农林ATCSP物联网孢子信息自动捕捉培养系统的制作方法

本实用新型属于农林业生产中病害预测预报技术领域，涉及孢子捕捉及分析技术，具体涉及一种物联网的孢子自动捕捉培养系统。

背景技术：

气传病害多为农林业生产中的主要防控对象，其中白粉病、霜霉病、锈病等是重点防控对象，列入国家病害预测预报项目，每年需要大量的人力物力来完成相关病害的预测预报。而随着空气孢子捕捉仪(如鹤壁佳多科工贸股份有限公司开发的空气孢子捕捉仪)的成功，明显减轻了植保人员预测病害的工作量。

但在预测病害领域，仍然存在基层工作人员不会分析鉴定病原孢子，信息传输慢，数据分享不及时等问题，不能满足日益重要的现代病害预测预报技术的需要。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提出一种孢子自动捕捉培养及统计分析系统，能够在田间实现孢子的信息采集，在室内(如办公室内的电脑上)实现病原的鉴定和病害预测预报。该方案减少了工作人员到田间收集孢子玻片的工作量及污染情况，实现了全天候无人值守连续自动的孢子田间捕捉、实地培养、显微成像、实时数据传输、实时信息共享、专家分析等，科学、合理地实现了孢子的信息采集与鉴定，满足病害预测预报技术的需要，节省了大量的人力物力。

本实用新型首先提供一种孢子自动捕捉系统，包括一由电机驱动的转盘，一装有载玻片的载玻盒，一进风管，一风机，一由电机驱动的推出装置，以及一控制计算机；转盘、推出装置和风机由控制计算机控制运行；载玻盒、进风管和推出装置固定在转盘上方；转盘上设有至少一个凹槽，转盘上的凹槽转动至载玻盒下方时，载玻盒内的载玻片落入凹槽内；之后装有载玻片的凹槽随转盘继续转动至进风管下方，在风机作用下包含孢子的风流进入进风管内，并通过载玻片上的粘合剂采集孢子；之后由推出装置将载玻片推出凹槽。

进一步地，所述凹槽为至少两个，所述载玻盒内装有多片载玻片；第一片载玻片落入第一凹槽内并转动至进风管下方以采集孢子时，第二凹槽位于载玻盒下方并落入第二片载玻片，之后第二片载玻片转动至进风管下方以采集孢子；采集孢子后的载玻片被推出装置推出凹槽后，该凹槽继续转动至载玻盒下方并落入第三片载玻片；如此实现持续的采集。

本实用新型还提供一种孢子自动捕捉、培养系统，在上述装置基础上，还包括培养装置，其包含输液袋、输液管和由电机驱动的用于挤压输液袋的挤压装置，所述输液袋内装有营养液，所述挤压装置由所述控制计算机控制运行；采集孢子后的载玻片随转盘继续转动至该培养装置处，在所述控制计算机的控制和电机的驱动下，通过挤压装置挤压输液袋，使营养液通过输液管定时定量地加在载玻片上，实现自动加液培养；之后由推出装置将载玻片推出凹槽。

进一步地，所述凹槽为至少三个，所述载玻盒内装有多片载玻片；第一片载玻片落入第一凹槽内并转动至进风管下方以采集孢子时，第二凹槽位于载玻盒下方并落入第二片载玻片；采集孢子后的第一片载玻片继续转动至培养装置的输液管下方以进行培养时，第二片载玻片转动至进风管下方以采集孢子，同时第三凹槽位于载玻盒下方并落入第三片载玻片；如此实现持续的采集和培养。

进一步地，所述营养液包含质量百分比为0％～0.3％的葡萄糖，以及质量百分比为0％～0.3％的蛋白胨。

本实用新型还提供一种孢子自动捕捉、培养、成像系统，在上述装置基础上，还包括成像装置，其包含显微镜和摄像机，其中摄像机由电机驱动，并由所述控制计算机控制运行；经过培养后的孢子转动到该成像装置下，经显微镜放大后由电机带动摄像机进行拍照；之后由推出装置将载玻片推出凹槽。

进一步地，所述凹槽为至少四个，所述载玻盒内装有多片载玻片；第一片载玻片落入第一凹槽内并转动至进风管下方以采集孢子时，第二凹槽位于载玻盒下方并落入第二片载玻片；采集孢子后的第一片载玻片继续转动至培养装置的输液管下方以进行培养时，第二片载玻片转动至进风管下方以采集孢子，同时第三凹槽位于载玻盒下方并落入第三片载玻片；进行培养后的第一片载玻片继续转动至成像装置下方时，第二片载玻片位于培养装置的输液管下方以进行培养，同时第三凹槽位于进风管下方以采集孢子，同时第四凹槽于载玻盒下方并落入第四片载玻片；如此实现持续的采集、培养和成像。

进一步地，所述成像装置包含传输模块，用于通过有线或无线方式将拍摄的孢子图像传输至物联网服务器；所述物联网服务器对孢子图像进行处理，包括进行自动分析筛选。

进一步地，所述风机为定量负压气流风机；所述电机为步进电机；所述载玻片为单凹载玻片或者双凹载玻片，在其凹处涂抹粘合剂；所述粘合剂包含甘油、乳酸和吐温；所述进风管的进口处设有过滤装置，用于过滤空中的大颗粒杂物；所述进风管内设有过滤网，用于对进入的风流进行二次过滤。

进一步地，还包括一位于外部的箱体，所述箱体包括一风雨帽和一立体支架。

本实用新型的孢子信息自动捕捉培养系统采用气流定量、定时采集(统一风机型号、通风管道直径，已确定每分钟的气流是一样的，通过控制器即控制计算机控制抽风时间一致，达到气流定量；控制器设定采集时间定时采集孢子次数)，自动培养(可针对不同孢子设定不同培养时间)，自动成像，远程无线传输，实时显示、存储病菌孢子图像；通过病菌图像信息库，分析田间的病原孢子数量的变化，预测病害的发生时间、发生程度和传播路线，是孢子监测的专用设备，能够全天候无人值守连续自动工作。本系统可与物联网系统联网，如与鹤壁佳多科工贸股份有限公司开发的农林ATCSP物联网系统联网(ATCSP为该物联网系统的代号)，达到国家、省、市、县、乡各级信息采集站无线传输、远程控制和信息数据共享。

附图说明

图1是孢子自动捕捉培养系统的结构示意图。

图2A～图2D为内筒200的示意图，其中图2A为内筒去掉上半部分的筒壁后的立体结构示意图，图2B为去掉全部筒壁后的立体结构示意图，图2C为图2B的俯视图，图2D为图2C中C-C截面的剖视图。

图3为转盘及其上面的凹槽的示意图。

图4A～图4C为挤压式微量自动加液装置的示意图，其中图4A、图4C为立体图，图4B为顶视图。

图5为成像装置的结构图。

图6为推出装置的结构图。

图7为推出装置将载玻片推出的示意图。

图8为内筒的底部结构示意图。

图9为进行孢子信息自动捕捉培养及统计分析的流程图。

图10～图12为病害发生程度与捕获的病菌数量关系的线性相关分析图。其中图10为病害发生程度与当日捕获孢子囊量关系，图11为病害发生程度与当日捕获孢子囊和孢子量关系，图12为病害发生程度与两日捕获孢子囊和孢子量关系。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本实用新型做进一步说明。

图1是本实施例的孢子自动捕捉培养系统的结构示意图。该系统包括一箱体100，其包含风雨帽101和立体支架102。风雨帽101用于遮挡雨水。立体支架102中间形成一封闭的容置腔103，其内放置内筒200、微电脑控制系统300(控制计算机)、负压气流风机400。内筒200上方设置一外筒500，其为一圆筒过滤装置，筒壁上设有多排细孔，用于过滤空中的大颗粒杂物。负压气流风机400固定在容置腔103的底部。容置腔304内壁上设有保温层(可以采用保温棉等材料)，用于减少容置腔内部与外部的温差，保证容置腔内部稳定的温度。

图2A～图2D为内筒200的结构示意图，其中图2A为内筒200去掉上半部分的筒壁后的立体结构示意图，该图中200a为线孔，包括培养装置的输液线的线孔及控制线的线孔，200b为载玻片导出处(后文将具体说明)。图2B为去掉全部筒壁后的立体结构示意图。图2C为图2B的俯视图，图2D为图2C中C-C截面的剖视图。为了使图片中的结构显示清楚，图2A、图2B中没有显示进风管211，而在图2C、图2D中示意了进风管211。进风管211内设有过滤网，用于对进入的风流进行二次过滤(第一次过滤通过外筒500实现)。

下面具体说明内筒200内的结构组成：

A.载玻盒、载玻片和粘合剂

如图2B所示，载玻盒201用于盛装载玻片，载玻盒201的入口处设有挡门2011，其打开后可以装入多片载玻片(如100片)，关闭后可以挡住载玻盒内的载玻片，避免其向外掉出。

载玻片可以采用双凹或者单凹载玻片，优选采用双凹载玻片(有两个凹槽，为标准件)。在双凹载玻片的凹处涂抹粘合剂，用于粘合孢子。采用双凹载玻片的好处是：a)在双凹载玻片的凹处涂抹粘合剂，能够保证载玻片之间不会相互粘接，而如果采用平面载玻片，则涂抹粘合剂后各载玻片容易粘接在一起；b)双凹载玻片上后期会加入培养液，保证孢子聚集在双凹处，孢子不会扩散，便于采集孢子图片信息。

载玻片上使用的粘合剂的组成优选为，甘油：乳酸：吐温的体积比＝(3～5)：(1～2)：(1～2)，进一步优选为甘油：乳酸：吐温＝3：1：1。其中吐温优选吐温80或吐温20。该粘合剂中，甘油用于粘合，乳酸用于抑制细菌生长，吐温用于孢子分散避免聚集成堆。将粘合剂均匀涂抹在双凹载玻片一端的凹槽内，然后放入载玻盒中。

B.转盘及其驱动机构

如图2C、图2D所示，转盘202由步进电机203驱动。转盘连接轴204连接下面的转盘202和上面的传动齿轮205，并通过轴承206～208进行固定；步进电机203的齿轮2031与传动齿轮205啮合，从而能够驱动转盘202进行转动。210为齿轮压板，用于固定齿轮205。

如图2B、图3所示，转盘202上设有若干凹槽2021(图中为5个凹槽)，每一个凹槽内可放入一片载玻片。载玻盒201、进风管211固定在转盘上方，转盘上的凹槽转动至载玻盒下方时，载玻盒201内的载玻片2012落入凹槽内；之后装有载玻片的凹槽随转盘继续转动至进风管下方，在风机作用下包含孢子的风流进入进风管内，并通过载玻片上的粘合剂采集孢子(孢子沉积在载玻片上)。同时，由于转盘的转动，使下一个凹槽转动到载玻盒下方，从而载玻盒内的另一片载玻片在重力作用下落到该凹槽内，然后转盘继续转动并重复上述过程。也就是说，每当转盘上的凹槽转动到载玻盒下，载玻盒内就会有一片载玻片落下至凹槽上(即载玻片一片一片地从载玻盒中出来)。在采集后，转盘继续转动，带动载玻片然后到达培养装置的输液管处进行孢子培养，然后转盘继续转动，带动载玻片到达成像装置下进行图像采集，图像采集完成后，在步进电机驱动下由推出装置将载玻片从出口处自动推出。后文将具体描述培养装置、成像装置和推出装置。

在载玻盒内，最上端的一块双凹载玻片上可设置配重金属块(如不锈钢块等)。这样，当载玻片剩下最后一两片从而不易落到凹槽处时，配重金属块压住载玻片使其掉入凹槽内，即通过配重金属块的压力作用使载玻盒内的载玻片得到充分利用。

如图2B所示，齿轮205上可设置定位传感器209(图2B中显示了5个定位传感器209)，用于定位转盘202上的凹槽，使凹槽准确地位于载玻盒、培养装置、成像装置的下方，也可以用于凹槽位置出现误差时的校准等。定位传感器209可以采用任意具有定位功能的传感器，如光电传感器等。

C.培养装置

培养装置用于向采集孢子后的载玻片上添加营养液，以对孢子进行培养。培养装置可以设于内筒200内部，也可以设于内筒200外部。本实施例中，培养装置设于内筒200外部，包含输液袋，输液管，输液管通过图2中所示的线孔200a进入内筒200内，并固定在转盘202上特定的位置。

图4A～图4C为培养装置600的一种实施方式，称为挤压式微量自动加液装置，其中图4A、图4C为立体图，图4B为顶视图。该装置上设有无重力输液袋601，输液袋601连接有输液管602(图中示意了两根输液管)，输液袋601、输液管602固定在相应的固定槽603、604内；输液管602采用单向阀门，这样输液袋不必挂太高即可保证培养液不会回流。该装置上设有步进电机605，控制加液轮606定时定量转动，每转动一次，加液轮606会挤压输液袋601一次，输液管602中就会有一滴营养液流出并滴落至转盘202上的凹槽2021内的载玻片上，实现自动加液培养。

D.成像装置

图5中示意了成像装置700，其中701所示位置包括显微镜、摄像机，显微镜用于放大孢子，然后由摄像机对其进行拍照。摄像机由步进电机702驱动，并在微电脑控制系统300控制下运行。步进电机702下方设有滑台703，通过该滑台703，步进电机702带动摄像机由上往下逐层拍照。该滑台可采用现有技术实现，如采用滚珠滑台等。

本实施例中，成像装置700还可包含传输模块，用于通过有线或无线方式将拍摄的孢子图像传输至物联网服务器，由物联网服务器对孢子图像进行处理，包括进行自动分析筛选等。

E.推出装置

推出装置用于将采集了孢子图像后的载玻片推出内筒。图6所示为推出装置800的一种实现方式，其包含一带丝杆801的步进电机802，以及一能够在步进电机驱动下沿丝杆运动的运动臂803。步进电机802在微电脑控制系统300控制下运行，将采集了孢子图像后的载玻片推出内筒，载玻片推出后的凹槽继续转动至载玻盒下，以落入新的载玻片。图7为推出装置800将载玻片2012推出的示意图。图2中200b即为载玻片导出处。

F.内筒200的底部结构

图8为内筒200的底部结构示意图，包含正面图(俯视图)和右视图、下视图。其中212为转盘座，即转盘202的底座；213为聚光镜，用于为成像装置中的显微镜提供光源；214为加热板，用于维持内筒的温度；215为抽风管，与负压气流风机400连接。

图9是采用上述装置进行孢子自动捕捉、培养及成像的流程图，具体包括以下步骤：

1)孢子自动采集

孢子自动采集步骤采用定量负压气流沉积原理。风机自有定量负压功能，结合粘合剂将风机抽到的孢子沉积在双凹载玻片上。在采集时，首先由外筒(圆筒过滤装置)过滤空中的杂物，但并不阻碍孢子的进入，孢子在负压气流风机的定量负压抽风的作用下进入到进风管，然后沉积在载玻片上，粘在载玻片上涂好的的粘合剂上。进风管内有过滤网，过滤网上有小孔，可以实现二次过滤，过滤空气中的杂质(大颗粒杂物)。收集的孢子范围包括：白粉病菌、霜霉病菌、灰霉病菌、曲霉病菌、锈病菌、茄科早疫病菌、腐生青霉病菌、晚疫病菌、褐斑病菌、炭疽病菌等气流传播病菌和部分土传病菌孢子。

上述采集过程可以实现孢子的自动采集，包括自动抽风、自动更换载玻片。自动抽风是指由微电脑控制器控制风机，实现自动抽风。自动更换载玻片是指由微电脑控制器控制转盘转动，实现载玻片的自动更换，即：转盘上的凹槽转动至载玻盒下方时，载玻盒内的载玻片落入凹槽内；之后装有载玻片的凹槽随转盘继续转动至进风管下方，在风机的抽风作用下包含孢子的风流进入进风管内，并通过载玻片上的粘合剂采集孢子(孢子沉积在载玻片上)；同时，下一个凹槽转动到载玻盒下方，载玻盒内的另一片载玻片在重力作用下落到该凹槽内，然后随转盘继续转动至进风管下方进行采集，如此重复上述过程，实现对孢子的持续采集。

2)自动添加营养液

添加营养液以对孢子进行培养的目的在于：给孢子适宜生长的环境，让其成长，看其会爆发那种类型的疾病，在实际生活进行预警预报。

采集孢子后的载玻片随转盘继续转动至培养装置处，营养液通过输液管定时定量地加在载玻片上，实现自动加液培养。该步骤可以使用前文所述的挤压式微量自动加液装置来实现。由于可以定时定量地控制营养液的流出，使得可以控制培养时的湿度，同时内筒底部设置的加热板能够实现温度调节，因此可以实现恒温、恒湿的培养环境。

添加营养液时，每次添加75-100微升。营养液主要有以下几种：a、通用营养液，含有如下组分(质量百分比)：葡萄糖0％-0.3％，蛋白胨0.3％-0％；b、特定孢子鉴定液，如鉴定小麦条锈病菌夏孢子时使用浓盐酸。

3)显微成像

经过培养过后的孢子转动到显微镜、摄像机装置下，显微镜放大后由摄像机进行拍照。可以采用计算机控制技术自动更换视野、自动聚焦并连续拍摄(可采用现有技术实现)。

具体地，可以在摄像机前端安装一个显微镜头，用步进电机带动摄像机由上往下逐层拍照，拍照每张照片间距0.001-0.01毫米，然后通过传输模块，由无线网络传输至物联网服务器(即下面的步骤4)。

4)孢子图像传输

在成像后，通过传输模块将照片传输至物联网服务器。该物联网服务器可以是安装条件允许的任何一个物联网服务器，比如鹤壁佳多科工贸股份有限公司的农林ATCSP物联网服务器。

具体地，传输模块可以采用有线传输或者无线传输的方式将图像传输到子服务器，然后通过互联网汇总到中心服务器，以进行孢子图像信息处理(即下面的步骤5)。

5)孢子图像处理

该步骤采用识别筛选软件自动分析筛选采集到的有效图片。比如可以通过分析图像的像素的明暗对比度实现筛选，挑选出较为有效的图片。如果对比度大于某个值(如13000等)，就判断图像为清楚，否则判断为是不清楚的，然后将不清楚的图像移除掉，只留下清楚的图像。处理后的孢子图像可以通过互联网传输至远程服务端，如远程电脑服务端、远程网页服务端、远程手机服务端等。

实例：马铃薯晚疫病预测模型与孢子捕捉的相关性

比利时(CARAH)模型认为：当温湿度达到适宜条件后，病害发展的速度仅与温度相关，与湿度相关不明显，当温度高于临界点27℃后，病害即停止循环。本实用新型的孢子自动捕捉培养分析系统可对空气中的马铃薯晚疫病菌的孢子囊、孢子进行自动捕捉、培养、显微拍照，并将病原孢子的数量进行统计。利用甘肃省马铃薯晚疫病远程监测预警物联网，分析CARAH马铃薯晚疫病预测模型与孢子捕捉的相关性，结果表明：CARAH模型预测病害发生程度与本实用新型的孢子自动捕捉培养分析系统的两日捕获孢子囊和孢子量之间具有显著正相关性，相关系数R²为0.9549。

1材料和方法

1.1材料甘肃省马铃薯晚疫病远程监测预警物联网

1.2方法根据甘肃省马铃薯晚疫病远程监测预警物联网的病害预测曲线，统计预测病害发生程度、预测侵染发生时间、预测侵染结束时间。根据本实用新型的孢子自动捕捉培养分析系统的孢子自动成像图片统计日捕获孢子囊数量和日捕获孢子数量。分析CARAH模型预测病害发生程度与日捕获孢子囊数量和日捕获孢子数量的关系。

2结果与分析

通过统计2015年甘肃临洮站和武都站马铃薯晚疫病害预测曲线，得到以下数据：

表1临洮站马铃薯晚疫病害预测和捕获病菌数量调查表

注：“-”表示无预测数据

表2武都站马铃薯晚疫病害预测和捕获病菌数量调查表

从表1中可以看出：在病害侵染结束当天和第二天捕获的病菌数量与病害发生程度存在一定的相关性，在第三天后若此间无病害侵染发生，则在孢子仪中未发现孢子囊和孢子。

以病害的发生程度和捕获的病菌数量为基础，进行相关数据整理，结果见表3、表4：

表3马铃薯晚疫病预测病害发生程度

表4马铃薯晚疫病预测病害发生程度与病菌数量关系

以表4数据为基础，对病害发生程度与捕获的病菌数量关系做线性相关分析，结果见图10～图12。从图10～图12可得：病害发生程度与当日捕获孢子囊量的相关性差，R²为0.8508；病害发生程度与当日捕获孢子囊和孢子量的相关性较好，R²为0.9265，病害发生程度与当日捕获孢子囊和孢子量的相关性显著，y＝1.2353x+3.1765，R²为0.9549。

3结论

通过分析CARAH马铃薯晚疫病预测模型与孢子捕捉的相关性，结果表明：CARAH模型预测病害发生程度与当日捕获孢子囊和孢子量存在一定的相关性；与两日捕获孢子囊和孢子量之间具有显著正相关性。二者都可以作为模型预测曲线与病菌数量关系的分析，又以两日捕获孢子囊和孢子量准确性最高。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围，本实用新型的保护范围应以权利要求书所述为准。