yè)科學(xué)研究院FJ-MA-02松墨天牛引誘劑)。松墨天牛經(jīng)信息引誘劑吸引，觸碰高壓電網(wǎng)后被擊傷(高壓電網(wǎng)24 h帶電，高壓發(fā)生器使高壓電網(wǎng)瞬間電壓達(dá)到6000 V)，落入捕蟲瓶中。

4.3 計(jì)數(shù)裝置

采用漫反射型光電計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)裝置，松墨天牛蟲體經(jīng)光滑通道落入捕蟲瓶前被光電計(jì)數(shù)器感應(yīng)計(jì)數(shù)。安裝網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，遠(yuǎn)程抓拍捕蟲瓶圖像，以驗(yàn)證捕蟲計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性，并檢查捕蟲與計(jì)數(shù)裝置運(yùn)行情況。

4.4 空氣溫度與空氣濕度傳感器

選擇485通訊型空氣溫度與空氣濕度傳感器。溫度傳感器用NTC熱敏電阻制作，溫度變化轉(zhuǎn)為電壓變化，經(jīng)儀用放大器放大后通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給主機(jī)處理[10]。空氣濕度傳感器類型為霍尼韋爾型，采用激光微調(diào)設(shè)計(jì)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，低漂移的特點(diǎn)?？諝鉁囟葌鞲衅髋c空氣濕度傳感器安裝在塑料百葉箱的一端。為解決陰雨、高濕天氣傳感器結(jié)露失準(zhǔn)的問題，在塑料百葉箱另一端安裝直流風(fēng)扇，在空氣濕度飽和時(shí)開啟，以加速空氣流動(dòng)的方式去除傳感器結(jié)露，恢復(fù)傳感器的信息感知功能。

4.5 供電裝置

為方便戶外用電并提高設(shè)備續(xù)航能力，采用太陽能供電模式。主要組件有多晶硅太陽能板、免維護(hù)鉛酸蓄電池組、充放電控制器。合理選擇太陽能板大小與蓄電池規(guī)格，優(yōu)化供電、充電、放電控制。選擇低功耗用電元器件，采用部分裝置定時(shí)啟動(dòng)、信息定時(shí)傳輸?shù)姆绞?，進(jìn)一步節(jié)省用電量，提高林下太陽能蓄電緩慢情況下系統(tǒng)的續(xù)航能力。

4.6 防護(hù)措施

考慮山地、林地惡劣環(huán)境，配套設(shè)計(jì)一系列防護(hù)裝置。智能誘捕器的安裝機(jī)柜為不銹鋼材質(zhì)，牢固耐用，基部配水泥基座，防傾倒，頂部配雨遮，防風(fēng)防雨，設(shè)計(jì)排水孔、通風(fēng)百葉、避雷引線。在供電裝置中加入電量過充、過放保護(hù)元件，防高壓回流保護(hù)元件，防止連續(xù)放電導(dǎo)致燈體自燃；加入雨控元件，在暴雨天氣，高壓電網(wǎng)自動(dòng)斷電保護(hù)。

5 軟件子系統(tǒng)的開發(fā)

圖4 三層式Web結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖6 松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)應(yīng)用功能圖

軟件子系統(tǒng)即松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)，通過對(duì)松墨天牛蟲害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行剖析，以松墨天牛發(fā)生過程中所表現(xiàn)出來的與警源、警兆、警情相關(guān)的不同風(fēng)險(xiǎn)因子作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，建立松墨天牛監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系框架和內(nèi)容；并對(duì)預(yù)警指標(biāo)體系指標(biāo)值權(quán)重進(jìn)行設(shè)置，構(gòu)建松墨天牛的監(jiān)測(cè)預(yù)警模型。系統(tǒng)開發(fā)操作系統(tǒng)平臺(tái)為Windows xp/7/10，服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows server 2008、Tomcat；編程語言為Java。系統(tǒng)開發(fā)所使用關(guān)鍵技術(shù)有：Free Marker模版技術(shù)、數(shù)據(jù)庫連接池Druid技術(shù)、安全權(quán)限框架Shiro技術(shù)、Ehcache分布式緩存技術(shù)。

系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)采用“tomcat + java + mysql”構(gòu)成三層式Web結(jié)構(gòu)(圖4)，使用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)信息，前臺(tái)通過動(dòng)態(tài)技術(shù)生成所需頁面的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布，將客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)與Web密切結(jié)合，完成前后端兩者的集成輸出功能。手機(jī)客戶端采用H5的Hybrid APP 開發(fā)模式。松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見圖5。

信息管理系統(tǒng)開發(fā)有電腦客戶端與手機(jī)客戶端(支持安卓系統(tǒng))2個(gè)版本。如圖6所示，手機(jī)客戶端主要功能有：實(shí)時(shí)在線查看松墨天牛監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，接收預(yù)警信息，查看歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，獲得專家預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息等。電腦客戶端除了具有手機(jī)客戶端所有功能，還具有以下功能：用戶管理，完成系統(tǒng)用戶的查詢、增加、刪除、修改、分配用戶權(quán)限、初始化密碼等操作；設(shè)備管理，根據(jù)硬件子系統(tǒng)核心設(shè)備編號(hào)，增加、刪除或修改松墨天牛蟲情監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息；系統(tǒng)備份，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行安全備份等。

監(jiān)測(cè)、預(yù)警方式有：手機(jī)客戶端、電腦客戶端、短信、電話等。軟件子系統(tǒng)通過多種監(jiān)測(cè)預(yù)警方式確保監(jiān)測(cè)預(yù)警信息有效送達(dá)。

6 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)空氣溫度、濕度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)不斷線，監(jiān)測(cè)的空氣溫度、濕度與氣象標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)、濕度計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比較，誤差平均絕對(duì)值分別為0.3 ℃、3.6% RH。隨著空氣溫度與空氣濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不斷積累，結(jié)合松墨天牛誘捕計(jì)數(shù)情況，可以進(jìn)行蟲情活動(dòng)規(guī)律相關(guān)性分析，為松墨天牛的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考。

開展林間技術(shù)系統(tǒng)測(cè)試。在福州國(guó)家森林公園松材線蟲病發(fā)生區(qū)域分別布設(shè)松墨天牛智能誘捕器(智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng))和APF-1型松墨天牛誘捕器，每15 d統(tǒng)計(jì)1次松墨天牛誘捕情況。蟲口總數(shù)量=易識(shí)別蟲口數(shù)量+難識(shí)別蟲口數(shù)量，式中：蟲口數(shù)量以頭、胸、腹能識(shí)別齊全的蟲體為1次計(jì)數(shù)；易識(shí)別蟲口指蟲體頭、胸、腹部分基本完整并連成一體，容易識(shí)別并計(jì)數(shù)的蟲體；難識(shí)別蟲口是指蟲體因腐爛、分解原因，蟲體頭、胸、腹不能完整連接，但可以識(shí)別并進(jìn)行拼湊，每拼湊1組為計(jì)數(shù)1次。計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率=(易識(shí)別蟲口數(shù)量/蟲口總數(shù)量)×100%，部分松墨天牛蟲體腐爛分解較為嚴(yán)重，頭、胸、腹部分不能成組拼湊，難以計(jì)數(shù)，因此APF-1型松墨天牛誘捕器實(shí)際計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率低于統(tǒng)計(jì)值。誘捕器中落入的其它昆蟲或物體是造成計(jì)數(shù)誤差的另一個(gè)原因，下一步將針對(duì)此問題進(jìn)一步研究。

試驗(yàn)結(jié)果(表1)顯示：松墨天牛智能誘捕器的平均計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率為93.11%，APF-1型松墨天牛誘捕器的平均計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率為80.53%。新技術(shù)的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度相對(duì)提高15.48%，且沒有發(fā)現(xiàn)誘捕的蟲體腐爛分解，避免了傳統(tǒng)誘捕器誘捕的部分蟲體腐爛分解造成的計(jì)數(shù)誤差。

表1 技術(shù)應(yīng)用對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

7 小結(jié)

本文根據(jù)松墨天牛監(jiān)測(cè)預(yù)警的技術(shù)需求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云服務(wù)技術(shù)，研制出一套松墨天牛智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)松墨天牛的誘捕，并對(duì)誘捕的松墨天牛發(fā)生數(shù)量、活動(dòng)規(guī)律及生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，為松墨天牛綜合控制策略制定提供技術(shù)支撐。技術(shù)測(cè)試結(jié)果表明，該技術(shù)系統(tǒng)的智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警功能具有準(zhǔn)確度高、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，可顯著提高工作效率，有助于提高對(duì)松墨天牛監(jiān)測(cè)預(yù)警及松材線蟲疫情的防控能力。