基于Hilbert变换的害虫自动计数和发布系统的设计

胡古月，汪小旵*，鲁伟，李雪，Morice O.ODHIAMBO

(1.南京农业大学工学院，江苏 南京 210031；2.江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室，江苏 南京 210031)

基于Hilbert变换的害虫自动计数和发布系统的设计

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

(1.南京农业大学工学院，江苏 南京 210031；2.江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室，江苏 南京 210031)

基于希尔伯特变换(Hilbert)，设计了害虫自动计数和远程发布预警系统。系统主要由杀虫灯、采集卡、变压器、PC机、可编程逻辑控制器(PLC)、路由器等硬件设备组成，运行时，杀虫灯高压网端的电压信号经变压器降压，采集卡采集降压后的杀虫网电压，采集卡通过USB口与PC机相连，PLC通过串口与PC机相连。用LabVIEW软件作为平台，对采集到的信号进行Hilbert变换，得到信号的瞬时幅值，当瞬时幅值小于设定值时，通过串口给PLC发送Modbus指令，PLC接收到指令后对相应寄存器进行计数。利用PLC和MySCADA组态软件对PLC寄存器数据进行远程发布，手机端、远程桌面端都可监测现场害虫计数值。对采集到的714只害虫触网扰动信号进行分析，从中任意选4组共7个扰动信号进行演示，结果系统能准确识别7个扰动区，并通过手机端和远程桌面端显示。

害虫自动计数；数据采集；希尔伯特变换；串口通信；远程发布

目前对农业害虫的传统的检测方法，受诸多因素的影响，自动化水平和实用性受到限制[1–2]声音信号监测法，受环境噪声干扰大；图像识别法，成本高，图像处理时间长，实时性差，后期维护工作量大；多触点光电感应方式也存在设备成本高，触点数量影响检测精度的问题[3]。

笔者将害虫触网时刻的暂态扰动信号提取与分离，用希尔伯特变换(Hilbert)[4–6]将采集信号进行分解，得到分解信号的瞬时幅值，根据瞬时幅值的显著减少来判断是否对害虫进行计数，同时，当不断检测到害虫时，通过串口使可编程逻辑控制器(PLC)的某一寄存器累加，利用公网 IP和MySCADA将PLC数值远程发布，最终实现害虫的自动计数与发布。现将结果报道如下。

1 系统的组成及工作流程

系统由自动计数模块和远程发布模块组成，如图1所示。

图1 系统的组成结构Fig.1 Diagram of system structure

杀虫灯电网间的电压高达2 300 V，经过变压器降压后，由采集卡进行采集，上位机 LabVIEW通过安装数据采集驱动DAQmx获得采集卡采集的电压信号，对原信号进行Hilbert变换，获得信号的瞬时幅值，通过信号瞬时幅值的显著减少来判断害虫是否触网。LabVIEW通过VISA串口驱动，可与PLC进行串口通信，当满足害虫计数条件时，发送Modbus指令进行计数。通过以太网将PLC连入局域网，将 PLC内部寄存器的数值进行远程发布。SQLite数据库记录远程发布服务器上的害虫计数值等相关数据，可以查看数据记录表和曲线图。

2 系统硬件的设计

杀虫灯采用佳多科工贸有限公司生产的佳多牌频振式杀虫灯，有光控系统，防雨水雷击误触，适用于田间果园。杀虫灯灯管涂有生物光源荧光粉，诱杀害虫数量多、种类多，能够有效保护天敌。杀虫网由2根横网交替绕制，相邻杀虫网间的电压高达2 300 V。

使用NI USB6002采集卡，该采集卡每秒最高可采集50 000个点，8路模拟输入通道，4路差分通道，差分输入的负极必须连接一个100 kΩ的电阻到 AIGND，否则采集失准。从高压杀虫网的任意相邻两端引出，经变压器降压到10 V以内，连接采集卡的差分通道进行采集。

系统所用的PLC是矩形科技N80M21型，该小型PLC自带以太网口和Modbus协议，可进行远程发布。通过USB转485连接线，将PLC与上位机相连，LabVIEW通过发送Modbus指令与PLC进行通信，控制PLC的内部寄存器的计数。

3 系统软件的设计

3.1 Hilbert变换

害虫触网的扰动情况和电网机械故障中的扰动情况十分相似：无扰动情况下，原信号是正常的交流信号，当某时刻害虫触网，会造成原信号幅值和频率的改变。均利用Hilbert变换对含有正常信号和扰动信号的混合信号进行提取分离，识别出扰动信号的区域[7–11]。

原信号经Hilbert变换后得到虚部信号，再由原信号和虚部信号得到瞬时幅值和瞬时相位[12]，利用瞬时幅值的变化来判断有无害虫触网。

3.2 自动计数模块

系统采用LabVIEW软件作为开发平台[13–14]，主要完成信号采集、信号处理和串口通信的设计。第一，信号采集，利用DAQ采集助手设置采集模式为连续采样，系统实时采集，按键停止，每秒采集1 000个点，采样点数30 000个点，系统每30 s完成1个采集周期；第二，信号处理，系统每30 s显示1次采集信号波形图，并对30 000个数据进行存储，同时30 000个数据输入Matlab脚本节点进行Hilbert变换，输出瞬时幅值，并对输出的一维瞬时幅值进行存储；第三，串口通信，每个周期的29 999个瞬时幅值数据被逐一索引，当某个瞬时幅值小于设定值4.5 V(正常无扰动的信号经过Hilbert变换后的瞬时幅值都在6 V以上，取6 V以下)时，系统即认为有害虫触网，利用VISA串口函数对PLC发送Modbus指令，使PLC的1个常开节点完成1次触发，给PLC某个寄存器计数值加1。

系统检测到小于设定值后，为避免重复计数,跳过瞬时幅值1 500个点。

自动计数模块完成采集卡配置、数据采集与存储、Hilbert变换、瞬时幅值的存储、瞬时幅值小于设定值的判断、VISA初始化设置、发送 Modbus指令等。系统实时检测，当检测到瞬时幅值小于4.5 V时，发指令计数，同时跳过之后的1 500个点继续判断，如果大于等于 4.5 V，继续下一个瞬时幅值判断。自动计数模块软件流程如图2所示。

图2 计数模块软件流程Fig.2 Software flow chart of counting module

P为设定值4.5 V，小于该值计数；Q为表示瞬时幅值索引，从0开始索引，到29 998结束，瞬时幅值小于P索引加1继续比较，大于P则索引数加1 500，去掉中间的1 500个点；M表示连续多少个瞬时幅值小于P，检测到第1个小于P的值之后就计数，当瞬时幅值大于P时M清零。

3.3 远程发布模块

利用PLC和MyDACAD[15–16]完成远程发布。采用矩形科技Vladder软件对PLC进行编程，设置一个常开节点，接收LabVIEW发送的写线圈指令后，产生一个上升沿脉冲，使用 ADDB加法器让PLC某个寄存器的数值加1，当寄存器值达到限定值系统会进行报警，响起报警音乐，自动或手动均可使害虫数清零。PLC通过以太网口接入局域网，同时，PLC的模拟量输入也可接入相关传感器进行温度和湿度的实时监测，数字量输出端可接入相关控制设备，摄像头连入局域网，实现视频监测。PLC软件流程如图 3所示，c为害虫数报警限定值，d为清零限定值。

图3 PLC软件流程Fig.3 Software flowchart of PLC

PLC程序的编写能够使系统更加稳定，在MySCADA中，只设置需要进行发布的PLC寄存器的地址，加载到服务器上，通过公网IP即可将PLC寄存器数据进行发布。手机端首次加载工程需要连入服务器所在局域网，服务器端搜索到手机局域网IP进行配对，即可将工程加载到手机端，实现和电脑端一样的功能。手机端通过组态、远程电脑端通过公网IP都能直接访问服务器端的界面和数据，并且可以查看数据记录表和曲线图了解害虫数量的变化趋势。远程监控界面如图4所示。

图4 虫情监控系统的主界面Fig.4 Main interface of pests monitoring system

PLC内置Modbus协议栈，接收Modbus协议并返回指令，Modbus指令中的写线圈指令，8个字节，分别表示设备号、功能码、线圈地址高字节、低字节、数据高8位、低8位、两2个字节的CRC16校验码。

4 系统运行试验

系统运行试验于2016年7月12日至7月26日在南京农业大学工学院温室进行。20:00时开灯试验，直至第2天05:00点，天亮后杀虫灯自动关闭。遇雨天杀虫灯自动关闭，不进行试验。从任意2根相邻的杀虫网端接线连入变压器降压，再接入采集卡采集，系统实时采集，1 s采集1 000个点，每隔30 s显示处理1次数据。设定值P取4.5 V，当瞬时幅值小于4.5 V计数；时间间隔取1.5 s，记录到第1个小于4.5 V的值之后，间隔1 500个点再开始判断。共记录到714只害虫的扰动区域，从中随机选取4组共7个扰动区域，4组原信号和经Hilbert变换后瞬时幅值如图5所示。

图5 原信号和对应分解信号瞬时幅值Fig.5 Chart of signal and its instantaneous amplitude

从图5中可以看出，4组信号的7个扰动区经过Hilbert变换后，通过瞬时幅值的变化可以明显被识别，图5–b中, 有3个扰动区，但是第3个扰动区没有达到设定值4.5V以下，所以系统没有计数。图5–d、图5–f、图5–h都是比较常见的状态，其扰动信号都能被准确识别。当害虫的计数值达到限定值，远程监控界面端会报警提示。

试验中虽然大多数害虫触压后的扰动时间小于1.5 s，但也有一些害虫的扰动时间大于1.5 s，扰动区域内信号的电压值是不断上下波动的，所以会造成1.5 s后的扰动区有电压值大于4.5 V，系统设置电压值大于4.5 V进入下一个判断周期，系统还会继续对这只害虫计数，因而造成该害虫的重复计数。增加时间间隔可以延长扰动时间长的害虫的判断周期，避免重复计数，但是可能会使该时间间隔内的其他触网的害虫不能计数，造成漏计的情况。不建议增加间隔时间，害虫高发期可以适当减小时间间隔，以免造成害虫的漏计。

5 结论

害虫自动计数系统用 Hilbert变换对采集到的杀虫网电压信号进行分解，识别出害虫触网的扰动信号，当分解信号瞬时幅值大于设定值时，发送指令与PLC进行串口通信，实现对触网害虫的准确自动计数。

害虫自动发布系统通过PLC和MySCADA组态软件，对PLC寄存器的数值进行远程发布，手机端和远程电脑端都可以远程访问。当害虫计数值大于设定值，MySCADA会发出报警音，提示该时间害虫量多，需进行防治。

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责任编辑：罗慧敏

英文编辑：吴志立

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

国家科技支撑计划项目(2014BAD08B04)；江苏省科学技术厅项目(BN2014023)

胡古月(1992—)，男，江苏常州人，硕士研究生，主要从事智能农业装备和控制研究，2014112034@njau.edu.cn；*通信作者，汪小旵，博士，教授，主要从事智能农业装备与控制研究，wangxiaochan@njau.edu.cn