一种栗实象智能检测与无公害处理系统的制作方法

本发明涉及智能检测技术与食品安全生产领域，具体涉及一种栗实象智能检测与无公害处理系统。

背景技术：

板栗是我国种植范围最广的一类淀粉质坚果，多生于低山丘陵缓坡及河滩地带，虫害较多，被害果实丧失食用价值和经济价值。危害板栗的蛀果害虫最主要是栗实象（又叫栗实象甲）。栗实象对板栗的危害率为25%-40%，有的地方高达70%以上。

当前，我国对栗实象的检测绝大多数还停留在原始的肉眼观察阶段，对板栗等坚果类虫害的处理方法大都还采用化学熏蒸、灯光诱杀及喷洒农药等防虫法。这些检测与防治方法不仅缺乏科学性、实时性，智能性不高；而且具有食品安全隐患和环境污染等问题，不利于提升板栗品质和附加值。如何从源头上对栗实象在还未对果实造成危害之前就开展检测以便进行无公害防治,对发展板栗生产,减少栗农经济损失已迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种栗实象智能检测与无公害处理系统，以解决上述背景技术中的诸多缺点，并实现节能环保。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种栗实象智能检测与无公害处理系统，包括移动控制端（又称上位机）、无线通信模块和栗实象检杀系统（又称下位机）。上位机集显示、预警、控制于一体，由移动通信终端构成，与下位机通过无线网络通信。下位机以dsp处理器为核心，包括栗实象在线检测系统和无害化捕杀系统。在线检测系统检测栗实象主要生物特性参数，并将其与预先存储在dsp内的栗实象生物特性标准值进行对比，诊断出有无虫害存在,并将诊断结果和检测信息通过无线通信模块上传至上位机显示。若有虫害，上位机上设置的报警器报警；用户将依据虫害情况通过移动控制端适时向dsp处理器发出捕杀指令，dsp接收到捕杀指令后开启无害化捕杀系统，实施对栗实象的捕杀。无害化捕杀系统采用rf/mw介电加热杀虫和诱捕灯两套设备，以实现对栗实象的组合捕杀。无线通信模块是上位机与下位机间的信息传输媒介。

在本发明中，所述移动控制端即上位机由移动通信终端构成；上位机上设计有主子三层结构的ui操作界面，实现良好的人机对话；主界面用来显示信息、发出预警和操作功能控制；第二层ui子界面用来查看虫害具体位置，第三层ui子界面用来打启和关闭捕杀系统。

在本发明中，所述栗实象在线检测系统主要包括音频检测模块、声波检测模块、风速检测模块。所述音频检测模块包括：带整形放大电路和带通滤波器的音频传感器、第一多路开关和鉴频器。音频传感器依次通过第一多路开关、鉴频器与dsp处理器相连。音频检测模块用于采集栗实象出土羽化后飞往板栗树上时翅膀扇动频率参数和害虫方位信息，并将其送入所述dsp处理器中，进行算数处理和对比。所述声波检测模块主要包括：带整形放大电路和带通滤波器的声波传感器、第二多路开关和频谱分析仪。声波传感器依次通过第二多路开关、频谱分析仪与dsp处理器相连。声波检测模块用于采集栗实象成虫在啃食板栗树上幼嫩组织（如嫩叶等）时的声波频率参数和虫害方位信息，并将其送入所述dsp处理器中，进行算数处理和对比。所述风速检测模块包括三杯式风速传感器和信号放大器电路。三杯式风速传感器通过信号放大器电路直接与dsp处理器相连，风速检测模块用于监测被测板栗园的当前风速和风向。通过所述风速检测模块，建立音频在空气中传播时和风速间的函数对应关系以及声频传输播速度和风速间的函数对应关系，减少风速、风向对音频检测、声频检测的影响。下位机与无线通信模块均与混合电源模块相连；混合电源模块给以dsp处理器为核心的下位机和无线通信模块提供工作电源。

各功能模块与处理器之间通过单向串口总线相连接。在考虑风速、风向对音频、声频影响的基础上，实现多角度、准确地对栗实象主要生物特性参数进行检测。

在本发明中，所述无线通信模块是上位机与下位机间的信息传输媒介。无线通信模块采用紧凑型的gsm/gprs通信模块或无线路由器。gsm/gprs通信模块或无线路由器均通过uart与dsp处理器通信，无线通信模块与移动控制端则通过无线网络传递数据指令。混合电源模块给无线通信模块提供工作电压。

在本发明中，所述无害化捕杀系统采用rf/mw介电加热杀虫和诱捕灯两套设备，开展多种方式捕杀，以实现对栗实象的组合捕杀，提高捕杀率。其中，rf/mw介电加热杀虫设备包括dds频率合成器、时钟、差分器、功率放大器和带匹配电阻的发射天线；诱捕灯通过继电器驱动电路与dsp处理器的i/o口相连。dsp处理器依次通过dds频率合成器、功率放大器与发射天线相连，时钟通过差分器与dds频率合成器相连。

在本发明中，所述栗实象智能检测与无公害处理系统的处理器为管脚带a/d转换的ti公司的tms320c28x系列dsp，以满足复杂信息的数据处理与运算及数据存储等。

在本发明中，所述混合电源模块以12v可充电锂电池组为核心，采用电力和太阳能两种混合方式给其充电，节能环保。混合电源模块给以dsp处理器为核心的下位机系统及无线通信模块供电。

本发明有益效果：①本发明通过低频的音频检测模块、声波检测模块与风速检测模块相结合，既排除了风速风向对检测栗实象主要生物特性参数的影响，又实现了多角度全方位无死角监测，有效提高了监测数据的实时性、准确性和可靠性，有利于用户及时准确地掌握板栗园栗实象虫害情况；②利用rf/mw介电加热杀虫和诱捕灯两套设备相结合，开展多种方式捕杀，既能确保对栗实象的捕杀率，又克服了化学熏蒸、喷洒农药等防虫法带来的食品安全隐患和环境污染等问题，有利于提升板栗品质和附加值，对发展板栗生产,减少栗农经济损失意义重大。

附图说明

图1为本发明栗实象智能检测与无公害处理系统结构图。

图2为本发明的具体实施例整个系统控制流程图。

图3为本发明的上位机ui操作主界面设计图。

图4为本发明的栗实象在线检测系统结构图。

图5为本发明的栗实象无害化捕杀系统结构图。

图6为本发明的电源装置结构图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1、图2所示的栗实象智能检测与无公害处理系统结构图及其系统控制流程图。在本实施例中，栗实象智能检测与无公害处理系统，包括移动控制端（又称上位机）、无线通信模块和栗实象检杀系统（又称下位机）。上位机集显示、预警、控制于一体，由移动通信终端构成，与下位机通过无线网络通信。下位机以dsp处理器为核心，包括栗实象在线检测系统和无害化捕杀系统。在线检测系统检测栗实象主要生物特性参数，并将其与预先存储在dsp处理器内的栗实象生物特性标准值进行对比，诊断出有无虫害存在,并将诊断结果和检测信息通过无线通信模块上传至上位机显示。若有虫害，上位机上设置的报警器报警；用户将依据虫害情况通过移动控制端适时向dsp处理器发出捕杀指令，dsp处理器接收到指令后开启无害化捕杀系统，实施对栗实象的捕杀。无害化捕杀系统采用rf/mw介电加热杀虫和诱捕灯两套设备，以实现对栗实象的组合捕杀。无线通信模块是上位机与下位机间的信息传输媒介。

参见图3所示的移动控制端（又称上位机,如各类智能手机、ipad等）ui操作主界面布局示意图。在本实施例中，所述上位机上设计有主子三层结构的ui操作界面，实现良好的人机对话。所述ui操作主界面左上侧设置有文本报警区，用以显示如“请注意！已检测到栗实象。”的文本预警信息；所述ui操作主界面左下角设置有声波检测通道查询按钮，用于查询具体是哪些声波传感器检测到栗实象，根据声波传感器的安置位置来确立发现虫害的具体位置；ui操作主界面正中间上端，设置有红色闪烁报警器；ui操作主界面正中间下端，设置有方位显示区，正常情况下为绿色，若某个表示箭头变红并闪烁，就代表哪个方位检测到栗实象，给用户一个的总体方位提示，但具体虫害位置依靠声波检测通道查询按钮和音频检测通道查询按钮来查看；ui操作主界面右上角设置有风速、风向参数显示区；右下角设置有音频检测通道查询按钮，用于查询具体是哪些音频传感器检测到栗实象，根据音频传感器的具体安置位置来确立发现虫害的具体位置。第二层ui界面位于声波、音频这两个检测通道查询按钮的后台，上面分别设置了两套并列排列的绿色可变红色、可抖动按键。分别与分布在栗园不同位置上的声波、音频传感编号一一对应。一套与声波传感编号一一对应、另一套音频传感编号一一对应。且安装在同一地点的声波、音频传感编号一致，该编号也设定为捕杀系统的编号。这样每个按键不仅代表一个传感器也就代表了一套捕杀系统。当其中的某个或某些按键由绿色变为红色并不断地在抖动时，就说明该声波或音频传感器近距离检测到栗实象，根据声波或音频传感器在园区具体安置位置来确立发现虫害的具体位置。第三层ui界面位于各传感编号后台（即绿色可变色、可抖动按键后台。），只有“开”与“关”两个按键，每一个传感器对应一组“开”与“关。用来打启和关闭无害化捕杀系统。点击任意一个代表传感器的按键就能进入第三层ui界面，在该界面中选择“开”、“关”无害化捕杀系统。

参见图4，在本实施例中，栗实象在线检测系统包括音频检测模块、声波检测模块、风速检测模块。音频检测模块包括：带整形放大电路和带通滤波器的音频传感器、第一多路开关和鉴频器。音频传感器依次通过第一多路开关、鉴频器与dsp处理器相连。声波检测模块包括：带整形放大电路和带通滤波器的声波传感器、第二多路开关和频谱分析仪。声波传感器依次通过第二多路开关、频谱分析仪与dsp处理器相连。风速检测模块包括三杯式风速传感器和信号放大器电路。三杯式风速传感器通过信号放大器电路直接与处理器相连。混合电源模块给整个检测系统供电。所述处理器选用运算分析能力强的dsp——tms320c28x系列（如tms320f28335）。混合电源模块给以dsp处理器为核心的下位机系统及无线通信模块供电。

在本实施例中，所述无线通信模块。无线通信模块是上位机与下位机间的信息传输媒介。无线通信模块采用紧凑型的gsm/gprs通信模块或无线路由器。所述gsm/gprs通信模块或无线路由器均通过uart与dsp处理器通信，无线通信模块与移动控制端则通过无线网络传递数据指令。混合电源模块给无线通信模块提供5v工作电压。

在本实施例中，当系统开启后,dsp处理器接收声波传感器、音频传感器模块送来的信号。若被测环境中无风时，以设定的时间(如60s或更长，用户可自由设定)为单位，声波信号经声波传感器自带的低噪声整形放大电路和带通滤波器后，可得到没有噪声的栗实象啃食板栗树幼嫩组织的声波信号，得到没有噪声的栗实象啃食板栗树幼嫩组织的声波基波信号，该声波信号经第二多路选择开关、频谱分析确认后输入dsp处理器。同时，低频的音频传感器采集的信号经音频传感器自带的整形放大电路和带通滤波器后，通过多路选择开关，经鉴频器鉴频后可直接得到翅膀扇动时的音频信号送入dsp处理器，dsp处理器将这两路信号与预先预置在dsp处理器内的栗实象生物特性标准值相比较，在允许误差范围内（如5%的频率误差），判断出有无检测到栗实象。若被测环境中有风时，板栗树枝之间、树叶与树枝之间、树叶之间就会拍打、摇晃振动和摩擦，产生噪声，对音频检测和声频检测产生影响。为从已叠加了噪声的音频和声频信号中成功地提取出主要生物特性参数，为此，dsp处理器将根据风速（风级）的大小分别采取不同的方法来分离和提取主要生物特性参数。当风速传感器测得的风速较小（如二级风及以下）时，这时噪声信号频率比主要生物特性参数小得多，对音频检测和声频检测信息够不成大的影响。dsp处理器根据程序设计，将自动采用傅立叶变换，通过对音频和声频传感器的输入信号进行分析，就能很好地分析原信号，提取出音频检测和声频检测信息中栗实象的主要生物特性参数，判断出有无检测到栗实象；当风速传感器测得的风速较大（如三—五级风）时，这时噪声信号频率与主要生物特性参数相近，这时利用傅立叶变换，分析和提取出主要生物特性参数将存在很大误差。因此，dsp处理器根据程序设计，将自动采用最小二乘法来对音频和声频传感器的输入信号进行分析，在观测矩阵的基础上利用2范数最小的终止准则，通过求解线性方程，辨识出相近信号组成的特性参数（如幅值、相角等）。从而有效地辨识和提取出音频检测和声频检测信息中栗实象的主要生物特性参数，判断出有无检测到栗实象。

在上述各种情况下，若检测到栗实象，下位机的dsp处理器将检测信息上传上位机显示；同时，上位机上主ui界面上的红色闪烁报警器闪烁、文本报警区提示“请注意！已检测到栗实象。”的文本预警信息；图3中的方位显示区显示大致方位。报警时间设定为60s(用户可根据实际情况自主地来设定报警时间长短。)，60s后系统自动关闭报警器。若想要查看栗实象的具体虫害位置，将通过点击ui操作主界面上的“声波检测通道查询按钮”和“音频检测通道查询按钮”，进入对应的第二层ui子界面。查看第二层ui子界面上所设置的两套并列排列的绿色可变色、可抖动按键，哪个或哪些按键由绿色变为红色并不断地抖动时，就说明相应传感器近距离检测到栗实象。根据传感器在园区安装位置就能确定虫害的具体发生地点。点击第二层上代表各个传感器的已变色、在抖动按键，就进入第三层ui界面，通过上面的“开”与“关”两个按键，来开启和关闭无害化捕杀系统。开启捕杀系统后将实时查看上位机上的报警器，来判断该区域是否还有栗实象，若没有就关闭捕杀系统，并消除报警。

在本实施例中，对傅立叶变换和最小二乘法等运算处理方法的编程采用matlab来实现，利用matlab生成dsp的c程序并导入本实施例dsp所创建的工程中，编译下载在dsp中，以解决matlab程序与dsp间的不兼容。当风速传感器测得的风速更大（如六级及以上风）时，这时栗实象既不会啃食板栗树幼嫩组织，也没有能力展开翅膀往树上飞了。这时dsp处理器根据程序设计自动关机。

在本实施例中，利用风速检测模块采集板栗园区内风速风向信息，并送入dsp处理器进行处理与分析，可极大地降低检测的误报率。dsp处理器输出，一方面把数据存储在自身存储内。另一方面，向上位机输出，并驱动报警器发出报警信号。

在本实施例中，栗实象在线检测系统中的声波传感器和音频传感器布置情况如下：在一定面积的板栗种植园内(如一亩地)的中间位置为原点，把园区分为上下左右四个区域，在每个区域内以原点为出发点，采用扇形分布式结构，音频传感器和声波传感器成对地、较均匀地将已编号的声波传感器（如cry2110/2112等系列，16或32个等）、频音频传感器(如mp34dt02tr系列，16或32个等)安放在树枝和树干上，声波传感器敏感部件紧贴树枝或夹住树枝，音频传感器背靠树干振动面朝外，分别用来采集板栗种植园内中栗实象啃食板栗树幼嫩组织的声信号和羽化后的栗实象成虫飞往板栗树时翅膀扇动时的音频信号。在四个区域的约中间位置各放置1个风速检测传感器（如lvfsc系列）。

参见图5所示，在本实施例中，无害化捕杀系统采用rf/mw介电加热杀虫和诱捕灯两套设备，开展多种方式捕杀，以提高对栗实象的捕杀率。其中，rf/mw介电加热杀虫设备包括dds频率合成器、功率放大器、差分器、时钟和带匹配电阻的发射天线；诱捕灯通过继电器驱动电路与dsp处理器的i/o相连。dsp处理器依次通过dds频率合成器、功率放大器与发射天线相连，时钟通过差分器与dds频率合成器相连。当系统开启后,上位机接收从栗实象在线检测系统经无线通信模块传输来的信息。若检测到栗实象，上位机通过无线通信模块发出捕杀虫害指令，dsp处理器接收到上位机发出的指令后，分别向dds频率合成器和继电器驱动电路输出高电平，驱动dds合成频率和诱捕灯打开。

在本实施例中，为提高rf/mw介电加热对栗实象的捕杀效果，考虑到介电加热在虫害个体中产生不良生物学反应的差异，dds频率合成器采用扫描工作方式，在该工作方式下，根据软件设计合成对栗实象介电加热最为显著而又给板栗等带来较小影响的27mhz主杀虫频点和5mhz扫描半径，并该主频点为中心轴、5m为最大半径，在主频点来回扫描形成22m-32mhz的杀虫频带，之后通过功率放大器放大以获得3w功率，放大后的rf波经带50欧姆匹配电阻的发射天线发射出去，实现介电加热杀虫。

在本实施例中，dds频率合成器选用ad公司的ad9852或ad9854，完全能满足小步进、相位连续、频率转换速率高、稳定时间短、低相位噪声、易于实现数字调制之要求。dds的最高内部时钟频率为80mhz，其外围时钟电路选用16mhz高精度的osc系列晶体振荡器，ad9852将通过内部的倍频器（5倍频）来产生所需的80mhz最高时钟信号。ad9852的可编程工作模式，采用斜坡fsk工作模式，以实现小步进。其寄存器对应地址设置为0x04。射频放大器以mpp6660场效应管为核心，外加一些高频滤波电路。

在本实施例中，ad9852的采样时钟信号采用差分形式以优化性能。差分输出可直接耦合到dds的refclk和refclkb引脚，这两个引脚在片内被偏置，无需外加偏置电路。为了提高时钟信号的差分输入质量，本实施例采用了motorola公司的低压差分接收芯片mc100lvel16。

在本实施例中，dds正常工作时电流消耗较大，可达500ma及以上，故采用以高隔离电源dcm5d12hv为核心的独立混合电源模块给该器件供电。为降低电源的高频分量所产生辐射对dds的影响，在靠近混合电源模块的输出端，设置和的去耦电容。

在本实施例中，栗实象无害化捕杀系统的发射天线和诱捕灯的个数、编号和区位与栗实象在线检测系统的传感器（音频传感器和声波传感器）个数与编号一一对应。

参见图6所示，在本实施例中，所述混合电源模块给整个下位系统供电，给混合电源模块的供电采用太阳能混合供电方式。一是通过220vac电源经过12v充电器，给12v锂电池充电；二是由太阳能供电。由于光伏板输出受光线强弱入射角度影响波动较大，直接使用对锂电池损坏较大，为此，在光伏板与锂电池之间要增设防逆流和过充控制器。当充电电压范围和12v电池的额定电压范围接近时，可使充电过程工作在最大功率点附近，其充电效率更高。为此根据光伏板面板的填充因子，选用最大功率点电压为vmpp≈18v的光伏板。

在本实施例中，控制器所驱动的负载较多，为减少各负载工作时的相互干扰、提高系统的稳定性，根据各功能模块的工作电压不同，本发明混合电源模块将对功能模块供电采用独立供电方式。所述12v可充电锂电池的输出电压被分成五路：其中：第一路经高效率线性三端线性稳压管ams1117-3.3降稳压后再分成两路，一路经滤波后输出3.3v，给dsp的i/o供电，一路经调压电路调节10k电位器高压、滤波后输出1.9v，给dsp的内核供电；第二路经五端稳降器如dc-dc隔离混合电源模块b1205s-2wr3降稳压、滤波后输出5v，给声波检测模块、给风速检测模块、通信模块、诱捕灯、继电器驱动电路等供电；第三路经过三端稳降器如lm2576-adj，调压电路调节10k电位器，经稳压、滤波后输出3v，给低功耗的音频速检测模块等供电，第四路为dds专用电源，经高隔离电源dcm5d12hv，滤波后给dds供电。第五路为12v，直接给诱捕灯供电。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。