一种探测松褐天牛的生物感应器设计构想

刘云山 张炜 李硕 姚福康

【摘 要】针对林业多发疾病松材线虫病进行研究，发现从切断松褐线虫的传播媒介松褐天牛入手，来限制松褐线虫的传播，从而达到保护松树的目的。利用一种新型的生物感应器，通过对松褐天牛在运动中所发出的声音信号建立数据库，过滤掉多余的单片机的干扰信号，将检测到的声音信号的特征信号通过凌阳单片机与标准数据库中的信号进行比对，一旦特征值符合，凌阳单片机便会在显示屏幕上显示分析结果，证明该植物内有松褐天牛的存在，如果没有滴滴的警报声，则证明该植物内不存在松褐天牛。判断出松褐天牛若存在，则对松褐天牛进行有效的消灭和铲除，进一步保护林业。

【关键词】松褐天牛；声音；发现

一、引言

林业是我国重要农业产业之一，其中松树因为其观赏价值、工业价值、药用价值是我国林业产业中必不可少的一种树种。松褐天牛是松树重要的蛀干害虫，又是松材线虫病的主要传播媒介，控制松材线虫病的关键是防治松褐天牛。松材线虫病自1982年传入中国以来，给中国林业造成了巨大危害和极大的生态及经济损失。近年来，我国加强松材线虫病预防和除治工作，取得了一定的成绩。但是，由于我国松林分布广、面积大，自然条件非常适合松材线虫病繁衍，目前我国松材线虫病防治工作形势仍十分严峻。加之松材线虫的雌雄虫都呈蠕虫形，虫体小且细长，一般很难在树体中直接发现它的存在。松材线虫虽然致病性很强，但其没有自己迁移传播的能力，必须依靠传播媒介——松褐天牛携带才能扩散，被松材线虫侵染的松树往往又是松墨天牛的产卵对象。翌年，在罹患病的树林内寄生的松墨天牛羽化时又会携带大量线虫，并“接种”传播到健康的松树上，导致病害的扩散蔓延【1】。因此，如果控制了松褐天牛，就打断了松材线虫的传播链条，阻断了它的传播途径，松材线虫也就无法感染健康松树，所以防治松材线虫就由被动的防治转而主动的防御，看似是个病害问题实质上是害虫的防治问题。

二、产品简介

我们想要设计的一款产品是一个探测松褐天牛的生物感应器，该产品具有一定的创新性，设计灵感来源于从切断松材线虫的传播媒介入手，即在松褐天牛成虫传播更多的松材线虫之前，就探测到松褐天牛并将其消灭。产品设计目的在于遏制松褐天牛成虫传播松材线虫，对松褐天牛进行及时的探测和预报，然后具体地方具体分析，采取相应的防治措施，该产品对打造健康的森林，避免害虫成灾，营造绿色环保的生态环境有一定的积极作用。众所周知，要想防治害虫，只有发现它才可以采取一定的措施，我们的仪器就是一种可以精准的探测到松褐天牛的生物感应器，松褐天牛的成虫在6-7月出现，一般在树干下部或大枝基部活动，我们通过对成虫的观察，先从它的声音入手，利用声音检测仪，记录它的声音信号，通过比对它与其他自然界的声音信号，找寻它特殊的声音信号，或者找寻松褐天牛成虫其他特殊的生物信号，然后将其转化为电信号，制成一种便携式的仪器，用以精准的探测松褐天牛，从而达到快速有效的防治。该产品应用于6-7月份松褐天牛成虫出没的时期，在那些曾经出现过松褐天牛的地区进行重点探测，我国南方地区松褐天牛的发生较严重，同时有向北方扩散蔓延的趋势，该探测器还可以应用于黄山，长江经济带等对生态建设较为重要的区域。

三、整体设计

3.1软件设计

本设计的硬件是以凌阳单片机为核心，外围扩展相应的功能硬件构成。凌阳单片机具有较好语音识别功能，能对外界声音信号的变化具有较为敏感的感应。

整个系统运行的过程分为初始化，识别和显示三个过程。

a）初始化——信息库的建立

生活习性的观察：对松褐天牛生活习性的观察，确定其几种经常的生活习性并加以记录。（比如振翅，爬行，取食等）

信号的采集：对几种松褐天牛几种经常的生活习性的发生规律分别进行记录，建立初步的信息库。

特征值的提取：提取初步建立的数据库里的信息，提取松褐天牛发出的声波的特征值【2】。

建立数据库：对不同发声规律的特征值的提取的数据建立数据库，用来特征值的比对。

b）识别——信号的采集以及比对的过程

硬件系统的设计：本设计的硬件是以凌阳单片机为核心，外围扩展相应的功能硬件构成。凌阳单片机具有较好语音识别功能，能对外界声音信号的变化具有较为敏感的感应。

信号的采集：通过前置声音采集模块可以较好的采集到松褐天牛在运动中所发出的声音信号，以及实现生物信号到电信号的转换

信号的处理模块主要包括滤除干扰信号，提取声音特征值两大部分。

滤除干扰信号：因为外界噪声较多，所以感应器所收集到的信号相对来说也会比较杂乱，对于这个问题，我们采用滤波器的办法，去除其他干扰信号。

特征参数的提取：可以有效的表征声音信号的特征，用于接下来的信号比对。

特征参数的比对：从外界输入的信号经过一系列处理后，对得到的数据进行与数据库里的数据进行比对。

c）显示——将内部信号处理与比对后的结果输出

经过内部一系列处理比对后将最后的结果进行输出，最终通过判断仪器显示屏上的结果，即检测到松褐天牛的有无。

四、功能及外观上的设计

第一代：通过前置声音放大器和声音传感器，可实现较好的信号采集功能以及声信号和电信号之间的转换。经内部处理器可将声音传感器的电信号分别实现滤波，特征值提取，特征值比对等。外接显示屏，可将内部处理的结果输出。

第二代

不仅在外观上做出改进，而且增加感应器的功能，不仅可以判断褐天牛的有无，同时也可以判断出松褐天牛距离的远近，与此同时对感应器的外观进行改进，让感应器更加轻便，美观在后期的产品设想中我们希望将识别，定位，除害结合起来。据调查，松褐天牛主的虫体主要分布在树木1至6米处，利用这款设备我们可以轻松发现松褐天牛的具体位置，确定位置后采用物理或者化学办法去除虫害【3】。在识别，定位，除害的产品成熟后我们设想将产品安装在智能机上，达到智能除害的效益。我们设想着不仅仅是实现松褐天牛的识别，也可以在扩大产品功能的方面做出重大突破，即产品实现不同害虫的识别功能。

五、结语

该产品具有一定的创新性和实用性，目前，市场上出现的有关昆虫的生物探測器很少，而探测松褐天牛的仪器还没有，此外，松材线虫病是目前对中国林业危害最为严重的外来有害生物，我国十分重视它的防治和传播，所以该探测器具有十分广阔的发展前景，它几乎可以应用到任何有松树的地方。从产品设计角度来看，我们力争将其设计为一款便携式，操作性强，精确度高的仪器。

【参考文献】

[1]柴希民， 张国贤. 松褐天牛成虫携带松材线虫的数量[J]. 东北林业大学学报， 2000， 28（5）：000099-101.

[2] 董晓宁， 张萌. 基于凌阳单片机的语音识别系统设计[J]. 信息化研究， 2008， 34（2）：18-21.

[3] 高尚坤， 唐艳龙， 张彦龙，等. 松褐天牛在马尾松树干上的分布规律[J]. 林业科学研究， 2015， 28（5）：708-712.