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一種栗實象在線檢測系統.pdf

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一種 實象 在線 檢測 系統
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摘要
申請專利號:

CN201710170507.5

申請日:

20170321

公開號:

CN106982818A

公開日:

20170728

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A01M99/00,G01H17/00,G01P5/00,G01P13/02 主分類號: A01M99/00,G01H17/00,G01P5/00,G01P13/02
申請人: 中南林業科技大學
發明人: 周文化,向誠,桂玲,賈茗
地址: 410004 湖南省長沙市天心區韶山南路498號
優先權: CN201710170507A
專利代理機構: 長沙星耀專利事務所(普通合伙) 代理人: 黃美玲;寧星耀
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201710170507.5

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

一種栗實象在線檢測系統,包括顯示控制器(又稱上位機)和栗實象檢測裝置(又稱下位機)。上位機集信息顯示、操作控制于一體,由觸摸式顯示器構成,實現良好的人機對話。下位機用于檢測栗實象主要生物特性參數,并將其與預先存儲在微控制器內的栗實象生物特性標準值進行對比,診斷出有無該蟲害存在。若有,下位機的微控制器驅動下位機報警模塊發出語音預警,并將檢測信息上傳上位機顯示;同時,將檢測信息存入EEPRAM內,以便用戶通過USB口導出進行云擴展或開展其它后續研究分析。本發明十分有利用戶及時準確地掌握板栗園栗實象蟲害情況,具有誤報率低、智能化程度高、操作簡單、實時性強等特點。

權利要求書

1.一種栗實象在線檢測系統,其特征在于,包括顯示控制器即上位機和栗實象檢測裝置即下位機,上位機與下位機雙向連接,上位機集信息顯示、操作控制于一體,由觸摸式顯示器構成,實現良好的人機對話;栗實象檢測裝置即下位機用于檢測栗實象主要生物特性參數,并將其與預先存儲在栗實象檢測裝置的微控制器內的栗實象生物特性標準值進行對比,診斷出有無該蟲害存在;若有,下位機的微控制器驅動報警模塊發出預警,并將檢測信息上傳上位機顯示;同時,將檢測信息存入栗實象檢測裝置的EEPRAM內,以便用戶通過拓展USB接口導出開展后續分析或進行云擴展。2.根據權利要求1所述的栗實象在線檢測系統,其特征在于,所述所述顯示控制器由LCD觸摸式彩色顯示屏構成,由栗實象檢測裝置的微控制器直接驅動,顯示控制器與栗實象檢測裝置的微控制器通過雙向串口總線通信;LCD屏上設計有UI操作界面,實現良好的人機對話;UI操作界面分為主、子兩層結構,主UI操作界面用來顯示、控制操作,子UI操作界面用來查看蟲害具體方位。3.根據權利要求1所述的栗實象在線檢測系統,其特征在于,所述栗實象檢測裝置主要包括:微控制器、電源模塊、音頻檢測模塊、聲波檢測模塊、風速檢測模塊、報警模塊,電源模塊、音頻檢測模塊、聲波檢測模塊、風速檢測模塊和報警模塊均通過串口總線與微控制器相連接;在考慮風速、風向對音頻、聲頻影響的基礎上,實現多角度、準確地對栗實象主要生物特性參數進行檢測。4.根據權利要求1所述的栗實象在線檢測系統,其特征在于,所述栗實象檢測裝置還包括:擴展Flash數據存儲模塊即EEPRAM、外接USB接口;擴展Flash數據存儲模塊即EEPRAM、外接USB接口亦均通過串口總線與微控制器相連接;擴展Flash數據存儲模塊用于擴大檢測數據存儲容量;外接USB接口便于用戶導出所存儲參數,開展云擴展或其它后續研究分析。5.根據權利要求1所述的栗實象在線檢測系統,其特征在于,音頻檢測模塊包括帶整形放大電路和帶通濾波器的音頻傳感器、第一多路選擇開關和鑒頻器;音頻傳感器通過第一多路選擇開關與鑒頻器相連,鑒頻器與微控制器相連;音頻檢測模塊通過音頻傳感器采集栗實象出土羽化后飛往板栗樹上時的翅膀扇動頻率參數和害蟲方位信息,并將其發送給所述栗實象檢測裝置的微控制器中,進行處理和對比,分析出栗實象翅膀扇動頻率的基頻特性。6.根據權利要求1所述的栗實象在線檢測系統,其特征在于,所述聲波檢測模塊包括帶整形放大電路和帶通濾波器的聲波傳感器、第二多路選擇開關和頻譜分析儀,聲波傳感器通過第二多路選擇開關與頻譜分析儀相連,頻譜分析儀與微控制器相連;聲波檢測模塊通過聲波傳感器采集栗實象成蟲在啃食板栗樹上幼嫩組織時的聲波頻率參數和蟲害方位信息,并將其發送給所述栗實象檢測裝置的微控制器中,進行處理和對比,分析栗實象啃食聲波的基波特性。7.根據權利要求1所述的栗實象在線檢測系統,其特征在于,所述風速檢測模塊包括風速傳感器,風速傳感器和微處理器相連,所述風速檢測模塊通過風速傳感器監測被測板栗園的當前風速和風向,并將其發送給微控制器,建立音頻在空氣中傳播的速度和風速間的函數對應關系以及聲頻傳輸播速度和風速間的函數對應關系,減少風速、風向對音頻檢測、聲頻檢測的影響。8.根據權利要求1-7任一項所述的栗實象在線檢測系統,其特征在于,所述微處理器為管腳帶A/D轉換的TI公司的TMS320C28X系列DSP,以滿足復雜信息的數據處理與運算。9.根據權利要求3所述的栗實象在線檢測系統,其特征在于,所述電源模塊以12V可充電鋰電池組為核心,采用電力和太陽能兩種混合方式給其充電,節能環保。

說明書

技術領域

本發明涉及智能檢測技術與食品安全生產領域,具體涉及一種栗實象在線檢測系統。

背景技術

由于板栗多生于低山丘陵緩坡及河灘地帶,蟲害較多,被害果實喪失食用價值和經濟價值。危害板栗的蛀果害蟲最主要是栗實象。栗實象全稱栗實象鼻蟲,又叫栗實象甲,對板栗的危害率為25%-40%,有的地方高達70%以上。因此, 如何從源頭上對栗實象在還未對果實造成危害之前就開展檢測以便進行無公害防治,對發展板栗生產,減少栗農經濟損失已迫在眉睫。

當前,我國對栗實象的檢測還停留在原始的肉眼觀察階段,缺乏實時性、科學性,智能性不高。由于栗實象成蟲出土羽化后會立即飛往板栗樹取食板栗樹幼嫩組織,經過7~10d營養補充, 開始在刺苞或葉片上交配。在飛往栗樹及取食幼嫩組織時產生的最顯著的信號是飛往栗樹時的翅膀扇音頻頻率和取食幼嫩組織時的聲頻頻率,因此可用這些信號來對栗實象進行檢測。

發明內容

本發明的目的在于提供一種檢測效率高的栗實象在線檢測系統,以解決上述背景技術中的諸多缺點,并實現節能環保。

本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現:

一種栗實象在線檢測系統,所述栗實象在線檢測系統包括顯示控制器(又稱上位機)和栗實象檢測裝置(又稱下位機)。上位機與下位機雙向連接。上位機集信息顯示、操作控制于一體,由觸摸式顯示器構成,實現良好的人機對話。栗實象檢測裝置(又稱下位機)用于檢測栗實象主要生物特性參數,并將其與預先存儲在栗實象檢測裝置的微控制器內的栗實象生物特性標準值進行對比,診斷出有無該蟲害存在。若有,下位機的微控制器驅動報警模塊發出預警,并將檢測信息上傳上位機顯示;同時,將檢測信息存入栗實象檢測裝置的EEPRAM內,以便用戶通過拓展USB接口導出開展后續分析或進行云擴展。

所述栗實象主要生物特性參數包括栗實象啃食板栗樹幼嫩組織的聲波信號和栗實象成蟲飛往板栗樹時翅膀扇動時的音頻信號。

在本發明中,所述顯示控制器(上位機)由5.6寸LCD觸摸式彩色顯示屏構成,由栗實象檢測裝置的微控制器直接驅動,顯示控制器(上位機)與栗實象檢測裝置的微控制器通過雙向串口總線通信。LCD屏上設計有UI操作界面,實現良好的人機對話。UI操作界面分為主、子兩層結構,主UI操作界面用來顯示、控制操作,子UI操作界面用來查看蟲害具體方位。

在本發明中,所述栗實象檢測裝置包括:微控制器、電源模塊、音頻檢測模塊、聲波檢測模塊、風速檢測模塊、報警模塊。電源模塊、音頻檢測模塊、聲波檢測模塊、風速檢測模塊和報警模塊均通過串口總線與微控制器相連接。在考慮風速、風向對音頻、聲頻影響的基礎上,實現多角度、準確地對栗實象主要生物特性參數進行檢測。

在本發明中,所述栗實象檢測裝置還包括:擴展Flash數據存儲模塊(EEPRAM)、外接USB接口。擴展Flash數據存儲模塊(EEPRAM)、外接USB接口亦均通過串口總線與微控制器相連接。擴展Flash數據存儲模塊(EEPRAM)用于擴大檢測數據存儲容量;外接USB接口便于用戶導出所存儲參數,開展云擴展或其它后續研究分析。

在本發明中,所述音頻檢測模塊主要包括:帶整形放大電路和帶通濾波器的音頻傳感器、第一多路選擇開關和鑒頻器,音頻傳感器通過第一多路選擇開關與鑒頻器相連,鑒頻器與微控制器相連。

音頻檢測模塊通過音頻傳感器采集栗實象出土羽化后飛往板栗樹上時的翅膀扇動頻率參數和害蟲方位信息,并將其發送給所述栗實象檢測裝置的微控制器中,進行處理和對比,分析出栗實象翅膀扇動頻率的基頻特性。

在本發明中,所述聲波檢測模塊主要包括:帶整形放大電路和帶通濾波器的聲波傳感器、第二多路選擇開關和頻譜分析儀,聲波傳感器通過第二多路選擇開關與頻譜分析儀相連,頻譜分析儀與微控制器相連。

聲波檢測模塊通過聲波傳感器采集栗實象成蟲在啃食板栗樹上幼嫩組織(如嫩葉等)時的聲波頻率參數和蟲害方位信息,并將其發送給所述栗實象檢測裝置的微控制器中,進行處理和對比,分析栗實象啃食聲波的基波特性。

在本發明中,所述風速檢測模塊包括風速傳感器,風速傳感器和微處理器相連。

所述風速檢測模塊通過風速傳感器監測被測板栗園的當前風速和風向,并將其發送給微控制器,建立音頻在空氣中傳播的速度和風速間的函數對應關系以及聲頻傳輸播速度和風速間的函數對應關系,減少風速、風向對音頻檢測、聲頻檢測的影響。

在本發明中,所述栗實象在線檢測系統的微處理器為管腳帶A/D轉換的TI公司的TMS320C28X系列DSP。

在本發明中,所述電源模塊用于為整個檢測系統供電。所述的栗實象在線檢測整個系統以12V可充電鋰電池組為核心,采用太陽能和電池混合供電方式,節能環保。

本發明有益效果:本發明通過把低頻的音頻檢測模塊、聲波檢測模塊與風速檢測模塊相結合,既排除了風速風向對檢測栗實象主要生物特性參數的影響,又實現了多角度全方位無死角監測,有效提高了監測數據的實時性、準確性和可靠性;為及時準確地掌握板栗園栗實象蟲害情況,利用電磁方法開展對栗實象無公害化處理提供了技術支持,有利于提高板栗生產的產量和品質。本發明十分有利用戶及時準確地掌握板栗園栗實象蟲害情況,具有誤報率低、智能化程度高、操作簡單、實時性強等特點。

附圖說明

圖1為本發明栗實象在線檢測系統結構圖。

圖2為本發明的具體實施例整個系統控制流程圖。

圖3為本發明的上位機操作界面示意圖。

圖4為本發明的栗實象檢測裝置結構圖。

圖5為本發明的栗實象啃食聲波檢測裝置結構圖。

圖6為本發明的栗實象羽化后翅膀扇動音頻檢測裝置結構圖。

圖7為本發明的電源裝置結構圖。

具體實施方式

以下實施例用于說明本發明,但不用來限制本發明的范圍。

參照圖1、圖2所示的栗實象在線檢測系統結構圖及其系統控制流程圖。在本實施例中,該栗實象在線檢測系統包括顯示控制器(又稱上位機)和栗實象檢測裝置(又稱下位機)。顯示控制器(上位機)與栗實象檢測裝置的微控制器通過雙向串口總線連接,顯示控制器(上位機)集信息顯示、操作控制于一體,由觸摸式顯示器構成,實現良好的人機對話。下位機用于檢測栗實象主要生物特性參數,并將其與預先存儲在微控制器內的栗實象生物特性標準值進行對比,診斷出有無該蟲害存在。若有,下位機的微控制器驅動下位機報警模塊發出語音預警,并將檢測信息上傳上位機顯示和驅動上位機上紅色閃爍報警器預警;同時,將檢測信息存入下位機的EEPRAM內,以便用戶通過下位機的USB接口導出進行云擴展或開展其它后續研究分析。

參照圖3,所示顯示控制器(如CJT05601BN系列,又稱上位機)UI主界面布局示意圖。在本實施例中,所述顯示控制器上設計有主、子雙層UI操作界面。UI操作主界面左上側設置有文本報警區,用以顯示如“請注意!已檢測到栗實象。”的文本預警信息。UI操作主界面左下角設置有聲波檢測通道查詢按鈕,用于查詢具體是哪些聲波傳感器檢測到栗實象,根據聲波傳感器的安置位置來確立發現蟲害的具體位置。UI操作主界面正中間上端,設置有紅色閃爍報警器。UI操作主界面正中間下端,設置有方位顯示區,正常情況下為綠色,若某個表示箭頭變紅并閃爍,就代表哪個方位檢測到栗實象,給用戶一個總體方位提示,但具體蟲害位置依靠聲波檢測通道查詢按鈕和音頻檢測通道查詢按鈕來查看。UI操作主界面右上角設置有風速、風向參數顯示區;右下角設置有音頻檢測通道查詢按鈕,用于查詢具體是哪些音頻傳感器檢測到栗實象,根據音頻傳感器的具體安置位置來確立發現蟲害的具體位置。在聲波、音頻這兩個檢測通道查詢按鈕的后臺,子UI界面上分別設置了兩套并列排列的,與分布在栗園不同位置上的聲波、音頻傳感編號一一對應的綠色可變色、可抖動按鍵,當其中的某個或某些按鍵由綠色變為紅色并不斷地在抖動時,就說明相應傳感器近距離檢測到栗實象,根據傳感器在園區具體安置位置來確立發現蟲害的具體位置。

參照圖4-圖6所示,在本實施例中,該栗實象檢測裝置包括:微控制器、電源模塊、聲波檢測模塊、音頻檢測模塊、風速檢測模塊、拓展Flash數據存儲模塊(EEPRAM)、拓展USB接口和報警模塊。聲波檢測模塊、音頻檢測模塊、風速檢測模塊、拓展Flash數據存儲模塊(EEPRAM)、拓展USB接口、報警模塊和電源模塊均通過單向串口與微控制器相連。所述微控制器選用運算分析能力強的DSP——TMS320C28X系列(如TMS320F28335)。電源模塊給整個系統供電。

所述音頻檢測模塊包括帶整形放大電路和帶通濾波器的音頻傳感器、第一多路選擇開關和鑒頻器。音頻傳感器通過第一多路選擇開關與鑒頻器相連,鑒頻器與微控制器相連。本實施例中設有N個音頻傳感器,分別為音頻傳感器1、音頻傳感器2、┄、音頻傳感器N。

所述聲波檢測模塊包括帶整形放大電路和帶通濾波器的聲波傳感器、第二多路選擇開關和頻譜分析儀,聲波傳感器通過第二多路選擇開關與頻譜分析儀相連,頻譜分析儀與微控制器相連。本實施例中設有N個聲波傳感器,分別為聲波傳感器1、聲波傳感器2、┄、聲波傳感器N。

所述風速檢測模塊包括風速傳感器,風速傳感器和微處理器相連。

聲波傳感器自帶低噪聲整形放大電路和帶通濾波器。

音頻傳感器自帶整形放大電路和帶通濾波器。

在本實施例中,當系統開啟后,DSP微控制器接收聲波傳感器和音頻傳感器采集來的信號。若被測環境中無風時,以設定的時間(如60s。用戶可根據實際情況自主地來設定刷新時間間隔長短。)為單位,聲波信號經聲波傳感器自帶的低噪聲整形放大、帶通濾波器后,可得到沒有噪聲的栗實象啃食板栗樹幼嫩組織的聲波基波信號,該聲波信號經第二多路選擇開關、頻譜分析確認后輸入微控制器。同時,低頻的音頻傳感器采集的信號經音頻傳感器自帶的整形放大電路和帶通濾波器后,通過第一多路選擇開關,經鑒頻器后可直接得到栗實象翅膀扇動時的音頻信號送入微控制器。微控制器將這兩路栗實象生物特性參數信號(即栗實象啃食板栗樹幼嫩組織的聲波信號和栗實象翅膀扇動時的音頻信號)與預先預置在微控制器內的栗實象生物特性標準值相比較,在允許誤差范圍內(如5%的頻率誤差),判斷出有無檢測到栗實象若被測環境中有風時,板栗樹枝之間、樹葉與樹枝之間、樹葉之間就會拍打、搖晃振動和摩擦,產生噪聲,對音頻檢測和聲頻檢測產生影響。為從已疊加了噪聲的音頻和聲頻信號中成功地提取出主要生物特性參數,為此,微處理器將根據風速(風級)的大小分別采取不同的方法來分離和提取主要生物特性參數。當風速傳感器測得的風速較小(如三級風及以下)時,這時噪聲信號頻率比主要生物特性參數小得多,對音頻檢測和聲頻檢測信息夠不成大的影響。微處理器將自動采用傅立葉變換,通過對音頻和聲頻傳感器的輸入信號進行分析,就能很好地分析原信號,提取出音頻檢測和聲頻檢測信息中栗實象的主要生物特性參數,判斷出有無檢測到栗實象;當風速傳感器測得的風速較大(如四—六級風)時,這時噪聲信號頻率與主要生物特性參數相近,這時利用傅立葉變換,分析和提取出主要生物特性參數將存在很大誤差。因此,微處理器將自動采用最小二乘法來對音頻和聲頻傳感器的輸入信號進行分析,在觀測矩陣的基礎上利用2范數最小的終止準則,通過求解線性方程,辨識出相近信號組成的特征參數(如幅值、相角等)。從而有效地辨識和提取出音頻檢測和聲頻檢測信息中栗實象的主要生物特性參數,判斷出有無檢測到栗實象。

在上述各種情況下,若檢測到栗實象,下位機的微控制器驅動報警模塊發出預警,并將檢測信息上傳上位機顯示;同時,上位機的UI操作主界面的紅色閃爍報警器閃爍、文本報警區提示“請注意!已檢測到栗實象。”的文本預警信息;圖3中的方位顯示區顯示大致方位。報警時間設定為60s(用戶可根據實際情況自主地來設定報警時間長短。),60 s后系統自動關閉報警器。若想要查看栗實象的具體蟲害位置,將通過點擊UI操作主界面上的“聲波檢測通道查詢按鈕”和“音頻檢測通道查詢按鈕”,進入對應的子UI界面。查看子UI界面上所設置的兩套并列排列的綠色可變色、可抖動按鍵,哪個或哪些按鍵由綠色變為紅色并不斷地抖動時,就說明相應傳感器近距離檢測到栗實象,根據傳感器在園區安裝位置就能確定蟲害的具體發生地點。

在本實施例中,對傅立葉變換和最小二乘法等運算處理方法的編程采用MATLAB來實現,利用MATLAB生成DSP的C程序并導入本實施例DSP所創建的工程中,編譯下載在DSP中,以解決MATLAB程序與DSP間的不兼容。當風速傳感器測得的風速更大(如七級及以上風)時,這時栗實象既不會啃食板栗樹幼嫩組織,也沒有能力展開翅膀往樹上飛了。這時微處理器自動關機。

在本實施例中,利用風速檢測模塊采集板栗園區內風速風向信息,并送入微控制器進行處理與分析,可極大地降低檢測的誤報率。微控制器輸出,一方面把數據存儲在擴展Flash數據存儲模塊(EEPRAM)中、便于用戶通過拓展USB接口導出所存儲參數,開展云擴展或其它后續研究分析。另一方面,向上位機輸出顯示,并驅動報警器發出報警信號。

在本實施例中,栗實象檢測裝置中的傳感器(音頻傳感器和聲波傳感器)布置情況如下:在一定面積的板栗種植園內( 如一畝地) 的中間位置放置本在線檢測系統,并以此為原點,把園區分為上下左右四個區域,在每個區域內以原點為出發點,采用扇形分布式結構,音頻傳感器和聲波傳感器成對地、較均勻地將已編號的聲波傳感器(如CRY2110/2112等系列,16或32個)、音頻傳感器(如MP34DT02TR系列,16或32個)安放在樹枝和樹干上,聲波傳感器的敏感部件緊貼樹枝或夾住樹枝,音頻傳感器背靠樹干振動面朝外,分別用來采集板栗種植園內中栗實象啃食板栗樹幼嫩組織的聲信號和羽化后的栗實象成蟲飛往板栗樹時翅膀扇動時的音頻信號。在四個區域的約中間位置各放置1個風速檢測傳感器(如LVFSC系列)。

參見圖7所示,在本實施例中,所述電源模塊給整個系統供電,給電源模塊的供電采用太陽能混合供電方式。一是通過220V AC電源經過12V充電器,給12V鋰電池充電;二是由太陽能供電。由于光伏板輸出受光線強弱入射角度影響波動較大,直接使用對鋰電池損壞較大,為此,在光伏板與鋰電池之間要增設防逆流和過充控制器。當充電電壓范圍和12V電池的額定電壓范圍接近時,可使充電過程工作在最大功率點附近,其充電效率更高。為此根據光伏板面板的填充因子,選用最大功率點電壓為Vmpp≈18V的光伏板。

在本實施例中,微控制器所驅動的負載較多,為減少各負載工作時的相互干擾、提高系統的穩定性,根據各功能模塊的工作電壓不同,本發明電源模塊將對功能模塊供電采用獨立供電方式。所述12V可充電鋰電池的輸出電壓被分成三路:其中:第一路經高效率線性三端線性穩壓管(如AMS1117-3.3) 降穩壓后分成兩路,一路經濾波后輸出3.3V,給DSP的I/O供電,另一路經調壓電路調節10K電位器高壓、濾波器濾波后輸出1.9V,給DSP的內核供電;第二路經DC-DC隔離電源模塊B1205S-2WR3降穩壓、濾波后輸出5V,給聲波檢測模塊、報警模塊和風速檢測模塊等供電;第三路經調壓電路LM2576-ADJ,調節10K電位器,經穩壓、濾波后輸出3V,給低功耗音頻檢測模塊等供電。

雖然,上文中已經用一般性說明及具體實施例對本發明作了詳盡的描述,但在本發明基礎上,可以對之作一些修改或改進,這對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此,在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進,均屬于本發明要求保護的范圍。

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