蝗虫密度等级自动监测系统技术方案

本发明专利技术属于农业病虫害防御技术，具体涉及一种蝗虫密度等级自动监测系统。由四部分组成，信号采集模块，由四个高精度差分传声器在一定半径球面上以１２０度立体角布设，采集一定范围内的声音信号，采集的信号传输给信号预处理模块；信号预处理模块，由前置放大电路、检波电路、波形叠加电路、三级嵌位电路组成，对采样模块送来的数据进行预处理，形成方波脉冲并传输至识别与计算模块；识别与计算模块，由ＡＴＭＥＧＡ１６单片机构成，信号处理结果传输至远程数据传输模块；远程数据传输模块，将结果远程传输至监测中心。本发明专利技术运营成本低，无人全天候监测，可实现对蝗虫密度等级的直接测量，可独立使用，也可形成综合监测系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于农业病虫害防御技术，具体涉及一种蝗虫密度等级自动监测系统。
技术介绍
蝗灾属于毁灭性的生物灾害，它和水灾、旱灾一起构成人类社会的三大自然灾害。 20世纪80年代中期以来，受异常气候和农业生态环境变化的影响，我国各地新蝗区不断产 生，老蝗区出现反复，蝗虫发生频率上升，危害程度加重。据初步统计，目前我国飞蝗发生区 涉及16个省市区，发生面积在2亿亩以上。上述蝗虫发生区涉及农牧民1亿多人。“九五” 期间，尽管积极采取了防治措施，但因蝗灾造成的经济损失仍在100亿元以上。目前，我国常用或已提出的的侦测手段有四种1)主要依靠人海战术。在蝗灾可 能发生的区域，大面积的布点，人工循环进行检查。主要是查虫卵和实际地面蝗虫的龄期来 预测蝗灾的发生期。2、卫星遥感预测。该技术通过地面植被指数来间接测量，需要摸清蝗 虫生境特征与当地蝗虫种群的发生、繁育之间的关系机理。但一般来说，这种机理是十分复 杂的，而且是随地而异的，并不存在一个固定模式。幻雷达监测系统。该方法只能侦测大 面积的飞蝗，不能进行预报。通常用于已起飞的蝗灾情况监测。4)有人提出了“一种蝗灾 超低空预警系统及其田间蝗虫自动识别方法”(中国农业机械化科学研究院，已申请专利技术专 利)。该方法由于采用了超低空测量方法，较之卫星遥感和一般航空遥感，大大提高了地面 图像的分辨率，并能直接测量地面蝗虫。配合GIS地理信息系统，可以扩展探测范围，达到 大型遥感系统的覆盖范围，且机动灵活。但是，该方法由于运行成本高，无法进行长期的连 续监测，更不能实现M小时全天候监测。为此，改进和提高蝗虫监测技术水平，探索新的蝗虫监测技术，无疑是十分重要 的。蝗虫鸣叫声属于脉冲声波，例如，亚洲飞蝗的叫声，呈现双脉冲特点，双脉冲内间 隔、脉冲对间隔、脉冲幅度均显出比较稳定的性质(见图1)。从统计意义上，当蝗虫密度增 大时，同一时段蝗虫鸣叫脉冲数会随之增加。同时，由于声脉冲重叠概率增大，使得高幅度 脉冲个数也会增加。通过记录和统计规定时段内脉冲个数以及不同幅度脉冲个数所占比 例，可以估算所测区域蝗虫密度等级，进而发出蝗灾程度警报。蝗虫密度等级的规定，各区域或各部门不尽相同，可以根据监测所在区域，将所对 应的蝗虫密度等级规定作为监测系统的定标依据。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的，是要提供一种利用蝗虫鸣叫声的蝗虫密度等级自动监测系统。该 系统具有布设成本和运营费用低，能够全天候监测的优点。即可以独立使用，也可以与其它 监测技术融合，形成综合监测系统。例如，可以作为高费用复杂监测系统的预监测环节，减 少高运营成本监测系统的启动次数，降低总体运行费用。( 二)技术方案为达到上述目的，本专利技术基于蝗虫密度与蝗虫鸣叫声脉冲总次数相关的原理，通 过记录和统计规定时间段内的蝗虫鸣叫声脉冲计数，得出监测点处蝗虫密度等级。系统采 用以下方案系统的每个节点由信号采集模块、信号预处理模块、识别与计算模块和远程数 据传输模块四部分组成。1、硬件构成信号采集模块，由四个高精度差分传声器组成，四个传声器在一定半径球面上以 120度立体角布设，采集一定范围内的声音信号，差分传声器可以降低雨声、风声、雷声等广 域背景噪声的强度，提高信噪比。信号采集模块的信号传输给信号预处理模块。信号预处理模块，由前置放大电路、检波电路、波形叠加电路、三级嵌位电路等组 成，对采样模块送来的数据进行预处理，形成方波脉冲并传输至识别与计算模块。识别与计算模块，由ATMEGA16单片机构成。信号处理结果传输至远程数据传输模 块。远程数据传输模块，由MC55芯片承担，将结果远程传输至监测中心。硬件结构框图见图3。2、信号处理过程将四个传声器采集到的信号进行检波取其脉冲包络，然后将四路包络信号叠加， 使得特定空域内的信号大大增强，对应空域以外的信号较弱，以实现信号采集的空间定位。 设定三种阈值对信号包络进行嵌位与整形，形成三个方波脉冲序列。低阈值嵌位可以滤掉 设定空域以外的信号和背景噪声，中阈值和高阈值嵌位可获得不同幅度的信号脉冲。三个方波脉冲序列送入单片机，单片机将飞蝗鸣叫脉冲信号检出并对三种幅度类 别脉冲分别进行统计，形成三维特征向量。将三维特征向量作为已训练好的神经网络输入 端，密度等级作为神经网络的输出端，判断给定时段内的蝗虫密度等级。等级类别在神经网 络离线训练时确定。得出的蝗虫密度等级结论通过主控芯片ATMEGA16发送给MC55，MC55则通过GPRS 网络传送到指定IP地址的监测中心或手机上。同时，监测中心可控制MC55选择以TCP、UDP、 短信3种方式发送数据。本专利技术的有益效果1、本专利技术数据采集在地面进行，可实现对蝗虫密度等级的直接测量；2、本专利技术为自动监测系统，可实现M小时全天候无人监测；3、系统每个布设节点设备投入小于1万元人民币，即使考虑主控系统监测中心的 设备投入，每个节点的平均设备投入也不会大于1. 2万元人民币；4、运营成本低，单片机耗电量小，利用GPRS网络传送的流量计费方式，传送规定 时段的测量结果，数据传输量极低。例如，以30分钟作为一个测量时段，则每个节点每30分 钟才传输一个数据。全天候每个节点发出的数据为48个十进制数据，总流量不到0. 5k比 特。按手机短信收费估算，每个节点每天48条短信息的运营费用仅4. 80元人民币；5、既可以独立使用，也可以与其它监测技术融合，形成综合监测系统；6、可以作为高费用监测系统(如航空监测)的预监测环节，减少高费用监测系统 的启动次数，降低总体运营费用。附图说明图1是亚洲飞蝗鸣叫声的时域曲线。图2是传声器布设示意图，图中阴影部分是四个传声器有效区域公共部分平面投影。图3是系统结构示意图。图4是单路前置放大和检波电路的电原理图。由四运放集成电路芯片LM3M搭建 成四路前置放大电路，每一路对一个传声器的信号进行单独放大并检波。检波电路由检波 二极管和旁路电容构成。图5是模拟加法器电原理图。由集成电路LM385芯片搭建，将检波后的四路信号 包络叠加在一起，并正向输出。图6是三等级嵌位及波形修整电原理图。将模拟加法器的输出分别通过不同嵌位 电压的比较器，输出三路TTL电平方波脉冲。电路由LM339比较器集成芯片搭建。图7信号识别、脉冲统计和结果远程输出结构框图。信号识别、脉冲统计由 ATMEGA16单片机完成，结果通过主控芯片ATMEGA16发送给MC55，MC55则通过GPRS网络远 程传送到指定IP地址的监测中心或手机上。具体实施例方式方案中举例应用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。1、信号采集由四个高精度差分传声器在一定半径球面上以120度立体角度布设，布设方式平 面投影见图2。差分传声器由两个背置的同性质传声器构成，传声器的输出信号是两侧声信 号之差。对于诸如雨声、风声、雷声等广域的背景噪声，由于两侧声音输入的强度基本相同， 其差值将会很小，而对于由一侧发出的点声源，传声器两侧声音输入的强度差异较大，其差 值要比广域声源大得多，从而达到提高信噪比的目的。由于差分传声器在抑制背景噪声同 时，也会降低信号的强度。所以，本专利技术将四个传声器接收到的信号进行叠加，在四个传声 器有效区域的公共部分，信号得到加强。以亚洲飞蝗为例，其鸣叫脉冲宽度约本文档来自技高网...

【技术保护点】
蝗密度等级自动监测系统，其特征是系统由信号采集模块、信号预处理模块、识别与计算模块和远程数据传输模块四部分组成，信号采集模块，由四个高精度差分传声器组成，四个传声器在一定半径球面上以１２０度立体角布设，采集一定范围内的声音信号，差分传声器以降低广域背景噪声强度，提高信噪比，信号采集模块采集的信号传输给信号预处理模块；信号预处理模块，由前置放大电路、检波电路、波形叠加电路、三级嵌位电路组成，对采样模块送来的数据进行预处理，形成方波脉冲并传输至识别与计算模块；识别与计算模块，由ＡＴＭＥＧＡ１６单片机构成，信号处理结果传输至远程数据传输模块；远程数据传输模块，由ＭＣ５５芯片承担，将结果远程传输至监测中心或手机上，数据中心控制ＭＣ５５选择ＴＣＰ、ＵＤＰ、短信３种方式发送数据。

【技术特征摘要】
1.蝗密度等级自动监测系统，其特征是系统由信号采集模块、信号预处理模块、识别与 计算模块和远程数据传输模块四部分组成，信号采集模块，由四个高精度差分传声器组成， 四个传声器在一定半径球面上以120度立体角布设，采集一定范围内的声音信号，差分传 声器以降低广域背景噪声强度，提高信噪比，信号采集模块采集的信号传输给信号预处理 模块；信号预处理模块，由前置放大电路、检波电路、波形叠加电路、三级嵌位电路组成，对采 样模块送来的数据进行预处理，形成方波脉冲并传输至识别与计算模块；识别与计算模块， 由ATMEGA16单片机构成，信号处理结果传输至远程数据传输模块；远程数据传输模块，由 MC55芯片承担，将结果远程传输至监测中心或手机上，数据中心控制MC55选择TCP、UDP、短 信3种方式发送数据。2.应用权利要求1所述的系统的监测方法，其特征是具体步骤如下1)、信号采集由四个高精度差分传声器在一定半径球面上以120度立体角度布设，差 分传声器由两个背置的同性质传声器构成，达到提高信噪比的目的，将四个传声器接收到 的信号进行叠加，在四个传声器有效区域的公共部分，信号得到加强，设置适当的门限，可 实现只记录四个传声器有效区域公共部分声信号的目的；2)、信号的前置放大与检波信号的前置放大由四运放集成电路芯片LM3M搭建成四路前置放大电路完成，每一路 对一个传声器的信号进行单独放大，为采用波形包络叠加方式，对于前置放大后的四路信 号分别进行检波，提取信号包络；3)、四路信号叠加模拟加法器由集成电路LM385芯片搭建，将检波后的四路信号包络叠加在一起，并正 向输出；4)、信号嵌位与整形由LM339比较器集成芯片搭建成三路并联电压比较电路，每一路的嵌位电压按要求分 别设置，低阈值嵌位可以滤掉背景噪声和给定空域外的信号，中阈值和高阈值嵌位可获得 不同幅度的信号脉冲，设定的三路阈值对信号包络进行嵌位与整形，形成三个TTL电平的 方波脉冲序列；5)、蝗虫鸣叫信号的提取与次数统计蝗虫鸣叫信号的提取与次数统计由ATMEGA16单片...

【专利技术属性】
技术研发人员：任炳忠，王寅亮，袁海滨，李敏，王双维，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]