胡古月，汪小旵*，魯偉，李雪，Morice O.ODHIAMBO

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

基于Hilbert變換的害蟲(chóng)自動(dòng)計(jì)數(shù)和發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡古月1,2，汪小旵1,2*，魯偉1,2，李雪1,2，Morice O.ODHIAMBO1,2

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

基于希爾伯特變換(Hilbert)，設(shè)計(jì)了害蟲(chóng)自動(dòng)計(jì)數(shù)和遠(yuǎn)程發(fā)布預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由殺蟲(chóng)燈、采集卡、變壓器、PC機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、路由器等硬件設(shè)備組成，運(yùn)行時(shí)，殺蟲(chóng)燈高壓網(wǎng)端的電壓信號(hào)經(jīng)變壓器降壓，采集卡采集降壓后的殺蟲(chóng)網(wǎng)電壓，采集卡通過(guò)USB口與PC機(jī)相連，PLC通過(guò)串口與PC機(jī)相連。用LabVIEW軟件作為平臺(tái)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，得到信號(hào)的瞬時(shí)幅值，當(dāng)瞬時(shí)幅值小于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)串口給PLC發(fā)送Modbus指令，PLC接收到指令后對(duì)相應(yīng)寄存器進(jìn)行計(jì)數(shù)。利用PLC和MySCADA組態(tài)軟件對(duì)PLC寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布，手機(jī)端、遠(yuǎn)程桌面端都可監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)害蟲(chóng)計(jì)數(shù)值。對(duì)采集到的714只害蟲(chóng)觸網(wǎng)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，從中任意選4組共7個(gè)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行演示，結(jié)果系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別7個(gè)擾動(dòng)區(qū)，并通過(guò)手機(jī)端和遠(yuǎn)程桌面端顯示。

害蟲(chóng)自動(dòng)計(jì)數(shù)；數(shù)據(jù)采集；希爾伯特變換；串口通信；遠(yuǎn)程發(fā)布

目前對(duì)農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)的傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，受諸多因素的影響，自動(dòng)化水平和實(shí)用性受到限制[1–2]聲音信號(hào)監(jiān)測(cè)法，受環(huán)境噪聲干擾大；圖像識(shí)別法，成本高，圖像處理時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差，后期維護(hù)工作量大；多觸點(diǎn)光電感應(yīng)方式也存在設(shè)備成本高，觸點(diǎn)數(shù)量影響檢測(cè)精度的問(wèn)題[3]。

筆者將害蟲(chóng)觸網(wǎng)時(shí)刻的暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)提取與分離，用希爾伯特變換(Hilbert)[4–6]將采集信號(hào)進(jìn)行分解，得到分解信號(hào)的瞬時(shí)幅值，根據(jù)瞬時(shí)幅值的顯著減少來(lái)判斷是否對(duì)害蟲(chóng)進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)，當(dāng)不斷檢測(cè)到害蟲(chóng)時(shí)，通過(guò)串口使可編程邏輯控制器(PLC)的某一寄存器累加，利用公網(wǎng) IP和MySCADA將PLC數(shù)值遠(yuǎn)程發(fā)布，最終實(shí)現(xiàn)害蟲(chóng)的自動(dòng)計(jì)數(shù)與發(fā)布?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1 系統(tǒng)的組成及工作流程

系統(tǒng)由自動(dòng)計(jì)數(shù)模塊和遠(yuǎn)程發(fā)布模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of system structure

殺蟲(chóng)燈電網(wǎng)間的電壓高達(dá)2 300 V，經(jīng)過(guò)變壓器降壓后，由采集卡進(jìn)行采集，上位機(jī) LabVIEW通過(guò)安裝數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)DAQmx獲得采集卡采集的電壓信號(hào)，對(duì)原信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，獲得信號(hào)的瞬時(shí)幅值，通過(guò)信號(hào)瞬時(shí)幅值的顯著減少來(lái)判斷害蟲(chóng)是否觸網(wǎng)。LabVIEW通過(guò)VISA串口驅(qū)動(dòng)，可與PLC進(jìn)行串口通信，當(dāng)滿(mǎn)足害蟲(chóng)計(jì)數(shù)條件時(shí)，發(fā)送Modbus指令進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過(guò)以太網(wǎng)將PLC連入局域網(wǎng)，將 PLC內(nèi)部寄存器的數(shù)值進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布。SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)記錄遠(yuǎn)程發(fā)布服務(wù)器上的害蟲(chóng)計(jì)數(shù)值等相關(guān)數(shù)據(jù)，可以查看數(shù)據(jù)記錄表和曲線(xiàn)圖。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

殺蟲(chóng)燈采用佳多科工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的佳多牌頻振式殺蟲(chóng)燈，有光控系統(tǒng)，防雨水雷擊誤觸，適用于田間果園。殺蟲(chóng)燈燈管涂有生物光源熒光粉，誘殺害蟲(chóng)數(shù)量多、種類(lèi)多，能夠有效保護(hù)天敵。殺蟲(chóng)網(wǎng)由2根橫網(wǎng)交替繞制，相鄰殺蟲(chóng)網(wǎng)間的電壓高達(dá)2 300 V。

使用NI USB6002采集卡，該采集卡每秒最高可采集50 000個(gè)點(diǎn)，8路模擬輸入通道，4路差分通道，差分輸入的負(fù)極必須連接一個(gè)100 k?的電阻到 AIGND，否則采集失準(zhǔn)。從高壓殺蟲(chóng)網(wǎng)的任意相鄰兩端引出，經(jīng)變壓器降壓到10 V以?xún)?nèi)，連接采集卡的差分通道進(jìn)行采集。

系統(tǒng)所用的PLC是矩形科技N80M21型，該小型PLC自帶以太網(wǎng)口和Modbus協(xié)議，可進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布。通過(guò)USB轉(zhuǎn)485連接線(xiàn)，將PLC與上位機(jī)相連，LabVIEW通過(guò)發(fā)送Modbus指令與PLC進(jìn)行通信，控制PLC的內(nèi)部寄存器的計(jì)數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 Hilbert變換

害蟲(chóng)觸網(wǎng)的擾動(dòng)情況和電網(wǎng)機(jī)械故障中的擾動(dòng)情況十分相似：無(wú)擾動(dòng)情況下，原信號(hào)是正常的交流信號(hào)，當(dāng)某時(shí)刻害蟲(chóng)觸網(wǎng)，會(huì)造成原信號(hào)幅值和頻率的改變。均利用Hilbert變換對(duì)含有正常信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)的混合信號(hào)進(jìn)行提取分離，識(shí)別出擾動(dòng)信號(hào)的區(qū)域[7–11]。

原信號(hào)經(jīng)Hilbert變換后得到虛部信號(hào)，再由原信號(hào)和虛部信號(hào)得到瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)相位[12]，利用瞬時(shí)幅值的變化來(lái)判斷有無(wú)害蟲(chóng)觸網(wǎng)。

3.2 自動(dòng)計(jì)數(shù)模塊

系統(tǒng)采用LabVIEW軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)[13–14]，主要完成信號(hào)采集、信號(hào)處理和串口通信的設(shè)計(jì)。第一，信號(hào)采集，利用DAQ采集助手設(shè)置采集模式為連續(xù)采樣，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，按鍵停止，每秒采集1 000個(gè)點(diǎn)，采樣點(diǎn)數(shù)30 000個(gè)點(diǎn)，系統(tǒng)每30 s完成1個(gè)采集周期；第二，信號(hào)處理，系統(tǒng)每30 s顯示1次采集信號(hào)波形圖，并對(duì)30 000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)30 000個(gè)數(shù)據(jù)輸入Matlab腳本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Hilbert變換，輸出瞬時(shí)幅值，并對(duì)輸出的一維瞬時(shí)幅值進(jìn)行存儲(chǔ)；第三，串口通信，每個(gè)周期的29 999個(gè)瞬時(shí)幅值數(shù)據(jù)被逐一索引，當(dāng)某個(gè)瞬時(shí)幅值小于設(shè)定值4.5 V(正常無(wú)擾動(dòng)的信號(hào)經(jīng)過(guò)Hilbert變換后的瞬時(shí)幅值都在6 V以上，取6 V以下)時(shí)，系統(tǒng)即認(rèn)為有害蟲(chóng)觸網(wǎng)，利用VISA串口函數(shù)對(duì)PLC發(fā)送Modbus指令，使PLC的1個(gè)常開(kāi)節(jié)點(diǎn)完成1次觸發(fā)，給PLC某個(gè)寄存器計(jì)數(shù)值加1。

系統(tǒng)檢測(cè)到小于設(shè)定值后，為避免重復(fù)計(jì)數(shù),跳過(guò)瞬時(shí)幅值1 500個(gè)點(diǎn)。

自動(dòng)計(jì)數(shù)模塊完成采集卡配置、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、Hilbert變換、瞬時(shí)幅值的存儲(chǔ)、瞬時(shí)幅值小于設(shè)定值的判斷、VISA初始化設(shè)置、發(fā)送 Modbus指令等。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到瞬時(shí)幅值小于4.5 V時(shí)，發(fā)指令計(jì)數(shù)，同時(shí)跳過(guò)之后的1 500個(gè)點(diǎn)繼續(xù)判斷，如果大于等于 4.5 V，繼續(xù)下一個(gè)瞬時(shí)幅值判斷。自動(dòng)計(jì)數(shù)模塊軟件流程如圖2所示。

圖2 計(jì)數(shù)模塊軟件流程Fig.2 Software flow chart of counting module

P為設(shè)定值4.5 V，小于該值計(jì)數(shù)；Q為表示瞬時(shí)幅值索引，從0開(kāi)始索引，到29 998結(jié)束，瞬時(shí)幅值小于P索引加1繼續(xù)比較，大于P則索引數(shù)加1 500，去掉中間的1 500個(gè)點(diǎn)；M表示連續(xù)多少個(gè)瞬時(shí)幅值小于P，檢測(cè)到第1個(gè)小于P的值之后就計(jì)數(shù)，當(dāng)瞬時(shí)幅值大于P時(shí)M清零。

3.3 遠(yuǎn)程發(fā)布模塊

利用PLC和MyDACAD[15–16]完成遠(yuǎn)程發(fā)布。采用矩形科技Vladder軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程，設(shè)置一個(gè)常開(kāi)節(jié)點(diǎn)，接收LabVIEW發(fā)送的寫(xiě)線(xiàn)圈指令后，產(chǎn)生一個(gè)上升沿脈沖，使用 ADDB加法器讓PLC某個(gè)寄存器的數(shù)值加1，當(dāng)寄存器值達(dá)到限定值系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，響起報(bào)警音樂(lè)，自動(dòng)或手動(dòng)均可使害蟲(chóng)數(shù)清零。PLC通過(guò)以太網(wǎng)口接入局域網(wǎng)，同時(shí)，PLC的模擬量輸入也可接入相關(guān)傳感器進(jìn)行溫度和濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)字量輸出端可接入相關(guān)控制設(shè)備，攝像頭連入局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)測(cè)。PLC軟件流程如圖 3所示，c為害蟲(chóng)數(shù)報(bào)警限定值，d為清零限定值。

圖3 PLC軟件流程Fig.3 Software flowchart of PLC

PLC程序的編寫(xiě)能夠使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，在MySCADA中，只設(shè)置需要進(jìn)行發(fā)布的PLC寄存器的地址，加載到服務(wù)器上，通過(guò)公網(wǎng)IP即可將PLC寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布。手機(jī)端首次加載工程需要連入服務(wù)器所在局域網(wǎng)，服務(wù)器端搜索到手機(jī)局域網(wǎng)IP進(jìn)行配對(duì)，即可將工程加載到手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)和電腦端一樣的功能。手機(jī)端通過(guò)組態(tài)、遠(yuǎn)程電腦端通過(guò)公網(wǎng)IP都能直接訪問(wèn)服務(wù)器端的界面和數(shù)據(jù)，并且可以查看數(shù)據(jù)記錄表和曲線(xiàn)圖了解害蟲(chóng)數(shù)量的變化趨勢(shì)。遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 蟲(chóng)情監(jiān)控系統(tǒng)的主界面Fig.4 Main interface of pests monitoring system

PLC內(nèi)置Modbus協(xié)議棧，接收Modbus協(xié)議并返回指令，Modbus指令中的寫(xiě)線(xiàn)圈指令，8個(gè)字節(jié)，分別表示設(shè)備號(hào)、功能碼、線(xiàn)圈地址高字節(jié)、低字節(jié)、數(shù)據(jù)高8位、低8位、兩2個(gè)字節(jié)的CRC16校驗(yàn)碼。

4 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)于2016年7月12日至7月26日在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院溫室進(jìn)行。20:00時(shí)開(kāi)燈試驗(yàn)，直至第2天05:00點(diǎn)，天亮后殺蟲(chóng)燈自動(dòng)關(guān)閉。遇雨天殺蟲(chóng)燈自動(dòng)關(guān)閉，不進(jìn)行試驗(yàn)。從任意2根相鄰的殺蟲(chóng)網(wǎng)端接線(xiàn)連入變壓器降壓，再接入采集卡采集，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，1 s采集1 000個(gè)點(diǎn)，每隔30 s顯示處理1次數(shù)據(jù)。設(shè)定值P取4.5 V，當(dāng)瞬時(shí)幅值小于4.5 V計(jì)數(shù)；時(shí)間間隔取1.5 s，記錄到第1個(gè)小于4.5 V的值之后，間隔1 500個(gè)點(diǎn)再開(kāi)始判斷。共記錄到714只害蟲(chóng)的擾動(dòng)區(qū)域，從中隨機(jī)選取4組共7個(gè)擾動(dòng)區(qū)域，4組原信號(hào)和經(jīng)Hilbert變換后瞬時(shí)幅值如圖5所示。

圖5 原信號(hào)和對(duì)應(yīng)分解信號(hào)瞬時(shí)幅值Fig.5 Chart of signal and its instantaneous amplitude

從圖5中可以看出，4組信號(hào)的7個(gè)擾動(dòng)區(qū)經(jīng)過(guò)Hilbert變換后，通過(guò)瞬時(shí)幅值的變化可以明顯被識(shí)別，圖5–b中, 有3個(gè)擾動(dòng)區(qū)，但是第3個(gè)擾動(dòng)區(qū)沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值4.5V以下，所以系統(tǒng)沒(méi)有計(jì)數(shù)。圖5–d、圖5–f、圖5–h都是比較常見(jiàn)的狀態(tài)，其擾動(dòng)信號(hào)都能被準(zhǔn)確識(shí)別。當(dāng)害蟲(chóng)的計(jì)數(shù)值達(dá)到限定值，遠(yuǎn)程監(jiān)控界面端會(huì)報(bào)警提示。

試驗(yàn)中雖然大多數(shù)害蟲(chóng)觸壓后的擾動(dòng)時(shí)間小于1.5 s，但也有一些害蟲(chóng)的擾動(dòng)時(shí)間大于1.5 s，擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)信號(hào)的電壓值是不斷上下波動(dòng)的，所以會(huì)造成1.5 s后的擾動(dòng)區(qū)有電壓值大于4.5 V，系統(tǒng)設(shè)置電壓值大于4.5 V進(jìn)入下一個(gè)判斷周期，系統(tǒng)還會(huì)繼續(xù)對(duì)這只害蟲(chóng)計(jì)數(shù)，因而造成該害蟲(chóng)的重復(fù)計(jì)數(shù)。增加時(shí)間間隔可以延長(zhǎng)擾動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的害蟲(chóng)的判斷周期，避免重復(fù)計(jì)數(shù)，但是可能會(huì)使該時(shí)間間隔內(nèi)的其他觸網(wǎng)的害蟲(chóng)不能計(jì)數(shù)，造成漏計(jì)的情況。不建議增加間隔時(shí)間，害蟲(chóng)高發(fā)期可以適當(dāng)減小時(shí)間間隔，以免造成害蟲(chóng)的漏計(jì)。

5 結(jié)論

害蟲(chóng)自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)用 Hilbert變換對(duì)采集到的殺蟲(chóng)網(wǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行分解，識(shí)別出害蟲(chóng)觸網(wǎng)的擾動(dòng)信號(hào)，當(dāng)分解信號(hào)瞬時(shí)幅值大于設(shè)定值時(shí)，發(fā)送指令與PLC進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)觸網(wǎng)害蟲(chóng)的準(zhǔn)確自動(dòng)計(jì)數(shù)。

害蟲(chóng)自動(dòng)發(fā)布系統(tǒng)通過(guò)PLC和MySCADA組態(tài)軟件，對(duì)PLC寄存器的數(shù)值進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布，手機(jī)端和遠(yuǎn)程電腦端都可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)。當(dāng)害蟲(chóng)計(jì)數(shù)值大于設(shè)定值，MySCADA會(huì)發(fā)出報(bào)警音，提示該時(shí)間害蟲(chóng)量多，需進(jìn)行防治。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Design of pest counting and publishing system based on Hilbert transformation

HU Guyue1,2, WANG Xiaochan1,2*, LU Wei1,2, LI Xue1,2, Morice O.ODHIAMBO1,2
(1.College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China; 2.Jiangsu Modern Facilities Agricultural Technology and Equipment Engineering Laboratory, Nanjing 210031, China)

Based on Hilbert transformation, a pest counting system and remote publishing system were designed and established.The system was composed of pest–killing lamp, acquisition card, voltage transformer, PLC, and router, etc.Under operation, the voltage from pest–killing lamp was reduced by voltage transformer, and then collected by acquisition card, which connected with PC by USB.LabVIEW was used to complete the Hilbert process to obtained the instantaneous value.When the instantaneous was less than the set value, modbus instruction was sent to PLC serial port, and PLC will count at receiving corresponding instruction.PLC and MySCADA were introduced to attain remote publishing on mobile phone and computer.Disturbance information of 714 pests were analyzed, and totally 4 terms of 7 disturbance information were listed in the paper.The result showed that the system could precisely identify 7 disturbance area, and display by mobile phone and remote computer.

counting automatically; data collection; Hilbert transform; serial port communication; remote publishing

TP273

：A

：1007-1032(2017)01-0103-05

2016–08–07

2016–10–30

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B04)；江蘇省科學(xué)技術(shù)廳項(xiàng)目(BN2014023)

胡古月(1992—)，男，江蘇常州人，碩士研究生，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備和控制研究，2014112034@njau.edu.cn；*通信作者，汪小旵，博士，教授，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備與控制研究，wangxiaochan@njau.edu.cn