松墨天牛智能监测预警技术系统的设计与实现

张福山，杨际伟，何学友，蔡守平，林永群

(1.福建省科技厅农牧业科研中试中心，福建 福州 350012； 2.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012)

松墨天牛(MonochamusalternatesHope)是我国松树的毁灭性病害松材线虫病(Bursaphelenchusxylophilus)的主要媒介昆虫[1]。在松材线虫的扩散和侵染过程中，松墨天牛起着携带、传播和协助病原侵入寄主的关键性作用。松材线虫病侵入我国30年来，累计致死松树5亿多株，毁灭松林33.33万hm2以上，造成极大经济损失[2]，严重影响所在林区森林生态系统的可持续发展。因此，松墨天牛虫情的准确监测与预警对提高松材线虫防控能力，保护森林生态系统具有十分重要的作用。

松墨天牛成虫期长达210 d(4—10月)，平均监测期有180 d左右(30周)[3]。目前，松墨天牛虫情监测主要是依靠诱捕器+引诱剂诱捕后进行人工计数[4-5]，频率一般为7 d一次，工作环境较为恶劣，工作量大，人工成本高；并且集虫筒中松墨天牛虫体易腐烂，从而导致虫口计数存在误差。

虫害智能监测预警技术是一项跨学科高度集成的系统技术。随着物联网等信息技术的快速发展，害虫智能监测预警技术的研究进程也开始加快，在林业害虫方面的研究应用也不断增多，但在松材线虫及其传媒松墨天牛监测预警方面的研究较少。李念祥等[6]采用图像识别技术对松材线虫病零星病害木进行远程计数；葛宏立[7]采用遥感图像技术对松材线虫病零星病害木进行动态监测。关于松墨天牛的智能监测预警技术，尚未有研究报道。本文根据松墨天牛虫情监测的技术需求，应用物联网、云服务等新技术，研究设计一套松墨天牛智能监测预警技术系统，实现松墨天牛虫情实时、远程、准确的监测与智能预警，提高松墨天牛虫情监测的时效性、准确性，有利于制定、实施科学防控措施，为及时控制松墨天牛虫口数量、防治松材线虫病扩散传播，减轻松材线虫病带来的损失提供可能。

1 松墨天牛虫情监测因素

1.1 诱捕数量

通过对松墨天牛连续、定点诱捕，统计捕虫数量并进行数据分析，是最直接有效的松墨天牛虫情监测预警方法。其中，捕虫数量统计工作的实时性、准确性十分重要，能够真实有效地反映松墨天牛活动规律。为进一步佐证捕虫情况，设计远程图像抓拍系统，定时抓拍捕虫瓶图像。

1.2 空气温度与空气湿度

空气温度与空气湿度影响松墨天牛的寿命、羽化率[8]，进而影响松墨天牛的发生程度[9]。高温和高湿可以增加松墨天牛的羽化率。究其原因，可能是高温条件可以加快其发育速率，使松墨天牛尽早完成生活史。因此尽管寿命缩短，但羽化率较高。高湿度条件对于松墨天牛的存活更加重要，长时间处于高湿状态下，可以减少水分蒸发，延长寿命，进而提升其羽化率[8]。翁少容[9]研究表明，气温能够显著影响松墨天牛的发生面积，随着年均温的升高，该虫为害面积增大。因此，注重对松墨天牛活动环境中空气温度与空气湿度的分析应用，可为松墨天牛的预测预报提供参考。

2 松墨天牛虫情监测方法

2.1 监测参数

由上面分析可知，松墨天牛需着重监测3个参数：捕虫数量、空气温度、空气湿度。捕虫数量是松墨天牛虫情监测核心指标，空气温度与空气湿度用于综合分析松墨天牛生活习性与活动规律。监测这3个参数的变化情况并及时发出预警信息，能够较好地实现松墨天牛科学预测预报。

2.2 监测范围、周期和频率

目前，福建松墨天牛成虫期长达210 d(4—10月)，平均监测期有180 d左右。选择有松墨天牛虫害的森林布设松墨天牛智能监测预警技术系统。捕虫数量实时在线统计，空气温度与空气湿度每10 min记录并上报1次，图像每6 h抓拍1次，起始时间为00∶00。在福州国家森林公园设监测试验点。

3 系统设计

图1 松墨天牛智能监测预警技术系统总体结构设计图

根据松墨天牛虫情监测预警的技术需求，采用智能监测、预警与专家决策相结合的技术路线，通过物联网技术在线实时监测松林中松墨天牛诱捕情况，记录虫情监测位点的空气温度和空气湿度，通过移动通信与云服务技术支持，提供及时准确的松墨天牛诱捕数量及预警信息。同时，管理员可利用云平台，结合记录空气温度与空气湿度数据，对松墨天牛虫情监测情况进行系统性分析，作出科学的虫情预测预报。总体结构设计图见图1。

图2 松墨天牛智能诱捕器主要硬件配置示意图

4 硬件子系统的配置与优化

根据松墨天牛智能监测预警技术系统功能实现的要求，硬件子系统即为松墨天牛智能诱捕器，构建目标为研发配置出性能稳定、可靠的农业物联网技术产品。其要求：一是诱捕装置与参数监测装置牢固、稳定、可靠，并能适应复杂的森林环境，如高湿环境、野生动物破坏等；二是产品要适应森林山区通讯信号差及没有有线电源的特殊情况。

经设计，本硬件子系统采用松墨天牛信息引诱剂对松墨天牛定向诱捕，采用6000 V高压直流电击杀松墨天牛；计数装置采用光电计数器对落入捕虫瓶的松墨天牛进行计数统计，抓拍装置采用网络摄像机远程抓拍捕虫瓶图像，辅助统计分析捕虫情况，以信息采集装置为通信核心组件进行远程信息传输，采用太阳能供电装置提高户外应用能力。智能诱捕器主要硬件配置示意图见图2。

4.1 信息采集器

选择厦门四信物联网科技有限公司的F9164-N型远程测控终端(即RTU)作为信息采集器的基础硬件，以此为基础从硬件与软件方面开发与优化，以实现松墨天牛智能诱捕器监测数据的采集、传输与指令下达等功能。如图3所示，信息采集器基于“通信控制处理器(ARM9嵌入式系统)+GPRS模块”。通信控制处理器集成2个RS232接口、2个RS485接口、4路模拟量输入接口(16位AD)、2路开关量输入接口、2路开关量(I/O)输出接口(继电器驱动)，内置温度测量，片内FLASH实时数据保存，内部时钟计时，采样频率85.6 ksps；支持GPRS、CDMA、3G、4G等通信方式，短信为备份传输通道。信息采集器软件部分以嵌入式实时操作系统为支撑平台，遵守MODBUS协议，报文协议采用HJ/T212通讯协议；采用模块化设计，分为初始化模块、参数配置模块、GPRS链路建立模块、数据传输模块等。

智能诱捕器功能组件接入信息采集器说明：光电计数器以开关量输入；空气温度与空气湿度传感器接RS485通讯接口，风扇接开关量输出1(继电器K1)，与空气湿度关联；网络摄像机接RS485通讯接口，与网络摄像机关联。

图3 信息采集器结构与配置图

信息采集器设计稳定可靠：WDT设计，防止程序发生死循环；内置15KV ESD保护，电源接口内置反相保护和过压保护，天线接口具有防雷保护；宽电源输入(DC 5～36 V)，宽温设计，耐高低温，耐强电磁干扰；低功耗设计：支持多种工作模式(包括自报式、查询式、兼容式等)，最大限度降低功耗。

4.2 高压电网装置

高压电网装置用于击杀松墨天牛。高压电网上部为圆形塑料顶盖，下部为塑料漏斗，中间为松墨天牛信息引诱剂(采用福建省林业科学研究院FJ-MA-02松墨天牛引诱剂)。松墨天牛经信息引诱剂吸引，触碰高压电网后被击伤(高压电网24 h带电，高压发生器使高压电网瞬间电压达到6000 V)，落入捕虫瓶中。

4.3 计数装置

采用漫反射型光电计数器作为计数装置，松墨天牛虫体经光滑通道落入捕虫瓶前被光电计数器感应计数。安装网络摄像机，远程抓拍捕虫瓶图像，以验证捕虫计数准确性，并检查捕虫与计数装置运行情况。

4.4 空气温度与空气湿度传感器

选择485通讯型空气温度与空气湿度传感器。温度传感器用NTC热敏电阻制作，温度变化转为电压变化，经仪用放大器放大后通过AD转换为数字信号传输给主机处理[10]。空气湿度传感器类型为霍尼韦尔型，采用激光微调设计，具有稳定性强，低漂移的特点。空气温度传感器与空气湿度传感器安装在塑料百叶箱的一端。为解决阴雨、高湿天气传感器结露失准的问题，在塑料百叶箱另一端安装直流风扇，在空气湿度饱和时开启，以加速空气流动的方式去除传感器结露，恢复传感器的信息感知功能。

4.5 供电装置

为方便户外用电并提高设备续航能力，采用太阳能供电模式。主要组件有多晶硅太阳能板、免维护铅酸蓄电池组、充放电控制器。合理选择太阳能板大小与蓄电池规格，优化供电、充电、放电控制。选择低功耗用电元器件，采用部分装置定时启动、信息定时传输的方式，进一步节省用电量，提高林下太阳能蓄电缓慢情况下系统的续航能力。

4.6 防护措施

考虑山地、林地恶劣环境，配套设计一系列防护装置。智能诱捕器的安装机柜为不锈钢材质，牢固耐用，基部配水泥基座，防倾倒，顶部配雨遮，防风防雨，设计排水孔、通风百叶、避雷引线。在供电装置中加入电量过充、过放保护元件，防高压回流保护元件，防止连续放电导致灯体自燃；加入雨控元件，在暴雨天气，高压电网自动断电保护。

5 软件子系统的开发

图4 三层式Web结构示意图

图5 松墨天牛智能监测预警信息管理系统拓扑结构图

图6 松墨天牛智能监测预警信息管理系统应用功能图

软件子系统即松墨天牛智能监测预警信息管理系统，通过对松墨天牛虫害发生的风险进行剖析，以松墨天牛发生过程中所表现出来的与警源、警兆、警情相关的不同风险因子作为统计指标，建立松墨天牛监测预警指标体系框架和内容；并对预警指标体系指标值权重进行设置，构建松墨天牛的监测预警模型。系统开发操作系统平台为Windows xp/7/10，服务器操作系统为Windows server 2008、Tomcat；编程语言为Java。系统开发所使用关键技术有：Free Marker模版技术、数据库连接池Druid技术、安全权限框架Shiro技术、Ehcache分布式缓存技术。

系统开发平台采用“tomcat + java + mysql”构成三层式Web结构(图4)，使用后台数据库存储信息，前台通过动态技术生成所需页面的方式来进行数据发布，将客户机/服务器结构与Web密切结合，完成前后端两者的集成输出功能。手机客户端采用H5的Hybrid APP 开发模式。松墨天牛智能监测预警信息管理系统拓扑结构图见图5。

信息管理系统开发有电脑客户端与手机客户端(支持安卓系统)2个版本。如图6所示，手机客户端主要功能有：实时在线查看松墨天牛监测数据，接收预警信息，查看历史数据，进行数据统计分析，获得专家预测预报信息等。电脑客户端除了具有手机客户端所有功能，还具有以下功能：用户管理，完成系统用户的查询、增加、删除、修改、分配用户权限、初始化密码等操作；设备管理，根据硬件子系统核心设备编号，增加、删除或修改松墨天牛虫情监测点信息；系统备份，对数据库进行安全备份等。

监测、预警方式有：手机客户端、电脑客户端、短信、电话等。软件子系统通过多种监测预警方式确保监测预警信息有效送达。

6 系统测试

经测试，松墨天牛智能监测预警技术系统可实时在线监测空气温度、湿度，实现连续监测不断线，监测的空气温度、湿度与气象标准的温度计、湿度计监测结果相比较，误差平均绝对值分别为0.3 ℃、3.6% RH。随着空气温度与空气湿度监测数据的不断积累，结合松墨天牛诱捕计数情况，可以进行虫情活动规律相关性分析，为松墨天牛的预测预报提供参考。

开展林间技术系统测试。在福州国家森林公园松材线虫病发生区域分别布设松墨天牛智能诱捕器(智能监测预警技术系统)和APF-1型松墨天牛诱捕器，每15 d统计1次松墨天牛诱捕情况。虫口总数量=易识别虫口数量+难识别虫口数量，式中：虫口数量以头、胸、腹能识别齐全的虫体为1次计数；易识别虫口指虫体头、胸、腹部分基本完整并连成一体，容易识别并计数的虫体；难识别虫口是指虫体因腐烂、分解原因，虫体头、胸、腹不能完整连接，但可以识别并进行拼凑，每拼凑1组为计数1次。计数准确率=(易识别虫口数量/虫口总数量)×100%，部分松墨天牛虫体腐烂分解较为严重，头、胸、腹部分不能成组拼凑，难以计数，因此APF-1型松墨天牛诱捕器实际计数准确率低于统计值。诱捕器中落入的其它昆虫或物体是造成计数误差的另一个原因，下一步将针对此问题进一步研究。

试验结果(表1)显示：松墨天牛智能诱捕器的平均计数准确率为93.11%，APF-1型松墨天牛诱捕器的平均计数准确率为80.53%。新技术的计数准确度相对提高15.48%，且没有发现诱捕的虫体腐烂分解，避免了传统诱捕器诱捕的部分虫体腐烂分解造成的计数误差。

表1 技术应用对比试验结果

7 小结

本文根据松墨天牛监测预警的技术需求，应用物联网技术与云服务技术，研制出一套松墨天牛智能监测预警技术系统，实现对松墨天牛的诱捕，并对诱捕的松墨天牛发生数量、活动规律及生态环境实时在线监测，并结合数据分析进行监测预警，为松墨天牛综合控制策略制定提供技术支撑。技术测试结果表明，该技术系统的智能化监测预警功能具有准确度高、时效性强等特点，可显著提高工作效率，有助于提高对松墨天牛监测预警及松材线虫疫情的防控能力。