一种用于虫害检测的电容计数模块、虫害检测装置及方法与流程

本发明涉及数字农业中虫害检测技术领域，特别涉及一种用于虫害检测的电容计数模块、虫害检测装置及方法。

背景技术：

农业信息化就是将现代信息技术渗透到农业生产、消费等环节，数字化、自动化和智能化是农业的未来发展趋势。在农业生产中，虫害是影响作物的重要因素，故有必要以虫害作为重点监控对象，统计田园虫害情况。

传统的虫害计数主要是采用人力的方法，农工到田间统计虫害情况，成本高，工作量大，且耗时长，受人力和天气等原因限制，这种方式只适用于小规模农业，对于面积较大、区域分布广的地区的虫害监测，将物联网技术应用于虫害的监测，可持续高效地进行虫害监测。现有常用的虫害计数方法中，有将电压、电流脉冲应用于虫害计数，但这种方式又有着能耗高、受环境影响大以及存在火灾风险等缺点。还有采用虫害图像计数，通过虫害图像识别来实现计数，但又存在机构复杂，摄像头拍照面易脏、拍照易受光照度条件的影响而导致误检，以及需要经常维护等缺点。可见，这些方法都存在着不足之处，因此有必要研究出新的虫害计数技术。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于虫害检测的电容计数模块，该模块结构简单易拆卸，维护方便，虫害检测准确且不易受环境影响、可靠性高。

本发明的第二目的在于提供一种虫害检测装置，该装置可以诱捕害虫并实现害虫准确计数。

本发明的第三目的在于提供一种虫害检测方法，该方法可以准确且不易受环境干扰地实现虫害计数。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种用于虫害检测的电容计数模块，包括基座、多孔整流罩、电容极板、外壳和处理单元，其中，

基座收容于外壳内，基座设有同中心的内隔层和位于内隔层外的外隔层，内隔层与外隔层之间的区域与外部相连通；

多孔整流罩为自下向上渐缩设置，多孔整流罩盖设在内隔层上；

电容极板安装在基座上，电容极板分为内电容极板和外电容极板，内电容极板相邻于内隔层，外电容极板相邻于外隔层并面向内电容极板，每个外电容极板及其面向的一个内电容极板构成一电容极板对；

基座还设有隔板，隔板位于内隔层和外隔层之间并均分内隔层和外隔层之间的区域，每个隔板分隔相邻的电容极板对，每两个隔板及其之间的电容极板对共同围成一电容检测区域；

处理单元连接每个电容极板对，用于实时检测每个电容极板对的电容值，根据每次检测到的电容值判断当前各检测区域是否存在害虫并得出害虫计数结果。

优选的，基座在内隔层朝向外隔层的一侧上还凹设有第一凹槽，在外隔层朝向内隔层的一侧上还凹设有第二凹槽，内电容极板安装于第一凹槽并贴合内隔层，外电容极板安装于第二凹槽并贴合外隔层；

内隔层和外隔层均设有走线孔，连接处理单元和电容极板对的线缆一端连接至处理单元，另一端穿过走线孔再连接至电容极板对中的内电容极板或外电容极板。

优选的，多孔整流罩为棱台体或者圆台体，并且其顶面尺寸小于底面尺寸，侧面贯设有多个释压孔。

更进一步的，当多孔整流罩为圆台体，内隔层和外隔层分别对应设为圆柱形，内电容极板和外电容极板对应设为圆弧形；

当多孔整流罩为棱台体，内隔层和外隔层分别对应设为棱柱形，内电容极板和外电容极板对应为与内隔层和外隔层平行的条形板。

更进一步的，外壳设有顶板、底板、以及连接顶板和底板的侧板，底板进一步分为内底板和外底板，顶板和外底板均设有连通电容检测区域的挖空区域，内底板位于外底板挖空区域的中心位置，内底板固定在整流罩下方；

当内隔层和外隔层为圆柱形，该挖空区域对应为圆形且其直径与圆柱形外隔层的横截面的直径相同，内底板也为圆形且其直径与圆柱形内隔层的横截面的直径相同；

当内隔层和外隔层为棱柱形，该挖空区域对应为多边形且其边长与棱柱形外隔层的横截面的边长相同，其边数也与棱柱形外隔层的横截面的边数相同，内底板也为多边形且其边长与棱柱形内隔层的横截面的边长相同；

外壳还设有连接整流罩顶面和顶板的连接臂，该连接臂用于收纳处理单元和电容极板对之间的线缆。

优选的，电容检测区域的数量和隔板数量相同，且均为偶数。

优选的，处理单元具有主控器、电源和电容检测器，电源连接主控器和电容检测器，主控器通过电容检测器连接电容极板对。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种虫害检测装置，包括诱捕模块、集虫模块和本发明第一目的所述的用于虫害检测的电容计数模块，其中，诱捕模块安装在电容计数模块上方，集虫模块安装在电容计数模块下方，并且诱捕模块、集虫模块均与电容计数模块的电容检测区域相连通；

诱捕模块设有诱虫灯和位于诱虫灯下方的吸虫风扇，诱虫灯和吸虫风扇均连接至处理单元，诱虫灯用于引诱害虫，吸虫风扇用于将诱虫灯附近的害虫吸入电容计数模块，害虫最终进入并收集在集虫模块中；

虫害检测装置通过电容计数模块判断是否有害虫经过各电容检测区域以及对经过电容检测区域的害虫进行计数。

本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种虫害检测方法，所述虫害检测方法基于本发明第二目的所述的虫害检测装置，步骤如下：

s1、虫害检测装置上电，诱虫灯和吸虫风扇开始运作，电容计数模块进行初始化，计数归零；

s2、利用诱虫灯将害虫吸引至诱虫灯附近，然后通过位于诱虫灯下方的吸虫风扇产生的风压吸入害虫，再由多孔整流罩将害虫整流引导到电容检测区域；

害虫在经过电容检测区域时，电容计数模块的处理单元实时采集各个电容检测区域的电容，电容计算公式如下：

cx＝ic/ωu,ω＝2πf

式中，cx代表电容检测区域的电容，ic代表处理单元提供给电容极板对的电流，u代表处理单元提供给电容极板对的电压，ω代表角频率，f代表频率；

由于吸虫风扇的风压，害虫经过电容检测区域之后，只能向下飞并最终汇集在集虫模块；

s3、处理单元得到当前时刻下各个电容检测区域的电容值之后，采用差分电容检测法进行害虫计数：

将电容检测区域的电容值两两进行比较，计算两个电容值之间的电容差值，如果电容差值的绝对值满足预设阈值，则判定为有害虫经过其中一个电容检测区域，另一个电容检测区域没有害虫经过，装置有捕获到害虫，此时计数加1；电容检测区域的电容大小都比较完后，再进入下一次电容值采集和判断；

s4、当虫害检测装置结束工作，处理单元输出最终的害虫计数结果。

优选的，步骤s3中所选择的两个电容检测区域位置关系为对位、邻位或者间位；

在所选的两个电容检测区域之间的电容差值的绝对值不满足预设阈值的情况下，处理单元还将其中一个电容检测区域当前采样时刻的电容值与前面第3个采样时刻的电容值进行比较，并计算对应的电容差值，如果电容差值满足预设阈值，则判定两个电容检测区域有同时捕获到害虫，此时计数加2，否则，计数加0。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明用于虫害检测的电容计数模块结构简单，组装和拆卸也非常容易，因此维护非常方便。电容计数模块通过电容极板对和隔板形成的电容检测区域与外部连通，可供害虫顺利通过，处理单元通过检测电容极板的电容值就能实现准确的虫害检测和计数，不需要复杂的识别计数装置和识别计数算法，不易受环境影响，因此本发明电容计数模块具有成本低、计数方便精确和可靠性高的优点。

(2)本发明电容计数模块采用上小下大的多孔整流罩，可以起到引导害虫下滑到电容检测区域的作用，多孔整流罩设置的释压孔可以降低风压，使得电容计数模块内的风压保持在合适的范围内，有利于推动虫害检测装置通过诱捕模块诱捕到的害虫顺利进入电容计数模块，并以合适的速度通过电容检测区域，从而提高计数的准确度与装置的可靠性。

(3)本发明虫害检测装置中，位于电容计数模块上方的吸虫风扇所产生的风流可为电容计数模块提供清洁干燥的功能，避免电容极板积灰、积水雾，使检测区域保持在干净和干燥的状态下，降低环境的干扰，延长维护周期。

(4)本发明诱捕模块、电容计数模块和集虫模块为独立的模块，可以通过卡扣结构或者螺丝/螺钉连接，可以非常方便地组装和分解，便于维护保养，实用性强。并且，日后虫害检测装置若需要改造升级，还可以直接改造电容计数模块，根据实际需要增设相关模块比如虫害图像采集模块或环境采集模块，因此灵活性也较高，升级改造也较为方便省时。

(5)由于虫害检测装置所在的田园夜晚环境变化较大，本发明虫害检测方法采用差分电容检测法来判断是否有捕获到害虫，当对位/邻位/间位的两个电容极板对之间的电容差值绝对值满足预设阈值时，才判定为有捕获到害虫，采用此方法可以避免因不同时辰、不同季节、不同天气等环境变化引起的误检，有效降低环境对电容的影响，有效提高了检测和计数的准确度，能够获得较真实的虫害信息。

附图说明

图1是本发明电容计数模块的立体图。

图2是基座的示意图。

图3是基座安装有电容极板的示意图。

图4是电容极板未安装入电容计数模块的示意图。

图5是图1电容计数模块的俯视图。

图6是图1电容计数模块的仰视图。

图7是虫害检测装置的分解图。

图8是在组装过程中的诱捕模块和电容计数模块的示意图。

图9是诱捕模块和电容计数模块的组合图。

图10是本发明实施例六相对位差分电容检测法的流程图。

其中，100-电容计数模块，1-基座，11-内隔层，12-外隔层，13-走线孔，14-第一凹槽，15-第二凹槽，2-电容检测区域，3-多孔整流罩，31-释压孔，4-电容极板，41-内电容极板，42-外电容极板，5-隔板，6-外壳，61-顶板，62-底板，621-内底板，622-外底板，63-侧板，64-连接臂，7-内凹夹，8-凸出部，200-诱捕模块，201-诱虫灯，202-吸虫风扇，300-集虫模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例公开了一种用于虫害检测的电容计数模块100，如图1～图4所示，包括基座1、多孔整流罩3、电容极板4、外壳6和处理单元。

其中，基座收容于外壳内，基座和外壳之间可通过螺丝/螺钉连接固定，外壳可以起到保护基座的作用。如图2所示，基座设有同中心的内隔层11和位于内隔层外的外隔层12，从而构成环形，基座在内隔层和外隔层上方和下方均没有设置板块遮盖，因此内隔层与外隔层之间的区域是与外部相连通的。

电容极板4安装在基座上，并进一步分为内电容极板41和外电容极板42，内电容极板相邻于内隔层，外电容极板相邻于外隔层并面向内电容极板。具体来说，基座在内隔层朝向外隔层的一侧上还凹设有第一凹槽14，在外隔层朝向内隔层的一侧上还凹设有第二凹槽15，内电容极板可以安装固定在第一凹槽并贴合内隔层，外电容极板可以安装固定在第二凹槽并贴合外隔层。每个外电容极板及其面向的一个内电容极板构成一电容极板对，可参见图2～图4。

基座还设有隔板5，隔板位于内隔层和外隔层之间并均分内隔层和外隔层之间的区域，每个隔板分隔相邻的电容极板对，防止邻位极板间的接触，每两个隔板及其之间的电容极板对共同围成一个独立的电容检测区域2，使得一只害虫只能进入其中1个电容检测区域内，防止出现同一害虫被2个电容检测区域检测到而引起误检的情况。隔板可采用亚克力板，厚度可为1mm。电容检测区域的数量和隔板数量相同，这里数量均为偶数。

处理单元具有用于数据处理的主控器、电源和电容检测器，电源连接主控器和电容检测器，主控器通过电容检测器连接电容极板对；电容检测器用于检测电容极板对之间的电容大小。这里，处理单元可以设置在电容计数模块外，电源可以采用太阳能电池。

由于害虫在经过电容检测区域，也就是穿过电容极板对的情况下，害虫会被两个极板之间的电场极化，产生极化电荷，电容极板上的电荷和介质上的电荷相互吸引而引起电容值产生变化，如果处理单元判断出电容值产生变化，那就说明有害虫经过电容检测区域，害虫数就可以加1，因此处理单元通过实时检测每个电容极板对的电容值，根据每次检测到的电容值就能判断当前各检测区域是否存在害虫并得出害虫计数结果。本实施例电容检测器检测频率为180次/分钟。

在本实施例中，为方便处理单元和电容极板之间的接线，内隔层和外隔层还设有走线孔13，连接处理单元和电容极板对的线缆一端可以连接至处理单元，另一端可以穿过走线孔再连接至电容极板对中的内电容极板或外电容极板，使得电容极板可以与处理单元电连接，处理单元可以获取到电容极板对的电容值。走线孔规格可为5mm*5mm。

多孔整流罩3为自下向上渐缩设置，多孔整流罩盖设在内隔层上。多孔整流罩的侧面贯设有多个释压孔31，释压孔尺寸小于害虫尺寸，害虫无法通过释压孔，本实施例的释压孔直径为2mm。

多孔整流罩可以是棱台体，也可以是圆台体。当多孔整流罩为圆台体，其顶面为小圆，底面为大圆，内隔层和外隔层分别对应设为圆柱形，内电容极板和外电容极板对应设为圆弧形。当多孔整流罩为棱台体，其顶面为小多边形，底面为大多边形，内隔层和外隔层分别对应设为棱柱形，内电容极板和外电容极板对应为与内隔层和外隔层平行的条形板。

在本实施例中，多孔整流罩采用圆台体，顶部为直径50mm的小圆，底部为直径118mm的大圆，多孔整流罩高度为50mm。

对应的，第一凹槽的直径为118mm，第二凹槽的直径为158mm，内电容极板的直径为118mm，外电容极板的直径为158mm，内电容极板和外电容极板的高度为50mm，内电容极板和外电容极板之间间隔20mm，也可以说电容极板对之间的有效距离为20mm。

在本实施例中，隔板、内电容极板和外电容极板数量均为6个，将内隔层和外隔层之间的区域等分为6份，每一块电容极板的圆弧所对应的角度均为60°。电容计数模块由此形成一个内径为118mm、外径为158mm、内径与外径间距20mm和高为50mm的电容检测区域，这样的电容检测区域既满足合理高效的空间利用率，又能在保证茶园所有害虫能顺利通过的同时，使害虫经过检测区域产生的电容变化量处于相对较大的水平，提高计数方法的可靠性。

如图1、图5和图6所示，外壳6设有顶板61、底板62、以及连接顶板和底板的侧板63，具体可通过螺丝/螺钉连接。底板进一步分为内底板621和外底板622，顶板和外底板均设有连通电容检测区域的挖空区域，内底板位于外底板挖空区域的中心位置，内底板固定在整流罩下方，具体可通过螺丝/螺钉固定。

当内隔层和外隔层为圆柱形，该挖空区域对应为圆形且其直径与圆柱形外隔层的横截面的直径相同，内底板也为圆形且其直径与圆柱形内隔层的横截面的直径相同。

当内隔层和外隔层为棱柱形，该挖空区域对应为多边形且其边长与棱柱形外隔层的横截面的边长相同，其边数也与棱柱形外隔层的横截面的边数相同，内底板也为多边形且其边长与棱柱形内隔层的横截面的边长相同。

本实施例外壳形状为长方体，顶板、外底板以及侧板均为四方形，顶板和外底板的挖空区域为圆形，其直径为158mm；内底板为圆形，其直径为118mm。

外壳还设有连接整流罩顶面和顶板的连接臂64，该连接臂是中空的，可用来收纳处理单元和电容极板对之间的线缆。连接臂连接顶板的两端可通过卡扣结构与顶板连接固定，比如，顶板可以设置卡扣槽，连接臂的两端嵌合在卡扣槽内。

在本实施例中，电容计数模块还可以再设置其他模块，比如安装在电容计数模块内以采集害虫图像的虫害图像采集模块和安装在电容计数模块外表面以采集外部环境信息(湿度、温度、亮度等)的环境数据采集模块。

本实施例还公开了一种虫害检测装置，包括诱捕模块200、集虫模块300和上述电容计数模块100。诱捕模块安装在电容计数模块上方，并且诱捕模块与电容计数模块的电容检测区域相连通。捕模块设有诱虫灯201和位于诱虫灯下方的吸虫风扇202，诱虫灯和吸虫风扇均连接至处理单元。

吸虫风扇整体的尺寸与挖空区域尺寸相同，本实施吸虫风扇的外径为158mm。其最中间的主机尺寸与多孔整流罩的顶面尺寸相同，直径为50mm。

集虫模块安装在电容计数模块下方，并且集虫模块与电容计数模块的电容检测区域相连通。集虫模块内设有集虫网。

诱捕模块、集虫模块和电容计数模块分别是独立的模块，具体可以通过卡扣结构连接，如图7～图9所示，诱捕模块的底面设有内凹夹7，对应的，电容计数模块的外壳顶板在其边沿设有向外凸伸的凸出部8，该凸出部可以与诱捕模块的内凹夹相扣合；电容计数模块的外壳底板也设有内凹夹7，对应的，集虫模块顶面设有向外凸伸的凸出部8，该凸出部可以与电容计数模块的内凹夹相扣合，由此形成自上而下的诱虫灯、吸虫风扇、电容计数模块和集虫模块的虫害检测装置布局。当然，在其他实施例中，诱捕模块、集虫模块和电容计数模块也可以通过螺丝/螺钉连接固定。

诱虫灯是利用了害虫的趋光性，可用来引诱害虫，吸虫风扇可以产生强大的风压，由于风压大于电容计数模块内的气压，因此空气存在着压力差，会将害虫推到多孔整流罩的侧面上，多孔整流罩向下倾斜的侧面就可以引导害虫顺利滑向电容检测区域，由于电容检测区域空间狭窄，吸虫风扇产生的风压足够大，被吸入电容检测区域的害虫会进一步被吸入到集虫模块，且无法飞回到电容检测区域或逃逸出虫害检测装置，使得害虫最终是收集在集虫模块中，虫害检测装置就可以通过电容计数模块来判断是否有害虫经过各电容检测区域以及对经过电容检测区域的害虫进行计数。

因此，吸虫风扇可以用来将诱虫灯附近的害虫吸入电容计数模块和集虫模块中，由此可以提高电容计数模块害虫检测的可靠性。释压孔可以释放部分风压，使风压保持在合适的范围内而不至于过大，便于推动害虫以合适的速度通过电容检测区域，提高计数的准确度和可靠性。并且，吸虫风扇所产生的风流可为电容计数模块提供清洁干燥的功能，避免电容极板积灰、积水雾，使电容检测区域保持在干净和干燥的状态下，降低环境的干扰，延长维护周期。

基于上述虫害检测装置，本实施例还公开了一种虫害检测方法，如图所示，步骤如下：

s1、虫害检测装置上电，诱虫灯和吸虫风扇开始运作，电容计数模块进行初始化，计数归零；

s2、利用诱虫灯将害虫吸引至诱虫灯附近，然后通过位于诱虫灯下方的吸虫风扇产生的风压吸入害虫，再由多孔整流罩将害虫整流引导到电容检测区域；

害虫在经过电容检测区域时，电容计数模块的处理单元实时采集各个电容检测区域的电容，电容计算公式如下：

cx＝ic/ωu,ω＝2πf

式中，cx代表电容检测区域的电容，ic代表处理单元提供给电容极板对的电流，u代表处理单元提供给电容极板对的电压，ω代表角频率，f代表频率；

由于吸虫风扇的风压，害虫经过电容检测区域之后，只能向下飞并最终汇集在集虫模块；

s3、处理单元得到当前时刻下各个电容检测区域的电容值之后，由于电容会随环境湿度变化，湿度越大电容越大，使得单个电容检测区域的电容会有变化，因此为提高检测精度，本实施例采用差分电容检测法进行害虫计数：

将电容检测区域的电容值两两进行比较，计算两个电容值之间的电容差值，如果电容差值的绝对值满足预设阈值，则判定为有害虫经过其中一个电容检测区域，另一个电容检测区域没有害虫经过，装置有捕获到害虫，此时计数加1；电容检测区域的电容大小都比较完后，再进入下一次电容值采集和判断。

如果电容差值的绝对值不满足预设阈值，则判定为没有害虫经过这两个电容检测区域，当然，还有可能是这两个电容检测区域刚好都有害虫经过，不过这个几率非常小。但为了避免遗漏两个电容检测区域同时检测到害虫的情况，提高检测的准确性，本实施例处理单元在所选的两个电容检测区域之间的电容差值的绝对值不满足预设阈值的情况下，还将这其中一个电容检测区域当前采样时刻的电容值与前面第3个采样时刻的电容值进行比较，并计算对应的电容差值，如果电容差值满足预设阈值，则判定两个电容检测区域有同时捕获到害虫，此时计数加2，否则，计数加0。

所选择的两个电容检测区域位置关系可以是对位、邻位或者间位。由于对位的两个电容检测区域同时有害虫经过的概率最低，不易出现误判，因此通过对对位的两个电容检测区域进行害虫检测的准确率可达到最高。

本实施例共有6个电容检测区域，定义区域序号，假定分别为区域31、区域32、区域33、区域34、区域35、区域36，区域31与区域34为对位，区域32与区域35为对位，区域33与区域36为对位，可参见图3，初始化时计数归零，即count＝0；阈值设为20。

本实例采用六相对位差分电容检测法进行检测，如图10所示，对于第一轮检测，先按照31～36的区域序号顺序检测电容检测区域，其中，i＝31即代表检测区域31(i初始值为30)，i＝32即代表检测区域32，以此类推，当i＝36即代表检测区域36。在采集完6个电容检测区域之间的电容数据(ad31、ad32、ad33、ad34、ad35、ad36)之后，计算区域31与区域34的电容差值(ad31-ad34)、区域32与区域35的电容差值(ad32-ad35)、区域33与区域36的电容差值(ad33-ad36)，当|ad31-ad34|满足20，则判定装置有捕获到害虫，count+1，若|ad31-ad34|不满足20，则将当前时刻的ad31t0与前面第3个采集时刻的ad31t3进行对比，|ad31t0-ad31t3|满足20，则判定为区域31和34均检测到害虫，count+2，否则count+0。

同理，当|ad32-ad35|满足20时，count+1，当|ad32-ad35|不满足20时，进入下一步判断，若|ad32t0-ad32t3|满足20，则判定为区域32和35均检测到害虫，count+2，否则，count+0。

|ad33-ad36|满足20时，count+1，当|ad33-ad36|不满足20时，进入下一步判断，若|ad33t0-ad33t3|满足20，则判定为区域32和35均检测到害虫，count+2，否则，count+0。此轮计数结束，得到这一轮的count值，然后进入下一轮检测，继续重新按照区域序号顺序检测6个电容检测区域，再进行计数。

s4、当虫害检测装置结束工作，处理单元输出最终的害虫计数结果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。