小麦条锈病菌夏孢子显微图像远程采集系统设计与试验

雷 雨 姚志凤 何东健

(1.西北农林科技大学机械与电子工程学院， 陕西杨凌 712100；2.农业农村部农业物联网重点实验室， 陕西杨凌 712100；3.陕西省农业信息感知与智能服务重点实验室， 陕西杨凌 712100)

0 引言

由条形柄锈菌(Pucciniastriiformisf. sp.tritici,Pst)引起的小麦条锈病是中国西北、西南、华北和淮北等冬麦区和西北春麦区小麦的重要病害，一般流行年份可致小麦减产10%～20%，特大流行年份可致小麦减产50%～60%，对中国粮食安全生产构成重大威胁[1-3]。小麦条锈病是一种气传性多循环真菌病害，影响小麦条锈病发病和传播的因素有很多，除了受实时生境、地形地貌、历史生境等因素的影响外，夏孢子菌源数是影响其发生和流行的主要原因。夏孢子是小麦条锈病发生和发展的侵染源，主要借助气流传播完成周年侵染循环[4-6]。因此，小麦田间空气中病原菌夏孢子的数量和小麦病害发生有着极为密切的关系，对田间空气中夏孢子进行及时准确地捕捉和计数，可为小麦条锈病的预测预报提供基础数据，对降低小麦因条锈病而造成的损失具有重要意义。

目前，空气中气传植物病源真菌孢子多采用孢子捕捉器取样和监测[7-10]，捕捉结束后将黏附有孢子的载玻片或捕捉带拿回实验室，在显微镜下人工计数[11-12]或分子生物学方法计数[13-14]等。利用孢子捕捉器捕捉孢子时有两种方法[12,15]，但布放在野外田间的孢子捕捉器测点分散、数量多且地理位置偏僻，人工定时换取载玻片或捕捉带工作量大、效率低、费时费力，无法对农田中孢子的浓度进行自动、实时、大尺度监测，导致难以把握大尺度农田真菌孢子的实时和动态变化情况[12,16]。植保专家急需一种能自动捕捉和远程实时统计捕捉结果的解决方案，以节约人力，提高监测效率，并为小麦条锈病的预测预报提供数据支撑。

近年来，随着自动化技术、传感技术、无线网络技术的发展和深入应用，现代农业生产中广泛应用图像采集系统。农业图像采集系统能提供生产现场实时准确的视频图像数据，采集的图像信息在监测病虫害[17-18]、农作物生长[19-20]、农产品检测[21]等方面发挥着重要的作用。然而，目前国内外图像传感器一般由嵌入式CPU搭载普通的CMOS摄像头或CCD摄像头组成，仅适用于视觉可见的对象，无法获取微米级的真菌孢子图像。夏旭阳[22]基于LabVIEW平台设计了一种田间远程真菌孢子显微图像采集处理系统，实现了对空气中真菌孢子的快速检测，但需要人工对载玻片涂抹凡士林，且仅能采集载玻片上一个位置点的显微图像，难以反映真菌孢子的真实数量。因此，开发一款对田间空气中小麦条锈病菌夏孢子进行在线自动捕捉和显微成像并远程传输的装备具有重要意义。

结合自动化、显微成像和无线网络技术，基于ARK-1123C型嵌入式工控机和显微镜CCD数字摄像头，本文自主设计开发的高放大倍数、高分辨率的小麦条锈病菌夏孢子捕捉、显微图像采集及远程传输系统，可为农田空气中小麦条锈病菌夏孢子的自动计数及条锈病的预测预报提供技术支持。

1 系统总体方案设计

1.1 田间监测需求分析

根据田间空气中小麦条锈病菌夏孢子监测应用需求，小麦条锈病菌夏孢子显微图像远程采集系统应满足如下要求：

(1)系统能自动完成取载玻片、涂脂、空气中孢子捕捉、显微图像采集、载玻片回收等功能，实现全自动化监测。

(2)可根据用户需求远程、实时设置孢子捕捉时间和时长、显微图像采样点范围和数量，同时采集的图像能无线传输到远程服务器中。

(3)系统能长时间在野外田间采集夏孢子显微图像，对空气中的夏孢子进行持续监测。

1.2 系统硬件结构

夏孢子显微图像远程采集系统主要包括处理器模块、夏孢子捕捉及显微图像采集模块、无线通信模块、太阳能供电模块4部分，系统硬件结构如图1a所示。

(1)处理器模块

该模块为系统的控制核心，完成系统各模块的控制任务。

(2)夏孢子捕捉及显微图像采集模块

驱动模块和I/O模块通过RS485通信总线与处理器相连实现控制信号的传输。驱动模块通过PWM信号调节驱动芯片输出不同的脉冲数，从而实现各电机的转动以控制相应机构，限位开关对各电机起行程限位保护作用。I/O模块与吸风风机和控制模块相连接，控制模块通过不同占空比的PWM信号调节输出电流，实现对显微镜光源发光强度的稳定定量调节。显微图像采集机构中的显微镜数字摄像头通过USB接口连接处理器，以采集夏孢子显微图像。

(3)无线通信模块

负责传输显微图像到远程服务器中，用户可通过服务器获取实时或历史图像数据。

(4)太阳能供电模块

该模块为系统各模块提供电源。太阳能电池板安装于装备顶部，通过全牙通丝螺杆可调节其倾斜角度，以提高对太阳能的吸收效率。远程采集系统各模块和线路安装于钢制的箱体内，工作时关闭嵌有密封封条的前后侧门，可防水和防尘。本文设计的系统实物正视图和后视图如图1b、1c所示。

图1 系统硬件结构及实物图Fig.1 Hareware architecture and picture of system1.蓄电池 2.充放电控制器 3.夏孢子捕捉及显微图像采集模块 4.太阳能板 5.处理器 6.I/O模块 7.高增益磁盘天线 8.全牙通丝螺杆 9.无线通信模块 10.光源控制模块 11.支撑板 12.电机驱动器模块 13.箱体

2 系统硬件与软件设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1处理器模块

由于系统需要执行步进电机、吸风风机、显微镜光源等控制，以及显微图像采集和远程控制等多任务调度，故需要有较高性能的处理器作为控制核心。考虑到ARK-1123C型嵌入式工控机(研华科技有限公司)采用掌上型无风扇嵌入式系统设计，体积小(133.8 mm×43.1 mm×94.2 mm)、功耗低，适于野外长期工作，因此选用该工控机。其处理器为Inter Atom E3825，主频1.33 GHz，内存容量4 GB，硬盘容量500 GB，输入电压为12 V。ARK-1123C型的VGA接口可连接显示器，3个USB接口可用于连接4G无线通信模块和显微镜CCD数字摄像头，2个COM通信端口，可用于RS485总线连接电机驱动模块和I/O模块。

2.1.2夏孢子捕捉及显微图像采集模块

夏孢子捕捉及显微图像采集模块的功能是在嵌入式工控机的控制下，自动完成取载玻片、涂脂、孢子捕捉、显微图像采集、回收载玻片等一系列操作任务。根据夏孢子自动捕捉和显微图像采集要求，本文设计了夏孢子捕捉及显微图像采集模块，其组成如图2所示。

图2 夏孢子捕捉及显微图像采集模块实物图Fig.2 Physical map of urediniospore capture and micro-image acquisiton module1.载玻片取片机构 2.涂脂机构 3.孢子捕捉风道机构 4.显微图像采集机构 5.吸风风机 6.软管 7.显微镜光源 8.直线导轨滑台模组 9.尼龙拖链 10.载物台

夏孢子捕捉及显微图像采集模块主要包括载玻片取片机构、涂脂机构、孢子捕捉风道机构、显微图像采集机构、吸风风机、软管、显微镜光源、直线导轨滑台模组、尼龙拖链和载物台等部分。直线导轨滑台模组由THK SKR33导轨、滑台与步进电机A组成，用螺栓水平固定于支撑板下部，步进电机A的参数选型如表1所示。载物台与滑台通过螺栓连接固定，可在直线导轨滑台的带动下水平方向上运行；显微图像采集机构通过螺栓竖直安装于支撑板上，显微镜光源竖直固定于显微图像采集机构正下方，保证光源中心与物镜铅直对齐。

步进电机驱动模块采用VSMD102-025T驱动器(北京韦恩斯技术有限公司)，通过PWM信号调节驱动芯片输出不同的脉冲数，从而实现各步进电机(表1)的转动以控制各机构完成任务。显微镜光源采用12 V/3 W的PL-2108-3W点光源(东莞市沃德普自动化科技有限公司)，光源控制模块采用输出电流可调节的PT4115芯片，从而实现显微镜光源发光强度的稳定定量调节以提高显微图像的清晰度。

表1 步进电机参数选型Tab.1 Parameter selection of stepper motors

该模块中，载玻片取片机构、载物台、涂脂机构、孢子捕捉风道机构和显微图像采集机构等设计如下：

(1)载玻片取片机构

载玻片取片机构的功能是从载玻片片盒中自动取出1片载玻片放置在载物台上的玻片槽内，其组成如图3所示。

图3 载玻片取片机构示意图Fig.3 Schematic of mechanism for supply of slide 1.支架座 2.丝杆步进电机B 3、6.行程限位开关 4.推片板 5.片盒 7.丝杆步进电机C 8.滑片板 9.载玻片

载玻片取片机构主要包括支架座、丝杆步进电机B、推片板、片盒、丝杆步进电机C、滑片板、载玻片和行程限位开关等部分，步进电机的参数选型如表1所示。片盒内最大可存放100片载玻片，片盒底部采用悬空设计，悬空部分的尺寸为77 mm×1.5 mm，比载玻片尺寸略大，便于推出载玻片。行程限位开关安装于丝杆末端，保证步进电机的起始与结束位置固定不变。当需要取片时，丝杆步进电机B带动推片板向前运动，作用于片盒的悬空位置，推动位于片盒内最底层的载玻片向前移动到滑片板上，丝杆步进电机C带动滑片板倾斜使载玻片滑到载物台上的玻片槽中，完成取片任务。

(2)载物台

为了能采集载玻片上不同位置点的夏孢子显微图像，载物台中载玻片槽内的载玻片应能实现平面运动，以完成后续的涂脂、图像采集等操作任务。因此，载物台采用自动化设计，其组成如图4所示。

图4 载物台示意图Fig.4 Schematic of automatic stage1.丝杆步进电机D 2.限位销 3.丝杆步进电机E 4.丝杆步进电机F 5.基座 6.载玻片槽 7.载玻片限位板

载物台主要包括丝杆步进电机D、限位销、丝杆步进电机E、丝杆步进电机F、基座、载玻片槽和载玻片限位板等部分，步进电机的参数选型如表1所示。载物台安装于直线导轨滑台(图2)上，可在直线导轨滑台的带动下沿X方向左右运动，丝杆步进电机F能实现载物台沿Z方向前后运动，以控制载物台在平面上运动。

载玻片限位板上的载玻片槽尺寸为78 mm×28 mm，用于放置载玻片。丝杆步进电机E通过螺丝与限位销连接，在涂抹凡士林时，丝杆步进电机E推动限位销卡住载玻片，防止载玻片被涂胶头黏住带走；在显微图像采集结束后，丝杆步进电机D驱动载玻片限位板，推动载玻片向前移动使其落入回收盒内回收。

(3)涂脂机构

涂脂机构的功能是利用步进电机控制涂胶头和刮刀片将凡士林均匀涂抹于载物台上的载玻片的上表面，其组成如图5所示。

图5 涂脂机构示意图Fig.5 Schematic of vaseline application mechanism1.涂胶头 2.胶盒 3.支架板 4.十字丝杆导轨滑台 5.步进电机G 6.步进电机H 7.丝杆导轨滑台 8.步进电机I 9.刮刀片

涂脂机构主要包括涂胶头、胶盒、支架板、十字丝杆导轨滑台、步进电机G、步进电机H、丝杆导轨滑台、步进电机I与刮刀片等部分，步进电机的参数选型如表1所示。凡士林存放于胶盒中，当需要涂抹时，步进电机I驱动涂胶头向Z轴反向运动到胶盒正上方，接着步进电机G驱动涂胶头向下运动，从胶盒中蘸取适量的凡士林，然后两个步进电机将涂胶头依次复位到初始位置，步进电机G驱动涂胶头向下运动将凡士林涂抹于载玻片上。然后载物台向X轴正向移动到刮刀片下方，通过步进电机H驱动刮刀片向下紧贴住载玻片，载物台再向X轴正向移动，刮刀片自动刮走多余的凡士林，使载玻片上均匀涂抹一薄层凡士林，用于黏附空气中的夏孢子。

(4)孢子捕捉风道机构

孢子捕捉原理如图6a所示，当开始捕捉夏孢子时，吸风风机启动开始吸风，风道内形成负压，夹杂着夏孢子的外部空气从箱体进风口吸入风箱内，空气中的夏孢子与载玻片发生碰撞并黏附其上，空气则从箱体出风口排出。基于此原理，设计的孢子捕捉风道机构如图6b所示。

图6 孢子捕捉风道机构图Fig.6 Schematic of spores collecting airway mechanism1.风箱出风口 2.风箱进风口 3.丝杆导轨滑台 4.步进电机J 5.连接板 6.风箱 7.载玻片

孢子捕捉风道机构主要包括风箱出风口、风箱进风口、丝杆导轨滑台、步进电机J、连接板、风箱和载玻片等部分。连接板与主支撑板用螺栓固定连接。无底风箱的进风口通过软管与箱体进风口相连，风箱出风口通过软管与吸风风机相连，驱动步进电机J能够使丝杆导轨滑台带动风箱下降，使风箱底部与移动到其下方载物台上的载玻片贴紧，使外部气流与内部隔绝，避免外部空气污染内部硬件。吸风风机选用5.16 W/1 2V的3610KL-04W-B50型专用风扇(日本美蓓亚公司)，转速为3 200 r/min，气体采集流量为1 550 L/min。

(5)显微图像采集机构

由文献[23]可知，夏孢子外观为橙黄色，外形似椭圆，平均尺寸为24.5 μm×21.6 μm。在实验室用研究级显微镜对夏孢子观察可知，需光学放大200倍以上才能视觉可见。结合现有显微成像技术，设计的显微图像采集机构如图7所示。

图7 显微图像采集机构示意图Fig.7 Schematic of micro-image acquisition mechanism1.显微数字摄像头 2.镜筒 3.物镜 4. 连接板

显微图像采集机构主要包括显微数字摄像头、镜筒、物镜和连接板。连接板与主支撑板用螺栓固定连接。显微数字摄像头选用UCMOS 14000KPA Pro系列高分辨率显微镜CCD数字摄像头(杭州图谱光电科技有限公司)，分辨率可达1 400万像素，JPEG格式；镜筒选用1倍镜筒；物镜选用20倍远心物镜。显微图像采集机构可采集电子放大400倍的1 400万像素的夏孢子显微图像。

2.1.3无线通信模块

考虑到4G技术的广泛应用，且传输速率可达50 Mb/s，适于快速、远距离无线传输高质量音视频图像。故用华为ME909s-821型4G无线模块和高增益磁盘天线，以实现服务器端对孢子显微图像远程采集系统的远程控制和图像数据的远程传输。考虑到TeamViewer远程控制应用软件(TeamViewer GmbH公司，德国)具有桌面共享和数据传输简单的特点，只需在服务器端和客户端同时运行TeamViewer，该软件第1次在两端运行便会自动生成伙伴ID，以后只需在服务器端输入密码即可立即建立起连接，故用TeamViewer实现对采集系统的远程控制和数据无线传输。

2.1.4太阳能供电模块

为提供系统在野外小麦田间长时间持续工作的电源，设计了太阳能供电模块，其由太阳能电池板、可充电蓄电池和充放电控制器组成。太阳能电池板选用单晶硅太阳能电池板，功率为100 W、电池片转换效率为18%、最大输出电压为18.2 V、最大输出电流为5.49 A、尺寸为1 200 mm×540 mm×30 mm。充放电控制器控制整个供电模块的工作状态，对蓄电池提供充放电管理、状态监测、防过充放电和防反流。可充电蓄电池选择12 V、65 A·h的阀控密封式铅酸蓄电池，在太阳能供电不足的情况下维持系统的正常工作。

2.2 系统软件设计

为实现载玻片的自动供片、涂脂、空气中孢子捕捉、显微图像采集和回收载玻片等任务操作，以嵌入式Windows 7为操作系统，Microsoft Visual Studio 2013 和QT5.5.1图形用户界面库为开发平台，移植相关的驱动、中间件，开发夏孢子显微图像采集软件，实现对系统中各个模块的运行控制。

2.2.1系统工作流程

系统上电开机后进行初始化，打开软件设置参数，点击启动按钮开始运行。系统主要工作流程如图8所示。

图8 夏孢子显微图像远程采集系统工作流程图Fig.8 Flow chart of micro-image remote acquisition system for urediniospores

2.2.2显微图像采集与传输

用7101型全透明载玻片作为孢子捕捉载体，尺寸为75.6 mm×25.4 mm×1 mm。由于在高放大倍数下，遍历载玻片上所有区域采集显微图像费时且图像数据量庞大，故借鉴文献[24]中的十二个横向遍历法采集显微图像。基于十二个横向遍历法，设计的不同位置点显微图像自动采集顺序示意如图9所示。

图9 载玻片不同位置点显微图像自动采集示意图Fig.9 Schematic of automatic acquisition of micro-images from different positons of slide

在载玻片中间50 cm×25 cm区域采集显微图像，换算成步进电机的脉冲数为20 000×10 000。左下角圆点为采集起点，右上角圆点为终点，通过驱动模块输出不同的脉冲数，控制步进电机的转动以实现载物台精准的平面移动，以采集载玻片上不同坐标点的夏孢子显微图像。采集点之间的脉冲数间距(x，z)可根据用户需求设定，若设定X、Z轴脉冲数间距分别为5 000，从起点开始采集第1幅图像，按照箭头方向依次采集圆点处的图像，到终点完成图像采集，共采集12幅。图像采集完成后，以JPEG格式保存在硬盘指定文件中，最后用TeamViewer远程控制应用软件将图像数据通过4G无线网络传输到服务器端。

2.2.3系统应用软件

为有效地执行和控制各模块的运动，采用Microsoft Visual Studio 2013 和QT5.5.1平台开发了小麦条锈病菌夏孢子显微图像远程采集程序软件，应用层采用模块化设计，实现对系统中各个模块的运行控制。夏孢子显微图像远程采集程序功能主要包括显微图像显示、自动控制、手动控制、电源控制、显微图像采集参数、显微镜数字摄像头参数、执行状态、图像保存路径和急停9部分。通过自动控制可设置采集次数和采集时间，实现对小麦田间空中夏孢子的定时监测；手动控制和电源控制能手动对各模块进行启停以检查各部分是否正常工作；显微图像采集参数包括(x，z)脉冲数扫描间距、风机吸风时间和显微镜光源预热时间，可根据采集要求设置其参数值；显微镜数字摄像头参数包括对比度、增益、色度、曝光时间、色温和饱和度，通过调节摄像头参数可使显微图像的质量最佳；在程序运行时，通过执行状态栏可观察运行状态；添加图像保存路径，可将显微图像存储到指定文件夹中；最后添加急停按钮，当程序运行出现故障时用来关闭程序。图10为夏孢子显微图像远程采集软件界面。

图10 夏孢子显微图像远程采集软件界面Fig.10 Software interface of urediniospore micro-image remote acquisition

3 试验结果与分析

3.1 试验环境搭建及仪器布置

为了验证本仪器能否长时间稳定地远程采集高倍数、高分辨率的夏孢子显微图像，进行了显微图像采集试验。

参照文献[3]，供试小麦材料选用易感病品种小堰22，经浸种、催芽后，于2017年10月12日播种于西北农林科技大学小麦人工病圃农田中，播种面积为1 000 m2。待小麦长到拔节期，用0.02%吐温-80溶液，将实验室繁育的新鲜小麦条锈病菌夏孢子配制成质量浓度为0.125 mg/mL的孢子悬浮液，于2018年4月5日傍晚给小麦接种。接种后用经水喷雾处理的塑料薄膜覆盖12 h，以保持饱和湿度，次日08:30揭去塑料薄膜，以促其发病。

2018年4月20日，小麦条锈病开始大规模发病，于当天开始在农田中进行为期40 d的综合测试试验，直到冬小麦成熟期初期结束，仪器在小麦田间布放情况如图11所示。

图11 仪器布放图Fig.11 Device deployment diagram

3.2 系统软件运行测试

为了测试系统运行稳定性，在服务器端运行TeamViewer软件实现对系统的远程控制，进而对系统参数进行设置：采集开始时间设置为09:00，孢子捕捉时长为2 h，每天采集1次，共采集40次，X轴和Z轴脉冲数扫描间距均为5 000，光源预热时间为5 min，摄像头曝光时间为85 000 μs，色温为6 503 K，饱和度为128，其他摄像头参数采用默认值。参数设置完后，软件一键启动自动运行捕捉空中夏孢子和采集显微图像，并且保存至系统本地硬盘，或将图像无线传输至服务器。执行40次采集任务总共采集了480幅显微图像，放大倍数为400倍，分辨率为4 096像素×3 288像素，JPEG格式，单幅图像大小为601 KB。

3.3 图像对比与分析

为了对比系统采集的夏孢子显微图像的质量，将系统采集的图像与研究级显微镜采集的图像进行对比。用研究级倒置显微镜(BX52型，Olympus，日本)和数码成像系统(DP72型，Olympus，日本)对夏孢子临时载玻片进行观察、拍照，共获得50幅夏孢子图像，放大倍数为400倍，分辨率为4 140像素×3 096 像素，JPEG格式，单幅图像大小为798 KB。图12为系统采集图像与研究级显微镜采集图像的对比。

图12 小麦条锈病菌夏孢子显微图像对比Fig.12 Micro-images comparison of urediniospores of Puccinia striiformis f. sp. tritici

从图12a可以看出，系统能够采集放大400倍的4 096像素×3 288像素的夏孢子显微图像；夏孢子外观呈橙黄色，外形似椭圆，清晰度较高；夏孢子相互粘连现象较多，由于夏孢子是立体结构，当夏孢子出现部分重叠时，由于放大倍数大，景深小，重叠在上部的孢子无法聚焦，少量孢子会变模糊；图像背景呈淡黄色，由于载玻片上涂抹了一薄层凡士林，显微放大后背景中存在晶体条状凡士林。

图12b中研究级显微镜采集的夏孢子显微图像的夏孢子边界轮廓都比较清晰，直观上颜色有一定差异，主要原因是研究级显微镜所采用的数码成像系统制造更加精密、昂贵。虽然本文方法采集的图像背景颜色和研究级显微镜采集的相比有一定差距，但不影响夏孢子的识别和计数，所采集的显微图像可满足夏孢子监测的要求[25]。

3.4 能量可用性测试

在野外小麦田间对系统进行了为期40 d的能量可用性测试。蓄电池容量为65 A·h，额定电压为12 V，实际电压为10.8～13.7 V，在充放电控制器的作用下，低于10.8 V时停止放电，高于13.7 V时停止充电。太阳能电池板在光照充足的晴天经过8 h左右，即可将蓄电池从10.8 V充到13.7 V，在连续7 d以上的阴雨天气时蓄电池电压的最低值为10.8 V。在40 d的连续测试中，系统可以有效地工作，仅在连续7 d以上阴雨天气、光照严重不足、太阳能供电不足的情况下系统出现过1次断电而停止工作，为保证连续40 d的显微图像采集，采用更换备用蓄电池保持系统继续工作。

4 结论

(1)针对目前使用的孢子捕捉设备存在的不足，基于ARK-1123C型嵌入式工控机和显微镜CCD数字摄像头，提出了一种高放大倍数、高分辨率的小麦条锈病菌夏孢子显微图像远程采集系统的设计方案，系统能够实现小麦田间空气中夏孢子的持续监测。

(2)设计了由载玻片取片机构、载物台、涂脂机构、孢子捕捉风道、显微图像采集机构组成的夏孢子捕捉及显微图像采集模块、无线通信模块和太阳能供电模块等硬件，以及主控端夏孢子显微图像采集软件，可自动完成取载玻片、涂脂、空中孢子捕捉、孢子显微图像采集、载玻片回收等功能，且可根据用户需求远程设置孢子捕捉和显微图像采集参数，采集的图像通过无线网络传输到远程服务器中。

(3)田间试验表明，系统可自动完成夏孢子捕捉和显微图像采集，能够远程实时采集放大400倍的4 096像素×3 288像素的夏孢子显微图像，可满足小麦田间夏孢子监测的要求。系统能长时间稳定工作，可为农田空气中小麦条锈病菌夏孢子的自动计数及条锈病的预测预报提供重要的技术支持，也可为其他气传性真菌孢子的自动监测提供借鉴思路。