茶园病虫害智能监测系统设计

山东农业科学２０１４，４６（４）：１２一ｌ５　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　茶园病虫害智能监测系统设计　李乔宇　，阮怀军　，王磊　，李道亮　，李振波　（１．山东省农业科学院科技信息研究所，山东济南２５０１００；２．中国农业大学信息与电气工程学院，北京１０００８３）　摘要：针对各种优质茶叶（有机茶、无公害茶、绿色食品茶）生产中对农药及化肥使用的要求，设计了面　向茶园环境的病虫害智能监测系统，旨在通过视频监视茶园的病虫害发生，通过传感器监测影响病虫害发生　的环境因子，以实现茶园病虫害的针对性防治，避免农药过量使用，保护茶园生态环境。　关键词：病虫害；茶园；生态环境；智能监测系统　中图分类号：￥４３１．９＋￥４３５．７１１　文献标识号：Ａ　文章编号：１００１—４９４２（２０１４）０４—００１２—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｄｉｓｅａｓｅｓ　ａｎｄ　Ｉｎｓｅｃｔ　Ｐｅｓｔｓ　ｉｎ　Ｔｅａ　Ｇａｒｄｅｎ　Ｌｉ　Ｑｉａｏｙｕ　，Ｒｕａｎ　Ｈｕａｉｊｕｎ　，Ｗａｎｇ　Ｌｅｉ　，　Ｌｉ　Ｄａｏｌｉａｎｇ　，Ｌｉ　Ｚｈｅｎｂｏ　（１．Ｓ＆ＴＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　胁眦ｅ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｊｉｎａｎ　２５０１００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ａｎｄ　ｉｎｓｅｃｔ　ｐｅｓｔｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｑｕａｌｉｔｙ　ｔｅａ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ａｇａｃｕｌｔｕｒａｌ　ｃｈｅｍｉｃａｌｓ　ａｎｄ　ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｓｅａ－　ｓｅｓ　ａｎｄ　ｉｎｓｅｃｔ　ｐｅｓｔｓ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｖｉｄｅｏ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔｅｄ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ａｎｄ　ｉｎｓｅｃｔ　ｐｅｓｔｓ，ｒｅ—　ｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ａｓｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｃｈｅｍｉｃａｌｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｅａ　ｇａｒｄｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｄｉｓｅａｓｅｓ　ａｎｄ　ｉｎｓｅｃｔ　ｐｅｓｔｓ；Ｔｅａ　ｇａｒｄｅｎ；Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　中国是茶叶之乡，茶在人们日常生活中占有　重。病虫害是优质茶叶生产的重要威胁，据统计，　重要地位，随着生活水平的提高，茶叶的需求量日　一般病虫害会导致茶叶减产１０％～２０％…，而大　益增加，对茶叶品质的要求日益提高，茶叶经济正　规模病虫害带来的损失更大。茶园规模扩大，农　进入快速发展阶段。在这个大背景下，茶叶生产　药限制使用，都加大了茶园病虫害防治的困难性。　有了新的特点：①出现了大规模的茶叶企业。如：　本文即针对上述问题设计了茶园病虫害智能　安徽省宣郎广茶业总公司拥有茶园面积１　４００　监测系统，以求在智能农业的思路上寻找解决问　ｈｍ　，福安市农垦茶业有限公司的茶园面积超过　题的新途径。该系统将茶园作为一个整体，通过　４００　ｈｍ　。如何有效管理如此大规模的茶园，是茶　摄像头、传感器和气象站的多方位监测，动态显示　企业亟需解决的问题。②社会对优质茶叶的需求　茶园视频图像和各环境因子的变化情况，从而对　日益增加。有机茶、无公害茶、绿色食品茶的生产　病虫害进行预测预警，为优质茶叶的生产提供技　都对农药和化肥的使用情况以及生长环境作了严　术支持。　格要求，如何在限制农药、化肥的使用且不破坏茶　园生态环境的条件下保证优质茶叶的产出，是茶　ｌ　智能监测系统的总体设计　叶生产面临的新问题。③茶园病虫害问题仍然严　目前对大田作物长势和病虫害的观测仍然广　收稿日期：２０１３—１２—０５　基金项目：国家科技支撑计划（２０１２ＢＡＤ３５Ｂ０７），山东省自主创新专项（２０１３ＣＸＣ９０２０４），国家国际科技合作专项（２０１３ＤＦＡ１１３２０）　作者简介：李乔字（１９８６一），男，研究实习员，研究方向为农业信息化。Ｅ—ｍａｉｌ：ＪｏＲａｙ８６＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ　通讯作者　第４期　李乔宇，等：茶园病虫害智能监测系统设计　１３　泛依靠人力，这使得茶园企业面临日益增加的人　工成本压力。另一方面，对病虫害预测预警的探　病虫害易发生指标，从而得到直观的、有价值的信　息；③监视中心将信息传达给用户，通过多屏幕联　动显示监测信息，并将预警信息通过Ａｐｐ或者短　信发送到移动终端。　索集中在ＧＩＳ（地理信息系统）的应用上　Ｊ。通　过ＧＩＳ可以有效地进行病虫害预测的区域性分　析，防止病虫害的大范围发生和扩散。但ＧＩＳ的　特点也决定了利用其对病虫害预测预警具有先天　时效性不足的缺陷。因而，ＧＩＳ更适用于政府部　根据设计目标，茶园病虫害智能监测系统可　实现两个功能：病虫害的视频监视和环境因子的　动态监测。　门面向区域农业发布预测信息。　茶园病虫害智能监测系统则是针对每个茶园　的生产管理而设计的，可通过多链路视频监视单　元对茶树长势、叶表病虫害情况进行监视，根据病　虫害特征及时调整防治措施。同时，土壤传感器　和气象站实时监测记录茶园环境因子的变化动　态，当环境条件有利于病虫害发生时发出预警信　息，以方便工作人员加强监测并采取应对措施。　茶园病虫害智能监测系统按照三层架构　引，　分别为信息感知层、信息传输层和应用层（见图　１）。　Ｉ　监视中心　Ｉ　１　分析中心　Ｉ　应用层　Ｌ　Ｉ　数据中心　Ｉ　厂看召　丽　］ｌ基于ｚ　暾传感Ｉ、　Ｉ网络传输标准Ｉ　圆圈圈　感知层　图１　茶园病虫害智能监测系统架构　本文中系统感知层的建设分为视频监视和环　境监测两部分，包括视频监视单元、水分传感器、　土壤电导率传感器、土壤养分检测仪、生物传感　器、农业气象站等。此外，该层的建设还包括制定　传感器量程规范、面向茶园应用的传感器的接口　规范以及与各种网络、总线接口的专用集成电路　规范。　传输层主要实现信息的可靠和安全传输，包　括网络传输标准及有线网络和无线网络的建设。　茶园智能监测系统在视频监视环节使用有线网　络，在环境监测环节使用无线网络。　应用层主要实现信息的存储、利用和服务，按　功能分三层架构：①数据中心将传输层传递来的　数据存储到数据库，包括数据库建设、数据标准建　设，应用标准接口建设；②分析中心对数据库中的　数据加工利用，分析病虫害图像、生态环境指数、　２病虫害视频监视　病虫害视频监视模块通过分散布置于茶园中　的高清监视节点实时观察茶树叶表疾病和虫害迹　象。该模块按照智能监测系统的三层架构进行建　设：信息感知层进行监视节点的建设，信息传输层　进行有线传输网络的建设，应用层建设服务平台　以展示视频监视结果。　２．１监视节点的布设　设置的监视节点要能充分观察到茶园病虫害　的发生迹象，因此，需依照茶园病虫害的特征进行　科学布置。　茶园常见病虫害，如假眼小绿叶蝉、茶尺蠖、　茶毛虫、茶橙瘿螨、茶芽枯病、茶炭疽病等　６］，存　在４个显著特征：多数害虫具有群居性；幼虫多居　于叶片背面；虫害发生时叶子呈焦枯、萎缩或被啃　食状，虫害越严重越明显；病害发生时叶子出现病　斑，随着病害加重特征越明显。　根据上述特征，可以在茶园定点安放摄像装　置，观察局域茶叶背面病虫害发生迹象，从而对大　范围病虫害发生情况进行推理。叶子焦枯、萎缩　和被啃食状的情况可以通过大范围的监视节点发　现。因此，本系统将监视节点分为远景监视节点　和近景监视节点。远景监视节点（见图２）采用可　旋转、高变焦摄像装置，布置在高４～５　ｍ的立杆　上，用于观察大范围的茶树生长状况及病虫害发　图２远景监视节点　１４　山东农业科学　第４６卷　生时叶子的异常情况。近景监视节点采用高微距　识库中进行比对，根据知识库检索的结果向监视　摄像装置，布置在高０．５—１．０　ｍ的支架上，用于　中心发送反馈信息。　监视中心通过多路显示屏实　观察叶片背面和茎部出现的害虫虫卵和幼虫。预　时显示现场监视节点传来的图像及图像分析系统　期在每６　６６７　ｍ　茶园面积中布设远景监视节点３　的分析结果，并通过短信平台及时向负责人发送　个，近景监视节点９个（见图３）。　预警信息。　．　‘、　群）［　蔓　）　３　生态环境因子的动态监测　［　条　目　ｉ　人们对茶叶品质要求的不断提升促使茶叶生　［　［　产更加规范，并对生产环境及田间管理各环节提　出了更高的要求。　点　［　通过视频监视可以及时了解茶园病虫害的发　．１Ｋ　［二　蔓曼’）　［二　点　生情况，并采取相应的防治措施，从而避免大规模　的大量用药。而对茶园生态环境因子的监测可以　图３茶园监控节点设计　使茶园的田间管理更具针对性，满足高品质茶叶　２．２有线传输网络　生产的生态要求，并且能在环境条件易于发生病　视频监视数据量大，且要求监视节点传送高　虫害时发出预警。　精度、高质量的视频图像，这提高了系统对网络带　茶园生态环境监测模块包括监测节点、无线　宽的要求。　传感网络、服务平台。　ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，控制器局域　３．１监测节点　网）总线是目前国内外大型农机设备普遍采用的　包括传感器和气象站。传感器又分为：①土　一种标准总线，是一种有效支持分布式或实时控　壤水分传感器：监测土壤水分变化，对茶树生长、　制的串行通信网络。ＣＡＮ总线实时性强，可靠性　农田小气候以及土壤的机械性能有重要作用。②　高，抗干扰能力强。茶园病虫害视频监视系统使　土壤电导率传感器：获取土壤电导率值，对分析土　用基于ＣＡＮ总线的数据采集技术和基于Ｉｎｔｅｍｅｔ　壤环境具有一定意义。土壤电导率与土壤有机物　的远程数据传输技术以实现远程茶园视频监视　含量、粘土层深度、水分保持能力有密切关系　Ｊ。　（见图４）。　③土壤养分检测仪：主要检测土壤中氮（Ｎ）、磷　（Ｐ）、钾（Ｋ）的含量。这三种元素是作物生长的　必需营养元素，也是肥料的主要组成成分，对其含　量的检测不仅能够保证茶树生长所需的养分，也　能防止过度使用化肥，减轻对生态环境的破坏。　④生物传感器：可用于农药的检测和分析　ｊ，有　利于保护茶园生态环境，生产高品质茶叶。　气象站可以对空气温度、湿度及光照强度、风　图４　ＣＡＮ总线控制系统总体结构　速、风向、降雨量等农业气象情况进行监测。这些　２．３服务平台　信息的获取有助于掌握茶园作物生长环境，对病　茶园病虫害视频监视系统的服务平台建设包　虫害预测预警。　括数据库、知识库以及图像分析系统、监视中心的　３．２无线传感网络　建设。　ＷＳＮ（无线传感器网络）是一种无中心节点　数据库抽样记录监视视频中的典型茶叶图　的全分布系统。通过随机投放的方式，众多传感　像，注明记录日期和时间；知识库记录典型的病虫　器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点　害信息及应对措施。图像分析系统按照机器视觉　集成有传感器、数据处理单元、通信模块和能源单　方法自动分析数据库中的茶叶图像，将结果在知　元，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系　第４期　李乔宇，等：茶园病虫害智能监测系统设计　统［　。　害迹象，生态环境监测模块通过传感器和气象站　本研究在茶园生态环境监测模块中使用Ｚｉｇ．　获取茶园环境信息，合理运筹水肥管理，预测病虫　Ｂｅｅ技术布置无线传感网络。ＺｉｇＢｅｅ技术具有自　害。该系统具有一定的先进性，但在视频监视节　动组网、网络容量大、工作频段灵活、数据传输速　点的布置上仍需进一步实验。　率低、模块功耗低、成本低的特点　Ｊ，十分适于对　茶园环境的监测。　参考文献：　３．３服务平台　潘超娅，张午，童浚超，等．茶园病虫害标本系统的实现与意　茶园生态环境监测模块与茶园病虫害视频监　义［Ｊ］．计算机光盘软件与应用，２０１２（１９）：２６—２８．　视模块共用服务平台，包括数据库和知识库、环境　洪波，张锋，李英梅，等．ＧＩＳ在农业病虫害预警研究中的应　用［Ｊ］．陕西农业科学，２０１１（３）：１７０—１７３．　与病虫害分析系统、监视中心。数据库记录传感　罗菊花，黄文江，韦朝领，等．基于ＧＩＳ的农作物病虫害预警　网络监测的环境数据。知识库记录环境模型与相　系统的初步建立［Ｊ］．农业工程学报，２００８，２４（１２）：１２７—　应方案。环境与病虫害分析系统根据监测数据在　１３１．　知识库中检索，得到分析结果。监视中心展示监　张谷丰，朱叶芹，翟保平．基．于ＷｅｂＧＩＳ的农作物病虫害预　测数据和分析结果，对重点情况通过短信平台向　警系统［Ｊ］．农业工程学报，２００７，２３（１２）：１７６—１８１．　李道亮．农业物联网导论［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１２．　农户发送预警短信。　卢振辉．有机茶生产技术——有机茶园病虫害的控制［Ｊ］．　４结语　１ｊ　１；１ｊ林业科技开发，２００２，１６（３）：６７．　　张恩亮，曹少华．基于ＣＡＮ总线监控系统设计［Ｊ］．大坝与　本文针对茶园环境设计了一套茶园病虫害智　安全，２００９（２）：３８—４５．　能监测系统。该系统面向优质茶园，旨在通过对　周仕林，刘冬．生物传感器在环境监测中的应用［Ｊ］．理化　病虫害发生状况的监测，有针对性的防治，避免过　检验（化学分册），２０１１，４７（１）：１２０—１２４．　赵景宏，李英凡，许纯信．Ｚｉｇｂｅｅ技术简介［Ｊ］．电力系统通　量使用农药而造成的污染和生态破坏。该系统的　信，２００６，２７（７）：５４—５６．　病虫害视频监视模块通过视频监视及时发现病虫　（上接第ｌｌ页）　［９］　杨建军．西北地区日光温室土质墙体厚度优化及其保温性　［２］梁浩，方慧，杨其长，等．日光温室后墙蓄放热帘增温效　研究［Ｄ］．杨凌：西北农林科技大学，２００９．　果的性能测试［Ｊ］．农业工程学报，２０１３，２９（１２）：１８７—　［１０］马承伟，陆海，李睿，等．日光温室墙体传热的一维差分　１９３．　模型与数值模拟［Ｊ］．农业工程学报，２０１０，２６（６）：２３１—　［３］王思倩，张志录，侯伟娜，等．下沉式日光温室南侧边际　２３７．　区域土壤温度变化特征［Ｊ］．农业工程学报，２０１２，２８　［１１］马淑华，王凤文，张美金．单片机原理与接口技术［Ｍ］．北　（８）：２３５—２４０．　京：北京邮电大学出版社，２００７．　［４］王晓冬，马彩雯，吴乐天，等．日光温室墙体特性及性能　［１２］李宁．基于ＭＤＫ的ＳＴＭ３２处理器开发应用［Ｍ］．北京：北　优化研究［Ｊ］．新疆农业科学，２００９，４６（５）：１０１６—１０２１．　京航空航天大学出版社，２００８．　［５］邱玉宾，李振龙，赵靖杰，等．日光温室温度变化特点及控　［１３］张观山，王涛，李立成，等．基于物联网的设施环境综合参　温措施与郁金香生长发育的关系［Ｊ］．山东农业科学，　数测试系统［Ｊ］．山东农业科学，２０１３，４５（１１）：１２—１６．　２０ｌ３，４５（３）：６８—７Ｏ．　［１４］张志录．下沉式日光温室土质墙体传热特性的研究［Ｄ］．　［６］温祥珍，李亚灵，李连旺，等．日光温室墙体内部温度状况　郑州：河南农业大学，２０１２．　分析［ｃ］／／设施园艺研究新进展——２０ｏ９中国・寿光国际　［１５］马承伟，　云龙，籍秀红，等．日光温室墙体夜间放热量　设施园艺高层学术论坛论文集．２００９：１０６　１　１２．　计算与保温蓄热性评价方法的研究［Ｊ］．上海交通大学学　［７］佟国红，王铁良，白义奎，等．日光温室墙体传热特性的　报（农业科学版），２００８（５）：１８．　研究［Ｊ］．农业工程学报，２００３，１９（３）：１８６—１８９．　［１６］王铁行，刘自成，卢靖．黄土导热系数和比热容的实验研　［８］　李小芳，陈青云．墙体材料及其组合对日光温室墙体保温　究［Ｊ］．岩土力学，２００７，２８（４）：６５５—６５８．　性能的影响［Ｊ］．中国生态农业学报，２００６，１４（４）：１８５一　［１７］曾攀．有限元分析基础教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，　ｌ８９．　２０Ｏ８．