張福山，楊際偉，何學友，蔡守平，林永群

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

松墨天牛(MonochamusalternatesHope)是我國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鍵性作用。松材線蟲病侵入我國30年來，累計致死松樹5億多株，毀滅松林33.33萬hm2以上，造成極大經濟損失[2]，嚴重影響所在林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。因此，松墨天牛蟲情的準確監(jiān)測與預警對提高松材線蟲防控能力，保護森林生態(tài)系統(tǒng)具有十分重要的作用。

松墨天牛成蟲期長達210 d(4—10月)，平均監(jiān)測期有180 d左右(30周)[3]。目前，松墨天牛蟲情監(jiān)測主要是依靠誘捕器+引誘劑誘捕后進行人工計數[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，從而導致蟲口計數存在誤差。

蟲害智能監(jiān)測預警技術是一項跨學科高度集成的系統(tǒng)技術。隨著物聯(lián)網等信息技術的快速發(fā)展，害蟲智能監(jiān)測預警技術的研究進程也開始加快，在林業(yè)害蟲方面的研究應用也不斷增多，但在松材線蟲及其傳媒松墨天牛監(jiān)測預警方面的研究較少。李念祥等[6]采用圖像識別技術對松材線蟲病零星病害木進行遠程計數；葛宏立[7]采用遙感圖像技術對松材線蟲病零星病害木進行動態(tài)監(jiān)測。關于松墨天牛的智能監(jiān)測預警技術，尚未有研究報道。本文根據松墨天牛蟲情監(jiān)測的技術需求，應用物聯(lián)網、云服務等新技術，研究設計一套松墨天牛智能監(jiān)測預警技術系統(tǒng)，實現松墨天牛蟲情實時、遠程、準確的監(jiān)測與智能預警，提高松墨天牛蟲情監(jiān)測的時效性、準確性，有利于制定、實施科學防控措施，為及時控制松墨天牛蟲口數量、防治松材線蟲病擴散傳播，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)測因素

1.1 誘捕數量

通過對松墨天牛連續(xù)、定點誘捕，統(tǒng)計捕蟲數量并進行數據分析，是最直接有效的松墨天牛蟲情監(jiān)測預警方法。其中，捕蟲數量統(tǒng)計工作的實時性、準確性十分重要，能夠真實有效地反映松墨天?；顒右?guī)律。為進一步佐證捕蟲情況，設計遠程圖像抓拍系統(tǒng)，定時抓拍捕蟲瓶圖像。

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。高濕度條件對于松墨天牛的存活更加重要，長時間處于高濕狀態(tài)下，可以減少水分蒸發(fā)，延長壽命，進而提升其羽化率[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，注重對松墨天牛活動環(huán)境中空氣溫度與空氣濕度的分析應用，可為松墨天牛的預測預報提供參考。

2 松墨天牛蟲情監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測參數

由上面分析可知，松墨天牛需著重監(jiān)測3個參數：捕蟲數量、空氣溫度、空氣濕度。捕蟲數量是松墨天牛蟲情監(jiān)測核心指標，空氣溫度與空氣濕度用于綜合分析松墨天牛生活習性與活動規(guī)律。監(jiān)測這3個參數的變化情況并及時發(fā)出預警信息，能夠較好地實現松墨天?？茖W預測預報。

2.2 監(jiān)測范圍、周期和頻率

目前，福建松墨天牛成蟲期長達210 d(4—10月)，平均監(jiān)測期有180 d左右。選擇有松墨天牛蟲害的森林布設松墨天牛智能監(jiān)測預警技術系統(tǒng)。捕蟲數量實時在線統(tǒng)計，空氣溫度與空氣濕度每10 min記錄并上報1次，圖像每6 h抓拍1次，起始時間為00∶00。在福州國家森林公園設監(jiān)測試驗點。

3 系統(tǒng)設計

圖1 松墨天牛智能監(jiān)測預警技術系統(tǒng)總體結構設計圖

根據松墨天牛蟲情監(jiān)測預警的技術需求，采用智能監(jiān)測、預警與專家決策相結合的技術路線，通過物聯(lián)網技術在線實時監(jiān)測松林中松墨天牛誘捕情況，記錄蟲情監(jiān)測位點的空氣溫度和空氣濕度，通過移動通信與云服務技術支持，提供及時準確的松墨天牛誘捕數量及預警信息。同時，管理員可利用云平臺，結合記錄空氣溫度與空氣濕度數據，對松墨天牛蟲情監(jiān)測情況進行系統(tǒng)性分析，作出科學的蟲情預測預報?？傮w結構設計圖見圖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

根據松墨天牛智能監(jiān)測預警技術系統(tǒng)功能實現的要求，硬件子系統(tǒng)即為松墨天牛智能誘捕器，構建目標為研發(fā)配置出性能穩(wěn)定、可靠的農業(yè)物聯(lián)網技術產品。其要求：一是誘捕裝置與參數監(jiān)測裝置牢固、穩(wěn)定、可靠，并能適應復雜的森林環(huán)境，如高濕環(huán)境、野生動物破壞等；二是產品要適應森林山區(qū)通訊信號差及沒有有線電源的特殊情況。

經設計，本硬件子系統(tǒng)采用松墨天牛信息引誘劑對松墨天牛定向誘捕，采用6000 V高壓直流電擊殺松墨天牛；計數裝置采用光電計數器對落入捕蟲瓶的松墨天牛進行計數統(tǒng)計，抓拍裝置采用網絡攝像機遠程抓拍捕蟲瓶圖像，輔助統(tǒng)計分析捕蟲情況，以信息采集裝置為通信核心組件進行遠程信息傳輸，采用太陽能供電裝置提高戶外應用能力。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)網科技有限公司的F9164-N型遠程測控終端(即RTU)作為信息采集器的基礎硬件，以此為基礎從硬件與軟件方面開發(fā)與優(yōu)化，以實現松墨天牛智能誘捕器監(jiān)測數據的采集、傳輸與指令下達等功能。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RS232接口、2個RS485接口、4路模擬量輸入接口(16位AD)、2路開關量輸入接口、2路開關量(I/O)輸出接口(繼電器驅動)，內置溫度測量，片內FLASH實時數據保存，內部時鐘計時，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時操作系統(tǒng)為支撐平臺，遵守MODBUS協(xié)議，報文協(xié)議采用HJ/T212通訊協(xié)議；采用模塊化設計，分為初始化模塊、參數配置模塊、GPRS鏈路建立模塊、數據傳輸模塊等。

智能誘捕器功能組件接入信息采集器說明：光電計數器以開關量輸入；空氣溫度與空氣濕度傳感器接RS485通訊接口，風扇接開關量輸出1(繼電器K1)，與空氣濕度關聯(lián)；網絡攝像機接RS485通訊接口，與網絡攝像機關聯(lián)。

圖3 信息采集器結構與配置圖

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

4.2 高壓電網裝置

高壓電網裝置用于擊殺松墨天牛。高壓電網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)科學研究院FJ-MA-02松墨天牛引誘劑)。松墨天牛經信息引誘劑吸引，觸碰高壓電網后被擊傷(高壓電網24 h帶電，高壓發(fā)生器使高壓電網瞬間電壓達到6000 V)，落入捕蟲瓶中。

4.3 計數裝置

采用漫反射型光電計數器作為計數裝置，松墨天牛蟲體經光滑通道落入捕蟲瓶前被光電計數器感應計數。安裝網絡攝像機，遠程抓拍捕蟲瓶圖像，以驗證捕蟲計數準確性，并檢查捕蟲與計數裝置運行情況。

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，溫度變化轉為電壓變化，經儀用放大器放大后通過AD轉換為數字信號傳輸給主機處理[10]。空氣濕度傳感器類型為霍尼韋爾型，采用激光微調設計，具有穩(wěn)定性強，低漂移的特點。空氣溫度傳感器與空氣濕度傳感器安裝在塑料百葉箱的一端。為解決陰雨、高濕天氣傳感器結露失準的問題，在塑料百葉箱另一端安裝直流風扇，在空氣濕度飽和時開啟，以加速空氣流動的方式去除傳感器結露，恢復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，采用部分裝置定時啟動、信息定時傳輸的方式，進一步節(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 防護措施

考慮山地、林地惡劣環(huán)境，配套設計一系列防護裝置。智能誘捕器的安裝機柜為不銹鋼材質，牢固耐用，基部配水泥基座，防傾倒，頂部配雨遮，防風防雨，設計排水孔、通風百葉、避雷引線。在供電裝置中加入電量過充、過放保護元件，防高壓回流保護元件，防止連續(xù)放電導致燈體自燃；加入雨控元件，在暴雨天氣，高壓電網自動斷電保護。

5 軟件子系統(tǒng)的開發(fā)

圖4 三層式Web結構示意圖

圖5 松墨天牛智能監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)拓撲結構圖

圖6 松墨天牛智能監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)應用功能圖

軟件子系統(tǒng)即松墨天牛智能監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)，通過對松墨天牛蟲害發(fā)生的風險進行剖析，以松墨天牛發(fā)生過程中所表現出來的與警源、警兆、警情相關的不同風險因子作為統(tǒng)計指標，建立松墨天牛監(jiān)測預警指標體系框架和內容；并對預警指標體系指標值權重進行設置，構建松墨天牛的監(jiān)測預警模型。系統(tǒng)開發(fā)操作系統(tǒng)平臺為Windows xp/7/10，服務器操作系統(tǒng)為Windows server 2008、Tomcat；編程語言為Java。系統(tǒng)開發(fā)所使用關鍵技術有：Free Marker模版技術、數據庫連接池Druid技術、安全權限框架Shiro技術、Ehcache分布式緩存技術。

系統(tǒng)開發(fā)平臺采用“tomcat + java + mysql”構成三層式Web結構(圖4)，使用后臺數據庫存儲信息，前臺通過動態(tài)技術生成所需頁面的方式來進行數據發(fā)布，將客戶機/服務器結構與Web密切結合，完成前后端兩者的集成輸出功能。手機客戶端采用H5的Hybrid APP 開發(fā)模式。松墨天牛智能監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)拓撲結構圖見圖5。

信息管理系統(tǒng)開發(fā)有電腦客戶端與手機客戶端(支持安卓系統(tǒng))2個版本。如圖6所示，手機客戶端主要功能有：實時在線查看松墨天牛監(jiān)測數據，接收預警信息，查看歷史數據，進行數據統(tǒng)計分析，獲得專家預測預報信息等。電腦客戶端除了具有手機客戶端所有功能，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、分配用戶權限、初始化密碼等操作；設備管理，根據硬件子系統(tǒng)核心設備編號，增加、刪除或修改松墨天牛蟲情監(jiān)測點信息；系統(tǒng)備份，對數據庫進行安全備份等。

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

6 系統(tǒng)測試

經測試，松墨天牛智能監(jiān)測預警技術系統(tǒng)可實時在線監(jiān)測空氣溫度、濕度，實現連續(xù)監(jiān)測不斷線，監(jiān)測的空氣溫度、濕度與氣象標準的溫度計、濕度計監(jiān)測結果相比較，誤差平均絕對值分別為0.3 ℃、3.6% RH。隨著空氣溫度與空氣濕度監(jiān)測數據的不斷積累，結合松墨天牛誘捕計數情況，可以進行蟲情活動規(guī)律相關性分析，為松墨天牛的預測預報提供參考。

開展林間技術系統(tǒng)測試。在福州國家森林公園松材線蟲病發(fā)生區(qū)域分別布設松墨天牛智能誘捕器(智能監(jiān)測預警技術系統(tǒng))和APF-1型松墨天牛誘捕器，每15 d統(tǒng)計1次松墨天牛誘捕情況。蟲口總數量=易識別蟲口數量+難識別蟲口數量，式中：蟲口數量以頭、胸、腹能識別齊全的蟲體為1次計數；易識別蟲口指蟲體頭、胸、腹部分基本完整并連成一體，容易識別并計數的蟲體；難識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，但可以識別并進行拼湊，每拼湊1組為計數1次。計數準確率=(易識別蟲口數量/蟲口總數量)×100%，部分松墨天牛蟲體腐爛分解較為嚴重，頭、胸、腹部分不能成組拼湊，難以計數，因此APF-1型松墨天牛誘捕器實際計數準確率低于統(tǒng)計值。誘捕器中落入的其它昆蟲或物體是造成計數誤差的另一個原因，下一步將針對此問題進一步研究。

試驗結果(表1)顯示：松墨天牛智能誘捕器的平均計數準確率為93.11%，APF-1型松墨天牛誘捕器的平均計數準確率為80.53%。新技術的計數準確度相對提高15.48%，且沒有發(fā)現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數誤差。

表1 技術應用對比試驗結果

7 小結

本文根據松墨天牛監(jiān)測預警的技術需求，應用物聯(lián)網技術與云服務技術，研制出一套松墨天牛智能監(jiān)測預警技術系統(tǒng)，實現對松墨天牛的誘捕，并對誘捕的松墨天牛發(fā)生數量、活動規(guī)律及生態(tài)環(huán)境實時在線監(jiān)測，并結合數據分析進行監(jiān)測預警，為松墨天牛綜合控制策略制定提供技術支撐。技術測試結果表明，該技術系統(tǒng)的智能化監(jiān)測預警功能具有準確度高、時效性強等特點，可顯著提高工作效率，有助于提高對松墨天牛監(jiān)測預警及松材線蟲疫情的防控能力。