茶刺蛾智能檢測與捕殺系統設計

向 誠，史杰函，嚴謙捷，鐘遠志，劉欽標

（中南林業科技大學 涉外學院，湖南 長沙 410004）

茶刺蛾智能檢測與捕殺系統設計

向 誠，史杰函，嚴謙捷，鐘遠志，劉欽標

（中南林業科技大學 涉外學院，湖南 長沙 410004）

設計一種以移動手機為控制端，以單片機為核心處理器、通過無線通信模塊傳輸操作指令、視頻、文本信息，能實時地將各信息采集模塊拍攝到的圖像、文本信息傳輸至手機等移動終端，并能根據檢測結果發出語音預警、在手機控制端的控制下對茶刺蛾開展誘捕燈捕殺的一種智能型茶刺蛾在線檢測與捕殺系統。該系統具有檢測和捕殺效率高、節能環保等特點，有利于推廣。

茶刺蛾；WIFI；智能檢測；音頻識別；在線捕殺

茶葉作為我國種植面積最廣的經濟農作物，是農民收入的一個重要來源。一直以來，對茶葉蟲害的檢測主要靠人眼來發現與判斷，但這種方式不僅大大地降低了蟲害的檢測出率，畢竟只有在蟲害大規模爆發時才能被人眼所發現；另一方面，當前對茶葉蟲害的捕殺是依靠化學農藥為主的害蟲防治技術，農藥對靶標害蟲進行毒殺的同時，也加深了對食物鏈和生態系統的破壞，農藥殘留導致食物和環境的污染日益突出。

由于，在所有茶葉蟲害中茶刺蛾對茶葉的危害最大，為此，擬設計出一種綠色環保的蟲害防治設備——茶葉蟲害（茶刺蛾）智能檢測與捕殺系統，該系統不僅能夠解決傳統測報工作勞動力大、效率低的問題，而且節能環保。

1 系統方案設計

針對當前茶葉蟲害的檢測與捕殺主要依靠肉眼查看和農藥噴灑來實現這一現狀，本文設計一種綠色環保的茶葉蟲害智能檢測與捕殺系統。該系統以stm32為核心，以智能手機為控制端和顯示端。系統通過音頻檢測、紅外攝像等多種手段對茶葉蟲害進行實時在線探測，并把探測各類信息上傳至云端，以便通過手機等工具查看蟲害的現時情況及其具體方位等。當系統探測到的蟲害時，手機上的報警系統及時預警，并通過控制端發出指令，驅動誘捕燈等對害蟲進行在線捕殺。紅外攝像頭在手機的控制下實現全方位無死角監控。

基于以上的研究需求，確立了如圖1所示的系統結構框圖。

圖1 茶刺蛾檢殺系統結構框圖

2 系統硬件設計

該探測車的硬件主要由電源模塊、控制器模塊、音頻檢測模塊、語音模塊、無線信息傳輸模塊、誘捕燈及手機控制端構成。

（1）電源電路。由于本系統需要驅動車體直流電機、攝像頭轉向舵機，所以選擇了一個最低容量為10C的可充電鋰電池，其輸出電壓為12V。

本設計中對于不同的負載，供電電壓的會有所不同，為防止機電類負載對單片機和其它集成芯片造成干擾，需要分開供電，并且需要加大容量的濾波電容以及必要的電感等儲能元件，電源模塊電路設計如圖2所示。驅動攝像頭伺服電機，選用LM317穩壓芯片輸出的5V電壓；對控制器等集成電路的供電選用了LM7805三端穩壓管；對傳感器檢測模塊的供電選用了LM2596開關型降壓穩壓管。

圖2 電源電路原理圖

（2）控制器電路。控制器模塊上連無線路由，下接各檢測電路，是系統控制與數據處理的核心。文章選取STM32作為主控芯片，STM32內置EEPROM和A/D轉換器，無需外加A/D轉換芯片和數據存儲芯片。其內部有4路PWM、8路高速10位A/D轉換，同時還集成了MAX810專用復位電路、能適用電機控制、強干擾場合的電路設計。

（3）驅動電路。伺服電機本身自帶驅動電路，只需要通過單片機提供PWM信號以調節其角度即可，不需要設計專門的驅動電路，但需要設計誘捕燈驅動電路。為實現手機無線方式控制誘捕燈的開關，采用繼電器控制方式以連通與斷開驅動芯片。則在單片機控制I/O口與繼電器K1間接入一個ULN2003用于驅動繼電器。

（4）音頻識別電路。文章采用LM567鑒頻芯片來對害蟲進行音頻頻率的識別，當外界音源頻率的輸入和電路設定頻率相同時，芯片輸出低電平信號，其他音頻頻率予以濾除。電路設計如圖3所示。聲源從Mic輸入，一路經Q2、R50、R44、R45組成的共射級放大電路后輸入LM386的IN+用于選頻，調節R44即可改變選頻頻率，音頻經LM567處理后從VOUT端輸出至主單片機P1^3，R54、C45用于濾除高頻噪聲。一路經Q5、Q3逐步放大后輸入NE555的TRLG，將電平信號轉化為脈沖輸出，用于數字信號處理，文章采用直接低電平觸發。

圖3 音頻頻率檢測電路圖

（5）語音提示電路。語音提示設計采用ISD1820語音模塊，ISD1820芯片采用CMOS技術，內含振蕩器，話筒前置放大，自動增益控制，防混淆濾波器及FLASH陣列等。該模塊支持10s語音錄放，通過設置可進入循環播放工作模式，工作電壓3～5V。

（6）誘捕燈。為降低噴灑農藥等防治蟲害給食品帶來安全隱患和環境污染等問題，本文選用誘捕燈來對茶刺蛾開展在線捕殺。誘捕燈選用常用戶外果園誘蟲燈便可。該誘捕方式具有無毒素殘留，結構簡單，成本低廉等特點，從而在降低環境污染的同時，維持茶葉原有的品質。

（7）無線通信和圖像采集模塊。無線通信和圖像采集模塊由攝像頭和路由器構成。圖像采集選擇能滿足上下左右0°～180°旋轉的、可實現遠距離打開或關閉的高質量高清的天敏S605型攝像機，通訊接口為USB協議。路由器采用支持OpenWrt、工作電壓為5V的TP-LINK全新推出的TL-WR703N型迷你3G無線路由器,它與通過UART與單片機及通信，與手機控制端則通過WIFI傳遞圖像和文本數據。

3 系統軟件設計

軟件設計作為茶刺蛾智能檢測與捕殺系統設計的重要組成部分較為復雜，包括手機控制端的操作軟件設計、無線路由軟件設計、基于單片機的軟件設計等。下面僅就軟件總體設計和單片機工作流程作說明。

（1）軟件總體設計概況。正如所述所說，系統的軟件設計根據其要實現的功能要分成較多模塊。其中，路由操作系統采用OpenWrt，此部分在路由器刷機部分完成，主要完成圖像采集、文本信息傳輸和操作指令傳輸等功能；手機控制端控制攝像頭運行、開關誘捕燈和顯示檢測系統信息等；單片機軟件通過接收來自上位機的命令，執行相應操作；而連接上位機和下位機之間的紐帶就是通信協議。軟件系統總體設計流程如圖4所示，表明了通過軟件控制的從手機控制端到無線路由器再到單片機與具體電路的數據流向。

圖4 軟件設計整體流程圖

圖5 單片機設計流程圖

（2）單片機工作軟件。茶刺蛾檢測與捕殺系統以單片機作為核心，與其它各個功能模塊進行數據信息交換以及操作驅動控制。通過編寫單片機程序，以達到控制各個功能模塊的作用。如圖5所示為未考慮中斷情況下單片軟件設計的一個簡單整體流程。

4 結語

經過對整個系統的調試與性能測試，該智能檢測與捕殺系統穩定性良好、無線交互式操作操控的靈敏度高，伺服電機能帶動攝像頭左右旋轉180°和仰、俯視90°全方位地采集圖像信息，獲取的實時視頻信息清晰、流暢，檢測茶刺蛾參數誤報率低，做實驗驗證，對單位容積內的茶刺蛾捕殺率保持在90%以上，其各項技術指標符合設計要求。

［1］黃安平，包小村.茶刺蛾及其防治研究進展［J］.湖南農業科學，2009，（9）：84-86.

［2］劉三林.茶奕刺蛾生物學特性及防治［J］.湖南林業科技，2001，（1）：26-28.

［3］向誠，謝峰粹.基于WiFi和Android的智能探測車設計［J］.電子技術應用，2013，（12）：82-85.

［4］候國照.基于OpenWrt的無線傳感器網絡協議研究與實現［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

Design and Research on Intelligent Detection and Catching System for Iragoides Fasciata Moore

XIANG Cheng，SHI Jie-han，YAN Qian-jie，ZHONG Yuan-zhi，LIU Qin-biao
（School of Foreign Affair，Central South University of Forestry and Technology，Changsha，Hunan 410004，China）

The design of a mobile phone as the control end，the microcontroller as the core processor，which transfers operational instructions，video，text information through the wireless communication module，transmits the image，text information captured by real-time information acquisition module to the phone and other mobile terminals，and according to issues voice warning according to the test results.It is an intelligent iragoides fasciata moore on-line detection and killing system under the control of the mobile phone.The system has high detection and killing efficiency，energy saving and environmental protection and other characteristics，and is conducive to the promotion.

tea moth；WIFI；intelligent detection；audio recognition；online hunting

TN92

A

2095-980X（2017）02-0054-02

2017-02-07

2016年度湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目：茶葉蟲害（茶刺蛾）智能檢測與捕殺系統設計（2016-957）。

向誠（1973-），男，湖南洞口人，碩士，副教授，主要研究方向：檢測技術與自動化控制。