基于Hilbert變換的害蟲自動計(jì)數(shù)和發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡古月，汪小旵*，魯偉，李雪，Morice O.ODHIAMBO

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

基于Hilbert變換的害蟲自動計(jì)數(shù)和發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡古月1,2，汪小旵1,2*，魯偉1,2，李雪1,2，Morice O.ODHIAMBO1,2

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

基于希爾伯特變換(Hilbert)，設(shè)計(jì)了害蟲自動計(jì)數(shù)和遠(yuǎn)程發(fā)布預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由殺蟲燈、采集卡、變壓器、PC機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、路由器等硬件設(shè)備組成，運(yùn)行時(shí)，殺蟲燈高壓網(wǎng)端的電壓信號經(jīng)變壓器降壓，采集卡采集降壓后的殺蟲網(wǎng)電壓，采集卡通過USB口與PC機(jī)相連，PLC通過串口與PC機(jī)相連。用LabVIEW軟件作為平臺，對采集到的信號進(jìn)行Hilbert變換，得到信號的瞬時(shí)幅值，當(dāng)瞬時(shí)幅值小于設(shè)定值時(shí)，通過串口給PLC發(fā)送Modbus指令，PLC接收到指令后對相應(yīng)寄存器進(jìn)行計(jì)數(shù)。利用PLC和MySCADA組態(tài)軟件對PLC寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布，手機(jī)端、遠(yuǎn)程桌面端都可監(jiān)測現(xiàn)場害蟲計(jì)數(shù)值。對采集到的714只害蟲觸網(wǎng)擾動信號進(jìn)行分析，從中任意選4組共7個擾動信號進(jìn)行演示，結(jié)果系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別7個擾動區(qū)，并通過手機(jī)端和遠(yuǎn)程桌面端顯示。

害蟲自動計(jì)數(shù)；數(shù)據(jù)采集；希爾伯特變換；串口通信；遠(yuǎn)程發(fā)布

目前對農(nóng)業(yè)害蟲的傳統(tǒng)的檢測方法，受諸多因素的影響，自動化水平和實(shí)用性受到限制[1–2]聲音信號監(jiān)測法，受環(huán)境噪聲干擾大；圖像識別法，成本高，圖像處理時(shí)間長，實(shí)時(shí)性差，后期維護(hù)工作量大；多觸點(diǎn)光電感應(yīng)方式也存在設(shè)備成本高，觸點(diǎn)數(shù)量影響檢測精度的問題[3]。

筆者將害蟲觸網(wǎng)時(shí)刻的暫態(tài)擾動信號提取與分離，用希爾伯特變換(Hilbert)[4–6]將采集信號進(jìn)行分解，得到分解信號的瞬時(shí)幅值，根據(jù)瞬時(shí)幅值的顯著減少來判斷是否對害蟲進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)，當(dāng)不斷檢測到害蟲時(shí)，通過串口使可編程邏輯控制器(PLC)的某一寄存器累加，利用公網(wǎng) IP和MySCADA將PLC數(shù)值遠(yuǎn)程發(fā)布，最終實(shí)現(xiàn)害蟲的自動計(jì)數(shù)與發(fā)布?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1 系統(tǒng)的組成及工作流程

系統(tǒng)由自動計(jì)數(shù)模塊和遠(yuǎn)程發(fā)布模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of system structure

殺蟲燈電網(wǎng)間的電壓高達(dá)2 300 V，經(jīng)過變壓器降壓后，由采集卡進(jìn)行采集，上位機(jī) LabVIEW通過安裝數(shù)據(jù)采集驅(qū)動DAQmx獲得采集卡采集的電壓信號，對原信號進(jìn)行Hilbert變換，獲得信號的瞬時(shí)幅值，通過信號瞬時(shí)幅值的顯著減少來判斷害蟲是否觸網(wǎng)。LabVIEW通過VISA串口驅(qū)動，可與PLC進(jìn)行串口通信，當(dāng)滿足害蟲計(jì)數(shù)條件時(shí)，發(fā)送Modbus指令進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過以太網(wǎng)將PLC連入局域網(wǎng)，將 PLC內(nèi)部寄存器的數(shù)值進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布。SQLite數(shù)據(jù)庫記錄遠(yuǎn)程發(fā)布服務(wù)器上的害蟲計(jì)數(shù)值等相關(guān)數(shù)據(jù)，可以查看數(shù)據(jù)記錄表和曲線圖。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

殺蟲燈采用佳多科工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的佳多牌頻振式殺蟲燈，有光控系統(tǒng)，防雨水雷擊誤觸，適用于田間果園。殺蟲燈燈管涂有生物光源熒光粉，誘殺害蟲數(shù)量多、種類多，能夠有效保護(hù)天敵。殺蟲網(wǎng)由2根橫網(wǎng)交替繞制，相鄰殺蟲網(wǎng)間的電壓高達(dá)2 300 V。

使用NI USB6002采集卡，該采集卡每秒最高可采集50 000個點(diǎn)，8路模擬輸入通道，4路差分通道，差分輸入的負(fù)極必須連接一個100 k?的電阻到 AIGND，否則采集失準(zhǔn)。從高壓殺蟲網(wǎng)的任意相鄰兩端引出，經(jīng)變壓器降壓到10 V以內(nèi)，連接采集卡的差分通道進(jìn)行采集。

系統(tǒng)所用的PLC是矩形科技N80M21型，該小型PLC自帶以太網(wǎng)口和Modbus協(xié)議，可進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布。通過USB轉(zhuǎn)485連接線，將PLC與上位機(jī)相連，LabVIEW通過發(fā)送Modbus指令與PLC進(jìn)行通信，控制PLC的內(nèi)部寄存器的計(jì)數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 Hilbert變換

害蟲觸網(wǎng)的擾動情況和電網(wǎng)機(jī)械故障中的擾動情況十分相似：無擾動情況下，原信號是正常的交流信號，當(dāng)某時(shí)刻害蟲觸網(wǎng)，會造成原信號幅值和頻率的改變。均利用Hilbert變換對含有正常信號和擾動信號的混合信號進(jìn)行提取分離，識別出擾動信號的區(qū)域[7–11]。

原信號經(jīng)Hilbert變換后得到虛部信號，再由原信號和虛部信號得到瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)相位[12]，利用瞬時(shí)幅值的變化來判斷有無害蟲觸網(wǎng)。

3.2 自動計(jì)數(shù)模塊

系統(tǒng)采用LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺[13–14]，主要完成信號采集、信號處理和串口通信的設(shè)計(jì)。第一，信號采集，利用DAQ采集助手設(shè)置采集模式為連續(xù)采樣，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，按鍵停止，每秒采集1 000個點(diǎn)，采樣點(diǎn)數(shù)30 000個點(diǎn)，系統(tǒng)每30 s完成1個采集周期；第二，信號處理，系統(tǒng)每30 s顯示1次采集信號波形圖，并對30 000個數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，同時(shí)30 000個數(shù)據(jù)輸入Matlab腳本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Hilbert變換，輸出瞬時(shí)幅值，并對輸出的一維瞬時(shí)幅值進(jìn)行存儲；第三，串口通信，每個周期的29 999個瞬時(shí)幅值數(shù)據(jù)被逐一索引，當(dāng)某個瞬時(shí)幅值小于設(shè)定值4.5 V(正常無擾動的信號經(jīng)過Hilbert變換后的瞬時(shí)幅值都在6 V以上，取6 V以下)時(shí)，系統(tǒng)即認(rèn)為有害蟲觸網(wǎng)，利用VISA串口函數(shù)對PLC發(fā)送Modbus指令，使PLC的1個常開節(jié)點(diǎn)完成1次觸發(fā)，給PLC某個寄存器計(jì)數(shù)值加1。

系統(tǒng)檢測到小于設(shè)定值后，為避免重復(fù)計(jì)數(shù),跳過瞬時(shí)幅值1 500個點(diǎn)。

自動計(jì)數(shù)模塊完成采集卡配置、數(shù)據(jù)采集與存儲、Hilbert變換、瞬時(shí)幅值的存儲、瞬時(shí)幅值小于設(shè)定值的判斷、VISA初始化設(shè)置、發(fā)送 Modbus指令等。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)檢測到瞬時(shí)幅值小于4.5 V時(shí)，發(fā)指令計(jì)數(shù)，同時(shí)跳過之后的1 500個點(diǎn)繼續(xù)判斷，如果大于等于 4.5 V，繼續(xù)下一個瞬時(shí)幅值判斷。自動計(jì)數(shù)模塊軟件流程如圖2所示。

圖2 計(jì)數(shù)模塊軟件流程Fig.2 Software flow chart of counting module

P為設(shè)定值4.5 V，小于該值計(jì)數(shù)；Q為表示瞬時(shí)幅值索引，從0開始索引，到29 998結(jié)束，瞬時(shí)幅值小于P索引加1繼續(xù)比較，大于P則索引數(shù)加1 500，去掉中間的1 500個點(diǎn)；M表示連續(xù)多少個瞬時(shí)幅值小于P，檢測到第1個小于P的值之后就計(jì)數(shù)，當(dāng)瞬時(shí)幅值大于P時(shí)M清零。

3.3 遠(yuǎn)程發(fā)布模塊

利用PLC和MyDACAD[15–16]完成遠(yuǎn)程發(fā)布。采用矩形科技Vladder軟件對PLC進(jìn)行編程，設(shè)置一個常開節(jié)點(diǎn)，接收LabVIEW發(fā)送的寫線圈指令后，產(chǎn)生一個上升沿脈沖，使用 ADDB加法器讓PLC某個寄存器的數(shù)值加1，當(dāng)寄存器值達(dá)到限定值系統(tǒng)會進(jìn)行報(bào)警，響起報(bào)警音樂，自動或手動均可使害蟲數(shù)清零。PLC通過以太網(wǎng)口接入局域網(wǎng)，同時(shí)，PLC的模擬量輸入也可接入相關(guān)傳感器進(jìn)行溫度和濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)字量輸出端可接入相關(guān)控制設(shè)備，攝像頭連入局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)測。PLC軟件流程如圖 3所示，c為害蟲數(shù)報(bào)警限定值，d為清零限定值。

圖3 PLC軟件流程Fig.3 Software flowchart of PLC

PLC程序的編寫能夠使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，在MySCADA中，只設(shè)置需要進(jìn)行發(fā)布的PLC寄存器的地址，加載到服務(wù)器上，通過公網(wǎng)IP即可將PLC寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布。手機(jī)端首次加載工程需要連入服務(wù)器所在局域網(wǎng)，服務(wù)器端搜索到手機(jī)局域網(wǎng)IP進(jìn)行配對，即可將工程加載到手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)和電腦端一樣的功能。手機(jī)端通過組態(tài)、遠(yuǎn)程電腦端通過公網(wǎng)IP都能直接訪問服務(wù)器端的界面和數(shù)據(jù)，并且可以查看數(shù)據(jù)記錄表和曲線圖了解害蟲數(shù)量的變化趨勢。遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 蟲情監(jiān)控系統(tǒng)的主界面Fig.4 Main interface of pests monitoring system

PLC內(nèi)置Modbus協(xié)議棧，接收Modbus協(xié)議并返回指令，Modbus指令中的寫線圈指令，8個字節(jié)，分別表示設(shè)備號、功能碼、線圈地址高字節(jié)、低字節(jié)、數(shù)據(jù)高8位、低8位、兩2個字節(jié)的CRC16校驗(yàn)碼。

4 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)于2016年7月12日至7月26日在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院溫室進(jìn)行。20:00時(shí)開燈試驗(yàn)，直至第2天05:00點(diǎn)，天亮后殺蟲燈自動關(guān)閉。遇雨天殺蟲燈自動關(guān)閉，不進(jìn)行試驗(yàn)。從任意2根相鄰的殺蟲網(wǎng)端接線連入變壓器降壓，再接入采集卡采集，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，1 s采集1 000個點(diǎn)，每隔30 s顯示處理1次數(shù)據(jù)。設(shè)定值P取4.5 V，當(dāng)瞬時(shí)幅值小于4.5 V計(jì)數(shù)；時(shí)間間隔取1.5 s，記錄到第1個小于4.5 V的值之后，間隔1 500個點(diǎn)再開始判斷。共記錄到714只害蟲的擾動區(qū)域，從中隨機(jī)選取4組共7個擾動區(qū)域，4組原信號和經(jīng)Hilbert變換后瞬時(shí)幅值如圖5所示。

圖5 原信號和對應(yīng)分解信號瞬時(shí)幅值Fig.5 Chart of signal and its instantaneous amplitude

從圖5中可以看出，4組信號的7個擾動區(qū)經(jīng)過Hilbert變換后，通過瞬時(shí)幅值的變化可以明顯被識別，圖5–b中, 有3個擾動區(qū)，但是第3個擾動區(qū)沒有達(dá)到設(shè)定值4.5V以下，所以系統(tǒng)沒有計(jì)數(shù)。圖5–d、圖5–f、圖5–h都是比較常見的狀態(tài)，其擾動信號都能被準(zhǔn)確識別。當(dāng)害蟲的計(jì)數(shù)值達(dá)到限定值，遠(yuǎn)程監(jiān)控界面端會報(bào)警提示。

試驗(yàn)中雖然大多數(shù)害蟲觸壓后的擾動時(shí)間小于1.5 s，但也有一些害蟲的擾動時(shí)間大于1.5 s，擾動區(qū)域內(nèi)信號的電壓值是不斷上下波動的，所以會造成1.5 s后的擾動區(qū)有電壓值大于4.5 V，系統(tǒng)設(shè)置電壓值大于4.5 V進(jìn)入下一個判斷周期，系統(tǒng)還會繼續(xù)對這只害蟲計(jì)數(shù)，因而造成該害蟲的重復(fù)計(jì)數(shù)。增加時(shí)間間隔可以延長擾動時(shí)間長的害蟲的判斷周期，避免重復(fù)計(jì)數(shù)，但是可能會使該時(shí)間間隔內(nèi)的其他觸網(wǎng)的害蟲不能計(jì)數(shù)，造成漏計(jì)的情況。不建議增加間隔時(shí)間，害蟲高發(fā)期可以適當(dāng)減小時(shí)間間隔，以免造成害蟲的漏計(jì)。

5 結(jié)論

害蟲自動計(jì)數(shù)系統(tǒng)用 Hilbert變換對采集到的殺蟲網(wǎng)電壓信號進(jìn)行分解，識別出害蟲觸網(wǎng)的擾動信號，當(dāng)分解信號瞬時(shí)幅值大于設(shè)定值時(shí)，發(fā)送指令與PLC進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)對觸網(wǎng)害蟲的準(zhǔn)確自動計(jì)數(shù)。

害蟲自動發(fā)布系統(tǒng)通過PLC和MySCADA組態(tài)軟件，對PLC寄存器的數(shù)值進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布，手機(jī)端和遠(yuǎn)程電腦端都可以遠(yuǎn)程訪問。當(dāng)害蟲計(jì)數(shù)值大于設(shè)定值，MySCADA會發(fā)出報(bào)警音，提示該時(shí)間害蟲量多，需進(jìn)行防治。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Design of pest counting and publishing system based on Hilbert transformation

HU Guyue1,2, WANG Xiaochan1,2*, LU Wei1,2, LI Xue1,2, Morice O.ODHIAMBO1,2
(1.College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China; 2.Jiangsu Modern Facilities Agricultural Technology and Equipment Engineering Laboratory, Nanjing 210031, China)

Based on Hilbert transformation, a pest counting system and remote publishing system were designed and established.The system was composed of pest–killing lamp, acquisition card, voltage transformer, PLC, and router, etc.Under operation, the voltage from pest–killing lamp was reduced by voltage transformer, and then collected by acquisition card, which connected with PC by USB.LabVIEW was used to complete the Hilbert process to obtained the instantaneous value.When the instantaneous was less than the set value, modbus instruction was sent to PLC serial port, and PLC will count at receiving corresponding instruction.PLC and MySCADA were introduced to attain remote publishing on mobile phone and computer.Disturbance information of 714 pests were analyzed, and totally 4 terms of 7 disturbance information were listed in the paper.The result showed that the system could precisely identify 7 disturbance area, and display by mobile phone and remote computer.

counting automatically; data collection; Hilbert transform; serial port communication; remote publishing

TP273

：A

：1007-1032(2017)01-0103-05

2016–08–07

2016–10–30

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B04)；江蘇省科學(xué)技術(shù)廳項(xiàng)目(BN2014023)

胡古月(1992—)，男，江蘇常州人，碩士研究生，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備和控制研究，2014112034@njau.edu.cn；*通信作者，汪小旵，博士，教授，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備與控制研究，wangxiaochan@njau.edu.cn