智能传感模块在判断树木疾病诊断中的应用

摘要：随着技术的发展，传感器的功能越来越完善，已经运用到各行各业。树木是城市绿色发展中的重要组成部分，具有改善生态环境等多种效能。而不健康的树木结构会影响树木生态与景观功能的发挥，而且还可能威胁人民的生命与财产安全。及时调查、正确评估园林树木的健康状况及其潜在危险，因树和因地制宜地采取相应的养护管理措施，不仅有助于园林树木生态功能的发挥以及园林植物景观的可持续发展，还可以确保树木不会对居民、设施与财产安全构成威胁。

关键词：智能传感模块；树木疾病；疾病诊断

一些国家已制定明确的制度进行定期检查，美国农业农村部林务局要求每年都要对城市树木的安全性进行检查；新加坡每隔18个月会由具有执业资格的园艺师对城市树木的健康进行彻底检查[1]。然而对于树木疾病的检测方面，我国的发展仍处于起步阶段，大多数农林、园林、城市绿植工作者仍依赖人工，用眼睛观察，利用经验判断树木的健康情况，很多时候会出现判断不准确、判断不及时等问题，因而造成不必要的财产损失。本文提出一种利用智能传感器模块进行树木疾病诊断的方式，将几类传感器综合运用起来，可以更加智能、科学地判断树木的健康情况。

1 现有树木疾病诊断情况

国外城市树木的活力诊断有许多方法，包括叶片矿物质分析法、维管组织电阻分析法、叶绿素荧光检测法、红外光照相检测法及计算机x射线断层摄影检测法等。然而，大多数方法仅应用于试验中，不能广泛应用到生产实践中[3]。应力波、超声波检测和振动检测方法是利用拾取波穿透林木的初至（即首波到时），解析波场传播速度或频谱NIw8+fIljAQJFo/1MmOkKQ==特征变化来确定林木内部结构特征；射线检测法是测试射线穿透介质后场强衰减变化情况，用吸收系数表征，评价木材及木质复合材料的密度、含水率变化以及缺陷等。受树木结构限制，所布设的数据采集观测系统对探测分辨率及成像效果等都会有一定影响。

2 智能传感模块的选取与介绍

2.1 传感模块选取标准

传感模块的选取遵循物尽其用原则，根据诊断需求进行选择。研究表明，树木疾病与自身所处环境相互影响，因此在树木疾病诊断中，需对树木周边环境进行探测，判断树木所处环境温湿度等环境指标，选取温湿度传感模块；对于树木内部情况，依据啄木鸟仿生原理，对树木进行敲击，收集其反馈的震动数据，判断树木主干是否有腐蚀情况或中空情况，选择频率收集模块；对于树木表面，依据其枝叶的生长状况、枝叶繁茂程度及颜色，判断其是否有枝叶类疾病，选择图像采集模块；综合采集的数据信息，与健康树木状况进行对比，判断其健康情况。

2.2 传感模块选取

2.2.1 温湿度传感模块

温度与湿度是植物生长环境中最基础的环境因素之一，研究表明，植物的疾病会引起周边环境的微量变化。温湿度传感模块也是发展较为成熟的传感模块之一。在温湿度传感模块的选取上，应遵循响应速度快、抗干扰能力强、高性价比的选择标准，选取DHT11温湿度传感器（见图2）。DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器（见图3）[5]。DHT11在传输数据时，一次传输4个字节温湿度值数据和1字节的数据校验，其数据格式为：1B湿度整数数据+1B湿度小数数据+1B温度整数数据+1B温度小数数据+1B校验[4]。

2.2.2 频率收集模块

根据树木经过敲击后反馈出的频率，可以简单判断出树木内部的健康情况。通过采集敲击树木之后产生的声音信息，获得相应的频率特征，进行对树木内部健康状况的具体判断。本研究选取max4466麦克风对声音进行采集并放大，通过单片机adc采集将数据储存在单片机内部，经过傅里叶变换（FFT）计算频谱值，最后通过oled显示屏将具体音频数值显示出来。将计算出的频谱值与相应树种的健康树木数值进行比较，从而判断树木的内部健康状况。

2.2.3 图像采集模块

通过外观上的检查、评价也能较好地反映树木的生长状况，树木的许多疾病会在其外观特征上反映出来，对其外观图像信息进行采集是非常必要的。前人常根据树木的树形、树高、干周、枝叶比、新梢 生长量、叶色、叶面积大小等形态或外貌情况来判断树木的生长势。这些都是树木生长发育的基础生物学指标，是树木在每个生长阶段对自然条件和栽培条件的综合反映。树木生长位置、树干、树冠损伤状况、病虫害状况等也是检查树木健康状况需要考虑的因素[1]。图像采集模块选取Open MV4 H7 R2智能摄像头搭配MT9V034模组进行图像采集与信息处理（表1）。

2.2.4 综合信息处理模块

对树木外部、内部、周边环境等信息进行采集之后，综合的信息处理与对比是得出最终结果的必要过程。综合信息处理的过程包括信息收集与整理、信息对比与概率判断、得出结论。通过对不同树木在不同环境以及不同病情下的环境信息、内部频率特征以及外部图像特征进行采集整理，得到相应的特征数据库，以便信息采集后进行数据对比。综合环境信息、内部频率特征以及外部图像特征的对比信息，以及计算得出其相应的影响水平，最后可以得出树木的健康状况结论，并且诊断出可能存在的疾病及隐患。

3 树木健康评判的影响

3.1 树木大小对评判的影响

树木在不同树龄与大小下体现出的对疾病的抵抗能力有所不同，测量出的数据反映其感病状况的准确性也大不相同。成年树木树冠上部的凌晨水势最低，其次是树冠下部，林下幼树与林窗幼树的凌晨水势最高且差异不显著[2]。另外，不同树龄以及不同大小的树木尽心敲击后所反馈出的声音及频率也有细微差别。因此在利用此方法诊断树木疾病时需要优先判断树木的年龄，进行疾病诊断时应根据树木年龄的不同与不同的数据进行对比，对比的数据需处于健康的数据库区间内。

3.2 树木品种对评判的影响

不同树木品种对周边环境的影响也有所不同，测量的同一温湿度环境指标下，对于喜湿喜干、喜温喜凉的不同品种树木所给出的评判应有所不同。并且，不同品种的树木在外观上也有所不同，具体主要体现为树木枝叶的特征上。树木叶片的颜色与形状是判断树木一些疾病的必要检测标准，根据不同树木特有的枝叶形状与颜色，应设置不同的信息库进行比较。

3.3 树木位置对评判的影响

不同的位置会对树木的生长情况有所影响，同种树木在不同纬度生长会表现出不同的特征。并且，部分木材干缩性和湿胀性有随纬度增加而增大的趋势。不同的栽种位置在测量过程中也会导致测量结果有不同程度的差异。

4 智能传感模块在判断树木疾病诊断中的不足

树木疾病的诊断需要对树木周边环境及自身的相关数据进行测量，智能传感模块的作用就是可以简单快捷地测量出相关数值。现有传感模块大多发展较为完善，但在使用其进行树木相关数据测量时，也显示出很多弊端。利用传感器进行树木疾病监测的前提是准确采集数据和建立庞大的健康树木所具有的数据特征信息库。

首先，基于传感器本身，树木本身处于自然界中，周边环境变化莫测，其中，不免出现恶劣环境，例如，高温、粉尘、潮湿、电磁干扰等，在此环境下，部分传感器表现出适应能力不强、反应较慢、精度不高、稳定性较差的特点。并且，在对树木相关数据进行测量时，要求数据精度足够高，尤其是频率收集模块。而同时，若想要取得足够高的精度，其成本就会大大增加。

其次，数据库方面，同一种树木，需寻找不同树龄大小、不同位置，以及不同大小年龄下患有不同疾病的树木、不同位置下患有不同疾病的树木等各种样本。一种树木的数据库就非常庞大，需要耗费大量的时间与精力。其中不免会有少量树木品种没有被收录进此数据采集基本平台，数据库不全面，可能会造成判断失误的情况。

5 展望

传感器在树木疾病检测诊断方面的应用在未来会更加成熟，运用会更加广泛。除了从温湿度、频率、图像方面进行勘测，未来会增加更多方面的传感器进行综合使用，使得对树木疾病的检测更加便捷与精准。需要逐渐完善树木数值的数据库，增加测量树木的品种以及同种树木的测量位置，增加测量的树木疾病种类，有助于准确、快速判断出树木是否健康，并且可以诊断出具体的疾病以及相应处理方案。

参考文献

[1] 黎彩敏，翁殊斐，林云.园林树木健康与安全性评价研究进展[J].广东农业科学，2009，36（7）：186-189.

[2] 陈志成，刘畅，刘晓静，等.光强和树体大小对锐齿栎树木水、碳平衡的影响[J].林业科学，2017，53（9）：18-25.

[3] 韩明臣，李智勇，张德成.国外城市单株树木的评估方法及管理特点[J].安徽农业科学，2011，39（16）：9620-9622+9625.

[4] 陈黔，冯志君，易向东，等.智能农业环境监测方案的设计与实现[J].福建电脑，2023，39（10）：98-101.

[5] 付文新，王洪丰.基于STM32单片机和DHT11温湿度传感器的温湿度采集系统的设计与实现[J].光源与照明，2022（3）：119-121.