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        基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的作物蟲情采集監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

        2019-12-05 07:43:40臧賀藏張建濤李國強(qiáng)
        河南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年12期
        關(guān)鍵詞:蟲情測報(bào)監(jiān)測點(diǎn)

        趙 晴,臧賀藏,張 杰,胡 峰,王 猛,張建濤,李國強(qiáng)

        (河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所/河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450002)

        目前,我國農(nóng)作物重大害蟲監(jiān)測預(yù)警信息的采集主要依靠人工觀測、調(diào)查、統(tǒng)計(jì)以及大田普查、黑光燈誘集、性誘劑誘捕等方式[1-7]。其中,人工調(diào)查需要基層農(nóng)技人員深入田間實(shí)地,調(diào)查時間長且勞動強(qiáng)度大,記錄的調(diào)查結(jié)果還需再次錄入計(jì)算機(jī)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的電子化,增加了額外的工作量。黑光燈誘集效果好,但是誘集種類多、數(shù)量大,仍需定期取樣后進(jìn)行室內(nèi)分類統(tǒng)計(jì),不僅時效性差且工作量大,相似的近源種類昆蟲難以區(qū)分,容易造成統(tǒng)計(jì)誤差[8-13]。而性誘劑誘捕以利用昆蟲性信息素為原理,對指定的田間昆蟲進(jìn)行誘集,方法簡單、應(yīng)用廣泛[14]。利用性誘芯進(jìn)行害蟲測報(bào),技術(shù)原理成熟可靠,但是需要測報(bào)人員定期取樣,帶回室內(nèi)人工分析統(tǒng)計(jì),消耗大量人力和時間,調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量差,測報(bào)結(jié)果具有一定的延時性;對無趨光性和沒有性外激素的害蟲無法進(jìn)行誘集監(jiān)測。

        本研究針對性誘測報(bào)時效性較差,害蟲田間調(diào)查數(shù)據(jù)電子化程度低等問題,利用視頻監(jiān)測、遠(yuǎn)程傳輸、圖像處理等信息技術(shù),改進(jìn)害蟲性誘測報(bào)方式,研發(fā)專用的昆蟲遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置;開發(fā)基于Android智能手機(jī)的害蟲蟲情田間采集APP端(以下簡稱APP端),優(yōu)化害蟲信息的采集和統(tǒng)計(jì)方式,構(gòu)建作物蟲情采集監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)(以下簡稱采集監(jiān)測系統(tǒng))。該系統(tǒng)以服務(wù)器為基礎(chǔ),通過遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置和APP端采集害蟲信息,由管理員用戶登錄系統(tǒng)維護(hù)蟲情等相關(guān)信息,統(tǒng)計(jì)整理后的害蟲整體發(fā)生情況,通過Web端首頁進(jìn)行綜合展示,監(jiān)測點(diǎn)用戶通過登錄系統(tǒng)查詢本地害蟲發(fā)生情況,并以手機(jī)短信的方式向指定群體發(fā)布害蟲預(yù)警信息。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 整體功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        采集監(jiān)測系統(tǒng)通過APP端,實(shí)現(xiàn)田間蟲情信息的電子化采集錄入、上傳等功能,提升田間害蟲信息采集的效率,并可查看相關(guān)的蟲情發(fā)生動態(tài)信息;結(jié)合Web端軟件及遠(yuǎn)程性誘測報(bào)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)用戶對本地害蟲蟲情發(fā)生數(shù)據(jù)的在線化管理和應(yīng)用,并通過采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置信息接收通訊錄,向指定人群發(fā)布蟲情預(yù)警信息。

        采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)采集監(jiān)測系統(tǒng)。從技術(shù)框架上,采集監(jiān)測系統(tǒng)主要分為3個層面,一是以APP端和遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集層;二是通過4G、WLAN網(wǎng)絡(luò)組成的數(shù)據(jù)傳輸層;三是對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的Web端應(yīng)用、APP端查詢的數(shù)據(jù)應(yīng)用層(圖1)。

        圖1 采集監(jiān)測系統(tǒng)分層架構(gòu)

        采集監(jiān)測系統(tǒng)由系統(tǒng)服務(wù)器及后臺數(shù)據(jù)庫、APP端、用戶Web端組成,采用了C/S和B/S混合架構(gòu)。APP端位于Android智能手機(jī)上,由用戶完成田間蟲情數(shù)據(jù)采集并上傳至蟲情信息數(shù)據(jù)庫,為C/S結(jié)構(gòu);用戶Web端通過對服務(wù)器的鏈接,完成對預(yù)警發(fā)布數(shù)據(jù)庫和蟲情信息數(shù)據(jù)庫的訪問,在Web端實(shí)現(xiàn)蟲情數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測預(yù)警等應(yīng)用,為B/S結(jié)構(gòu)(圖2)。

        1.2 角色權(quán)限及功能模塊設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)角色設(shè)計(jì)為監(jiān)測點(diǎn)用戶、管理員用戶2種,監(jiān)測點(diǎn)用戶使用APP端和Web端賬戶;管理員用戶使用Web端賬戶。

        圖2 采集監(jiān)測系統(tǒng)B/S與C/S混合構(gòu)架模式

        2種角色登錄系統(tǒng)Web端后顯示不同的界面,相應(yīng)的功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì):監(jiān)測點(diǎn)用戶界面為用戶信息維護(hù)、蟲情信息管理、監(jiān)測預(yù)警3個功能模塊。其中,蟲情信息管理包含監(jiān)測點(diǎn)蟲情信息補(bǔ)錄、查詢2個子模塊,監(jiān)測預(yù)警包含預(yù)警閾值設(shè)置、通訊錄管理、預(yù)警信息推送3個子模塊。管理員用戶界面為系統(tǒng)管理、蟲情信息管理、蟲情信息查詢、蟲情基本信息4個功能模塊,其中,系統(tǒng)管理包括用戶信息管理、站點(diǎn)信息維護(hù)、FTP目錄管理3個子模塊;蟲情信息管理包括APP調(diào)查信息管理和性誘圖像管理2個子模塊,蟲情基本信息包括作物信息、蟲名蟲態(tài)信息、作物與害蟲關(guān)系3個子模塊(圖3)。

        圖3 采集監(jiān)測系統(tǒng)角色權(quán)限及功能模塊設(shè)計(jì)

        1.3 工作流程設(shè)計(jì)

        采集監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測點(diǎn)用戶使用APP端進(jìn)行田間調(diào)查,完成蟲情信息的采集和上傳;管理員用戶通過管理遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置FTP路徑,實(shí)現(xiàn)裝置自動采集遠(yuǎn)程性誘圖片并回傳至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測點(diǎn)用戶在Web端對蟲情信息進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)和通訊錄、閾值的設(shè)置,并完成預(yù)警信息的編輯推送;管理員用戶對服務(wù)器、蟲情數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理維護(hù),完成蟲情數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和信息展示和維護(hù)(圖4)。

        1.4 遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置硬件設(shè)計(jì)

        采集監(jiān)測系統(tǒng)涉及的遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置主要包括電源、電源控制器、微型攝像頭、誘蟲陷阱、4G路由器5個部分。(1)電源,通過電源控制器后與攝像頭和路由器相連實(shí)現(xiàn)供電。(2)電源控制器為KG316T型DC12V時控開關(guān),依據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置,控制攝像頭、路由器供電的時間段。(3)微型攝像頭選用DV-IP 903 P型130萬像素微型網(wǎng)絡(luò)攝像頭,體積小巧適合安裝于誘集箱體,并可設(shè)置上傳圖像的FTP文件路徑。(4)誘蟲陷阱由昆蟲性誘芯和粘蟲板組成,用于誘殺所監(jiān)測的目標(biāo)昆蟲。(5)4G路由器為SIM卡插卡式工業(yè)路由器,用于圖像數(shù)據(jù)無線通信上傳至服務(wù)器。

        電源由太陽能板、蓄電池及充電控制器組成。太陽能板接受陽光產(chǎn)生電流,通過充電控制器變壓后給蓄電池充電。太陽能板置于立桿頂端,下方一側(cè)為測報(bào)誘集箱體,另一側(cè)為設(shè)備集成安裝的防水箱。測報(bào)誘集箱體頂端為防雨罩,罩內(nèi)安裝微型攝像頭,攝像頭正對下方平臺上的粘蟲板和誘芯;另一側(cè)防水箱內(nèi)安裝電池、電源控制器、4G路由器等(圖5)。

        圖4 采集監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

        1:立桿;2:太陽能電池板;3:防水箱;4:測報(bào)誘集箱體;5:微型攝像頭;6:性誘芯及粘板;7:電池、電源控制器、4G路由等;8:地埋基座

        2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        2.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

        APP端:基于Android Studio開發(fā)系統(tǒng);程序語言:Java;Android 4.0.3以上系統(tǒng)。Web端:基于Visual Studio 2017集成開發(fā)環(huán)境,開發(fā)語言C#、Asp.net;Windows 7操作系統(tǒng)以上。

        2.2 關(guān)鍵技術(shù)原理

        遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置主要以遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的定時拍照功能為基礎(chǔ),集合4G無線傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)性誘圖像的定時采集和回傳;對不同種類的誘蟲圖片進(jìn)行圖像預(yù)處理,構(gòu)建SVM識別模型,并基于OpenCV的Adaboost級聯(lián)分類的樹狀結(jié)構(gòu),進(jìn)行OpenCV的Traincascade程序分類器訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)圖像計(jì)數(shù);通過后臺集成SMS(Short messaging service)移動電話短信的云服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)用戶向指定人員發(fā)布預(yù)警信息。

        2.3 功能實(shí)現(xiàn)

        系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2015作為開發(fā)工具,采用B/S模式,后臺服務(wù)器采用Windows Server 2008操作系統(tǒng)和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。APP端系統(tǒng)后臺服務(wù)器為Windows Server 2008,采用Java 提供的Web Service服務(wù)用以接收APP端上傳的田間采集數(shù)據(jù),或監(jiān)測點(diǎn)用戶Web端錄入數(shù)據(jù)。性誘測報(bào)系統(tǒng)通過后臺設(shè)置FTP文件夾和回傳路徑,獲得遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置回傳的誘集圖像,圖像處理后的數(shù)據(jù)錄入后臺服務(wù)器。APP端、Web端及圖像處理數(shù)據(jù),采用統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)庫表頭字段,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化,達(dá)到APP端和Web端數(shù)據(jù)共享和兼容。

        2.4 APP端

        APP端僅提供監(jiān)測點(diǎn)用戶登錄帳號,登錄后主要分為查詢、錄入、管理3個模塊。其中,數(shù)據(jù)錄入模塊,用于監(jiān)測點(diǎn)用戶采集蟲情信息,通過依次點(diǎn)選作物、蟲名、蟲態(tài),填寫數(shù)量及備注信息后,保存在APP端本地(圖6);采集的數(shù)據(jù)在管理模塊中,由監(jiān)測點(diǎn)用戶通過點(diǎn)擊相應(yīng)選項(xiàng)進(jìn)行上傳。

        圖6 采集監(jiān)測系統(tǒng)APP端數(shù)據(jù)錄入模塊

        2.5 Web端

        監(jiān)測點(diǎn)用戶通過用戶名和密碼進(jìn)入站點(diǎn)界面,顯示為個人中心、蟲害信息、監(jiān)測預(yù)警3個模塊。通過蟲害信息模塊,可以篩選、查看、下載來自本監(jiān)測點(diǎn)的蟲情相關(guān)信息數(shù)據(jù),并提供信息添加界面,方便監(jiān)測點(diǎn)用戶對蟲情信息補(bǔ)充完善。監(jiān)測預(yù)警模塊,由監(jiān)測點(diǎn)用戶設(shè)置所監(jiān)測目標(biāo)害蟲的預(yù)警閾值,并管理本監(jiān)測點(diǎn)范圍內(nèi)的種植戶等相關(guān)人員的名單和手機(jī)號信息,進(jìn)行信息推送的設(shè)置;當(dāng)目標(biāo)害蟲發(fā)生情況達(dá)到預(yù)警閾值時,由監(jiān)測點(diǎn)用戶在短信推送界面選擇需要發(fā)送的人員,編寫預(yù)警信息后進(jìn)行短信推送(圖7)。

        圖7 監(jiān)測點(diǎn)用戶預(yù)警信息推送

        管理員用戶通過用戶名和密碼進(jìn)入管理界面,顯示為系統(tǒng)管理、蟲害信息管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、蟲情基本信息4個模塊。蟲情信息管理模塊,一是管理各監(jiān)測點(diǎn)用戶APP端上傳的包括地點(diǎn)、時間、作物、蟲名和蟲態(tài)、數(shù)量信息等在內(nèi)的蟲情數(shù)據(jù)庫;二是管理遠(yuǎn)程性誘測報(bào)信息,通過后臺圖像識別程序分析遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置回傳的誘集圖像,統(tǒng)計(jì)并錄入蟲情數(shù)據(jù)庫(圖8)。

        圖8 管理員用戶圖像處理界面

        3 實(shí)例應(yīng)用

        系統(tǒng)的遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置,于2018年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所的靈寶縣寺河鄉(xiāng)果園基地得到實(shí)地試用。監(jiān)測目標(biāo)害蟲為蘋小卷葉蛾(Adoxophyesorana),8月28日放置性誘芯和白底粘蟲板,每天采集誘集圖像,8月30日開始誘集到第1只蘋小卷葉蛾雄蛾,至9月6日誘集到9只蘋小卷葉蛾雄蛾,與普通的性誘誘集結(jié)果沒有明顯差異。采集監(jiān)測系統(tǒng)及遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置性能穩(wěn)定,監(jiān)測結(jié)果可靠(圖9)。

        圖9 遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置應(yīng)用及其對蘋小卷葉蛾誘集結(jié)果

        4 結(jié)論與討論

        本研究以APP端進(jìn)行蟲情數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程性誘測報(bào)裝置采集相結(jié)合的方式,構(gòu)建了采集監(jiān)測系統(tǒng),提高了田間調(diào)查工作的效率,提升了蟲情監(jiān)測的信息化水平。

        得益于移動通信技術(shù)和智能手機(jī)的快速發(fā)展,開發(fā)專用的APP端進(jìn)行相關(guān)信息的采集,已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蟲害管理的趨勢,國內(nèi)已有學(xué)者開發(fā)了相關(guān)APP,實(shí)現(xiàn)了棉蚜發(fā)生信息、枸杞病蟲信息等的實(shí)時采集[15-16]。在害蟲信息自動采集方面,應(yīng)用紅外線技術(shù)對誘集到的蟲體進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn),該項(xiàng)技術(shù)對湖北、安徽兩地的蔬菜斜紋夜蛾及西安地區(qū)玉米害蟲的監(jiān)測驗(yàn)證試驗(yàn)中,害蟲發(fā)生動態(tài)的峰期與常規(guī)性誘監(jiān)測的峰期基本一致,但蟲量統(tǒng)計(jì)數(shù)值與實(shí)際誘集結(jié)果存在誤差[17-19]。

        本系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高了作物不同種類害蟲信息采集與分析的工作效率,同時改進(jìn)了害蟲性誘測報(bào)的時效性,保存了性誘圖像的原始資料,方便進(jìn)行人工校驗(yàn),保證了性誘測報(bào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,便于基層農(nóng)技人員精準(zhǔn)掌握農(nóng)田蟲害實(shí)時動態(tài)并發(fā)出預(yù)警,有利于及時做好蟲害預(yù)防措施,促進(jìn)植保工作的良性發(fā)展。

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