一种基于物联网的辣椒苗疫病早期监测装置和方法与流程

本发明涉及植物疫病监测领域，尤其涉及一种基于物联网的辣椒苗疫病早期监测装置和方法。

背景技术：

辣椒疫病是辣椒生产上的一种世界性分布的毁灭性病害。此病流行速度快，常导致植株成片死亡，并且辣椒从苗期至成株期均可被侵染，茎、叶、果实都能发病，损失严重。目前，辣椒疫病的防治措施主要为农业防治和化学防治，农业防治通常从选用抗病品种、对种子消毒以及加强田间管理等方面入手，化学防治则是通过喷洒化学药剂来达到控制疫病的目的。虽然针对辣椒疫病的防治手段已得到长久的研究且存在实际应用的报道，但在实际种植生产中仍缺乏有效的疫病早期无损快速检测手段。

多光谱荧光成像技术作为荧光成像技术的一种，将长波段紫外光作为植物叶片的激发光源，从而获得具有4个特征性波峰的荧光图像，4个波峰的波长分别为蓝光440nm、绿光520nm、红光690nm和远红外740nm。其中440nm和520nm的荧光图像由表皮及叶肉细胞壁和叶脉发出，690nm和740nm的荧光图像为叶绿素荧光图像。紫外光激发多光谱荧光可以用来灵敏、特异地评估植物病害胁迫下的生理状态。

目前，我国正处于传统农业向现代农业转型期，农业物联网因其方便直观、配置灵活、可靠性高等优点，发挥出独特而重要的作用，推动了现代农业的发展。

公开号为cn102288591a的中国专利文献公开了一种远程无线监测植物叶绿素荧光的方法和系统，能够长期、连续地在野外对作物进行生态学监测，但此系统需要操作人员将仪器携带至野外实验地点对准待测叶片，再经过暗适应后才能进行检测，并且在客户端不能显示结果信息，无法适用于非相关研究领域人员；公开号为cn106325137a的中国专利文献公开了一种农业物联网环境监测的叶片设计方案，通过多个对应不同信息采集点的叶片信息采集，最终实现整个农业物联网大棚环境信息的采集。但该系统主要对大棚内的温湿度、土壤熵情、光照强度等环境信息进行监测，无法对作物的生长信息以及早期病害进行监测。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于物联网的辣椒苗疫病早期监测装置和方法，将多光谱荧光成像技术作为检测手段，结合农业物联网技术，可在大棚辣椒苗疫病症状显现之前进行染病植株判别，避免疫病蔓延加剧损害。

一种基于物联网的辣椒苗疫病早期监测装置，包括：

多光谱荧光成像监测器，包括激发光源和荧光成像仪，安装在设置于辣椒苗上方的轨道式移动平台上，用于采集辣椒苗的多光谱荧光图像信息；

数据存储模块，保存多光谱荧光成像监测器采集的多光谱荧光图像信息；

物联网通信模块，将多光谱荧光图像信息通过无线网络发布给用户终端；

用户终端，接收多光谱荧光图像信息并进行分析，判断辣椒苗是否染病并显示分析结果。

本发明的辣椒苗疫病早期监测装置适用于大棚种植的辣椒疫病的监测。轨道式移动平台可安装在大棚的加粗横梁上。

作为优选，所述的多光谱荧光成像监测器通过升降台安装在轨道式移动平台上。可通过升降台调节多光谱荧光成像监测器的工作距离。

作为优选，所述的多光谱荧光成像监测器还包括断电提醒单元。

作为优选，所述的激发光源为320～400nm波段的紫外光源。

选用该波段的紫外光源作为激发光源，在采集辣椒苗的多光谱荧光图像时，无需对辣椒苗预先进行暗适应处理，检测时间短，简化了操作步骤，可实现大批量检测对象的在线检测。

作为优选，所述的激发光源安装在光源板上，光源板的几何中心镂空，所述的荧光成像仪安装在光源板的镂空区域。

用户终端可以为电子显示屏、电脑终端或智能手机终端，当用户终端处于无线路由的通信范围时，可与服务器相连接。

作为优选，所述的用户终端还包括报警单元，用户终端判断辣椒苗染病后按照用户设定的报警方式进行报警。

当多光谱荧光成像监测器检测到感染疫病的辣椒苗后，通过用户终端的判断，触发用户终端的报警单元，及时提醒用户。

本发明还提供了一种基于物联网的辣椒苗疫病早期监测方法，包括：

(1)调节以紫外光作为激发光源的多光谱荧光成像监测器的工作距离及光照强度，使多光谱荧光成像监测器沿辣椒苗上方的轨道移动，在移动过程中采集辣椒苗的多光谱荧光图像信息，传送给数据存储模块进行存储；

(2)通过物联网通信模块将多光谱荧光图像信息经无线网络发布给用户终端；

(3)所述的用户终端对接收到的多光谱荧光图像信息进行分析，判断辣椒苗是否染病并显示分析结果，若辣椒苗染病则启动警报。

作为优选，步骤(1)中，分别采集中心波长为440nm、520nm、690nm和740nm的4个特征波段的荧光图像。

中心波长为440nm的荧光为蓝色荧光，中心波长为520nm的荧光为绿色荧光、中心波长为690nm的荧光为红色荧光、中心波长为740nm的荧光为远红外荧光。

作为优选，步骤(3)中，对多光谱荧光图像信息进行分析包括：对多光谱荧光图像信息进行特征信息提取得到输入变量，将输入变量输入辣椒苗疫病判别模型，对辣椒苗是否染病进行判断。

辣椒苗疫病判别模型的建立方法为：

选取多组已知诊断结果的辣椒苗样本，所述的辣椒苗样本包括患辣椒疫病和健康的辣椒苗，采集辣椒苗样本的多光谱荧光图像信息，提取特征信息得到输入变量，将输入变量作为建模样本；

将建模样本输入支持向量机，选择径向基函数作为核函数，计算惩罚系数和核参数，建立辣椒苗疫病判别模型。

进一步优选的，对多光谱荧光图像信息进行特征信息提取的方法包括：

(i)采用高斯滤波法对多光谱荧光图像进行滤波处理；

(ii)利用大津阈值法分割出多光谱荧光图像中辣椒苗所在区域，对分割所得的二值图像进行形态学开运算以去除二值图像中存在的噪声点；

(iii)分别对4个特征波段的多光谱荧光图像中的分割区域进行灰度平均值统计，得到4个特征参数值f440、f520、f690和f740；

(iv)将4个特征参数值f440、f520、f690、f740以及4个特征参数值之间的比例值f440/f520、f440/f690、f440/f740及f690/f740作为输入变量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所提供的方法和装置可在辣椒幼苗未显症之前实现对感病幼苗的识别，及早剔除感病幼苗，且无需样品暗适应处理，检测时间短、检测结果准确，可实现大批量检测对象的在线检测，避免辣椒疫病进一步扩散、降低农户种植损失；

(2)本发明所提供的方法和装置将多光谱荧光成像技术与农业物联网技术相结合，利用荧光成像可用于检测辣椒苗病害胁迫的早期生理状态，使农业物联网下的辣椒苗病害检测和预防成为可能。

附图说明

图1为本发明的基于物联网的辣椒苗疫病早期监测装置的构成示意图；

图2为多光谱荧光成像监测器的安装结构示意图；

图3为荧光成像仪和光源的结构示意图。

其中，1、荧光成像仪；2、激发光源；2-1、光源板；2-2、紫外光源；2-3、镂空区域；3、固定板；4、轨道式移动平台；5、升降台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的基于物联网的辣椒苗疫病早期监测装置包括：多光谱荧光成像监测器、数据存储模块、物联网通信模块和用户终端，多光谱荧光成像监测器用于采集辣椒苗的多光谱荧光图像信息，所采集的多光谱荧光图像信息存储在数据存储模块，并经物联网通信模块通过无线网络发布给用户终端，用户终端接收到多光谱荧光图像信息后进行分析，判断辣椒苗是否染病并显示分析结果。

多光谱荧光成像监测器具有断电提醒单元。

如图2所示，多光谱荧光成像监测器安装在辣椒苗上方的轨道式移动平台4上，轨道式移动平台4沿安装在大棚加粗横梁上的轨道移动，带动多光谱荧光成像监测器采集下方不同区域辣椒苗的多光谱荧光图像信息。

多光谱荧光成像监测器通过升降台5安装在轨道式移动平台4上，可通过升降台5调节多光谱荧光成像监测器的工作高度。

多光谱荧光成像监测器包括激发光源2和荧光成像仪1，激发光源2和荧光成像仪1通过固定板固定。

如图3所示，激发光源2包括几何中心具有镂空区域2-3的光源板2-1和320～400nm波段的紫外光源2-2阵列，紫外光源2-2阵列环绕镂空区域2-3分布。荧光成像仪1安装在光源板2-1的镂空区域2-3。

用户终端可以为电子显示屏、电脑终端或智能手机终端，当用户终端处于无线路由的通信范围时，可与服务器相连接。用户终端具有报警单元，用户终端判断辣椒苗染病后按照用户设定的报警方式进行报警。

基于物联网的辣椒苗疫病早期监测方法包括：

(1)调节多光谱荧光成像监测器的工作距离及光照强度至最佳，使多光谱荧光成像监测器沿辣椒苗上方的轨道移动，在移动过程中采集辣椒苗的中心波长为440nm、520nm、690nm和740nm的4个特征波段的荧光图像，传送给数据存储模块进行存储；

(2)通过物联网通信模块将多光谱荧光图像信息经无线网络发布给用户终端；

(3)对多光谱荧光图像信息进行特征信息提取得到输入变量，将输入变量输入辣椒苗疫病判别模型，对辣椒苗是否染病进行判断，将多光谱荧光图像和判断结果在用户终端上进行显示，若辣椒苗染病，则用户终端的报警单元报警以提醒用户。

步骤(3)中，对多光谱荧光图像信息进行特征信息提取得到输入变量方法为：

(i)采用高斯滤波法对多光谱荧光图像进行滤波处理，高斯核的大小为5×5；

(ii)利用大津阈值法分割出多光谱荧光图像中辣椒苗所在区域，对分割所得的二值图像进行形态学开运算以去除二值图像中存在的噪声点；

(iii)分别对4个特征波段的荧光图像中的分割区域进行灰度平均值统计，得到4个特征参数值f440、f520、f690和f740；

(iv)将4个特征参数值f440、f520、f690、f740以及4个特征参数值之间的比例值f440/f520、f440/f690、f440/f740及f690/f740作为输入变量。

步骤(3)中，辣椒苗疫病判别模型的建立方法为：

选取多组已知诊断结果的辣椒苗样本，所述的辣椒苗样本包括患辣椒疫病和健康的辣椒苗，采集辣椒苗样本的多光谱荧光图像信息，提取特征信息得到输入变量，将输入变量作为建模样本；

将建模样本输入支持向量机，选择径向基函数作为核函数，计算惩罚系数和核参数，建立辣椒苗疫病判别模型。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。