一種探測松褐天牛的生物感應器設計構想

劉云山 張煒 李碩 姚福康

【摘 要】針對林業多發疾病松材線蟲病進行研究，發現從切斷松褐線蟲的傳播媒介松褐天牛入手，來限制松褐線蟲的傳播，從而達到保護松樹的目的。利用一種新型的生物感應器，通過對松褐天牛在運動中所發出的聲音信號建立數據庫，過濾掉多余的單片機的干擾信號，將檢測到的聲音信號的特征信號通過凌陽單片機與標準數據庫中的信號進行比對，一旦特征值符合，凌陽單片機便會在顯示屏幕上顯示分析結果，證明該植物內有松褐天牛的存在，如果沒有滴滴的警報聲，則證明該植物內不存在松褐天牛。判斷出松褐天牛若存在，則對松褐天牛進行有效的消滅和鏟除，進一步保護林業。

【關鍵詞】松褐天牛；聲音；發現

一、引言

林業是我國重要農業產業之一，其中松樹因為其觀賞價值、工業價值、藥用價值是我國林業產業中必不可少的一種樹種。松褐天牛是松樹重要的蛀干害蟲，又是松材線蟲病的主要傳播媒介，控制松材線蟲病的關鍵是防治松褐天牛。松材線蟲病自1982年傳入中國以來，給中國林業造成了巨大危害和極大的生態及經濟損失。近年來，我國加強松材線蟲病預防和除治工作，取得了一定的成績。但是，由于我國松林分布廣、面積大，自然條件非常適合松材線蟲病繁衍，目前我國松材線蟲病防治工作形勢仍十分嚴峻。加之松材線蟲的雌雄蟲都呈蠕蟲形，蟲體小且細長，一般很難在樹體中直接發現它的存在。松材線蟲雖然致病性很強，但其沒有自己遷移傳播的能力，必須依靠傳播媒介——松褐天牛攜帶才能擴散，被松材線蟲侵染的松樹往往又是松墨天牛的產卵對象。翌年，在罹患病的樹林內寄生的松墨天牛羽化時又會攜帶大量線蟲，并“接種”傳播到健康的松樹上，導致病害的擴散蔓延【1】。因此，如果控制了松褐天牛，就打斷了松材線蟲的傳播鏈條，阻斷了它的傳播途徑，松材線蟲也就無法感染健康松樹，所以防治松材線蟲就由被動的防治轉而主動的防御，看似是個病害問題實質上是害蟲的防治問題。

二、產品簡介

我們想要設計的一款產品是一個探測松褐天牛的生物感應器，該產品具有一定的創新性，設計靈感來源于從切斷松材線蟲的傳播媒介入手，即在松褐天牛成蟲傳播更多的松材線蟲之前，就探測到松褐天牛并將其消滅。產品設計目的在于遏制松褐天牛成蟲傳播松材線蟲，對松褐天牛進行及時的探測和預報，然后具體地方具體分析，采取相應的防治措施，該產品對打造健康的森林，避免害蟲成災，營造綠色環保的生態環境有一定的積極作用。眾所周知，要想防治害蟲，只有發現它才可以采取一定的措施，我們的儀器就是一種可以精準的探測到松褐天牛的生物感應器，松褐天牛的成蟲在6-7月出現，一般在樹干下部或大枝基部活動，我們通過對成蟲的觀察，先從它的聲音入手，利用聲音檢測儀，記錄它的聲音信號，通過比對它與其他自然界的聲音信號，找尋它特殊的聲音信號，或者找尋松褐天牛成蟲其他特殊的生物信號，然后將其轉化為電信號，制成一種便攜式的儀器，用以精準的探測松褐天牛，從而達到快速有效的防治。該產品應用于6-7月份松褐天牛成蟲出沒的時期，在那些曾經出現過松褐天牛的地區進行重點探測，我國南方地區松褐天牛的發生較嚴重，同時有向北方擴散蔓延的趨勢，該探測器還可以應用于黃山，長江經濟帶等對生態建設較為重要的區域。

三、整體設計

3.1軟件設計

本設計的硬件是以凌陽單片機為核心，外圍擴展相應的功能硬件構成。凌陽單片機具有較好語音識別功能，能對外界聲音信號的變化具有較為敏感的感應。

整個系統運行的過程分為初始化，識別和顯示三個過程。

a）初始化——信息庫的建立

生活習性的觀察：對松褐天牛生活習性的觀察，確定其幾種經常的生活習性并加以記錄。（比如振翅，爬行，取食等）

信號的采集：對幾種松褐天牛幾種經常的生活習性的發生規律分別進行記錄，建立初步的信息庫。

特征值的提取：提取初步建立的數據庫里的信息，提取松褐天牛發出的聲波的特征值【2】。

建立數據庫：對不同發聲規律的特征值的提取的數據建立數據庫，用來特征值的比對。

b）識別——信號的采集以及比對的過程

硬件系統的設計：本設計的硬件是以凌陽單片機為核心，外圍擴展相應的功能硬件構成。凌陽單片機具有較好語音識別功能，能對外界聲音信號的變化具有較為敏感的感應。

信號的采集：通過前置聲音采集模塊可以較好的采集到松褐天牛在運動中所發出的聲音信號，以及實現生物信號到電信號的轉換

信號的處理模塊主要包括濾除干擾信號，提取聲音特征值兩大部分。

濾除干擾信號：因為外界噪聲較多，所以感應器所收集到的信號相對來說也會比較雜亂，對于這個問題，我們采用濾波器的辦法，去除其他干擾信號。

特征參數的提取：可以有效的表征聲音信號的特征，用于接下來的信號比對。

特征參數的比對：從外界輸入的信號經過一系列處理后，對得到的數據進行與數據庫里的數據進行比對。

c）顯示——將內部信號處理與比對后的結果輸出

經過內部一系列處理比對后將最后的結果進行輸出，最終通過判斷儀器顯示屏上的結果，即檢測到松褐天牛的有無。

四、功能及外觀上的設計

第一代：通過前置聲音放大器和聲音傳感器，可實現較好的信號采集功能以及聲信號和電信號之間的轉換。經內部處理器可將聲音傳感器的電信號分別實現濾波，特征值提取，特征值比對等。外接顯示屏，可將內部處理的結果輸出。

第二代

不僅在外觀上做出改進，而且增加感應器的功能，不僅可以判斷褐天牛的有無，同時也可以判斷出松褐天牛距離的遠近，與此同時對感應器的外觀進行改進，讓感應器更加輕便，美觀在后期的產品設想中我們希望將識別，定位，除害結合起來。據調查，松褐天牛主的蟲體主要分布在樹木1至6米處，利用這款設備我們可以輕松發現松褐天牛的具體位置，確定位置后采用物理或者化學辦法去除蟲害【3】。在識別，定位，除害的產品成熟后我們設想將產品安裝在智能機上，達到智能除害的效益。我們設想著不僅僅是實現松褐天牛的識別，也可以在擴大產品功能的方面做出重大突破，即產品實現不同害蟲的識別功能。

五、結語

該產品具有一定的創新性和實用性，目前，市場上出現的有關昆蟲的生物探測器很少，而探測松褐天牛的儀器還沒有，此外，松材線蟲病是目前對中國林業危害最為嚴重的外來有害生物，我國十分重視它的防治和傳播，所以該探測器具有十分廣闊的發展前景，它幾乎可以應用到任何有松樹的地方。從產品設計角度來看，我們力爭將其設計為一款便攜式，操作性強，精確度高的儀器。

【參考文獻】

[1]柴希民， 張國賢. 松褐天牛成蟲攜帶松材線蟲的數量[J]. 東北林業大學學報， 2000， 28（5）：000099-101.

[2] 董曉寧， 張萌. 基于凌陽單片機的語音識別系統設計[J]. 信息化研究， 2008， 34（2）：18-21.

[3] 高尚坤， 唐艷龍， 張彥龍，等. 松褐天牛在馬尾松樹干上的分布規律[J]. 林業科學研究， 2015， 28（5）：708-712.