雷 雨 姚志鳳 何東健

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100；2.農業(yè)農村部農業(yè)物聯網重點實驗室， 陜西楊凌 712100；3.陜西省農業(yè)信息感知與智能服務重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

由條形柄銹菌(Pucciniastriiformisf. sp.tritici,Pst)引起的小麥條銹病是中國西北、西南、華北和淮北等冬麥區(qū)和西北春麥區(qū)小麥的重要病害，一般流行年份可致小麥減產10%～20%，特大流行年份可致小麥減產50%～60%，對中國糧食安全生產構成重大威脅[1-3]。小麥條銹病是一種氣傳性多循環(huán)真菌病害，影響小麥條銹病發(fā)病和傳播的因素有很多，除了受實時生境、地形地貌、歷史生境等因素的影響外，夏孢子菌源數是影響其發(fā)生和流行的主要原因。夏孢子是小麥條銹病發(fā)生和發(fā)展的侵染源，主要借助氣流傳播完成周年侵染循環(huán)[4-6]。因此，小麥田間空氣中病原菌夏孢子的數量和小麥病害發(fā)生有著極為密切的關系，對田間空氣中夏孢子進行及時準確地捕捉和計數，可為小麥條銹病的預測預報提供基礎數據，對降低小麥因條銹病而造成的損失具有重要意義。

目前，空氣中氣傳植物病源真菌孢子多采用孢子捕捉器取樣和監(jiān)測[7-10]，捕捉結束后將黏附有孢子的載玻片或捕捉帶拿回實驗室，在顯微鏡下人工計數[11-12]或分子生物學方法計數[13-14]等。利用孢子捕捉器捕捉孢子時有兩種方法[12,15]，但布放在野外田間的孢子捕捉器測點分散、數量多且地理位置偏僻，人工定時換取載玻片或捕捉帶工作量大、效率低、費時費力，無法對農田中孢子的濃度進行自動、實時、大尺度監(jiān)測，導致難以把握大尺度農田真菌孢子的實時和動態(tài)變化情況[12,16]。植保專家急需一種能自動捕捉和遠程實時統計捕捉結果的解決方案，以節(jié)約人力，提高監(jiān)測效率，并為小麥條銹病的預測預報提供數據支撐。

近年來，隨著自動化技術、傳感技術、無線網絡技術的發(fā)展和深入應用，現代農業(yè)生產中廣泛應用圖像采集系統。農業(yè)圖像采集系統能提供生產現場實時準確的視頻圖像數據，采集的圖像信息在監(jiān)測病蟲害[17-18]、農作物生長[19-20]、農產品檢測[21]等方面發(fā)揮著重要的作用。然而，目前國內外圖像傳感器一般由嵌入式CPU搭載普通的CMOS攝像頭或CCD攝像頭組成，僅適用于視覺可見的對象，無法獲取微米級的真菌孢子圖像。夏旭陽[22]基于LabVIEW平臺設計了一種田間遠程真菌孢子顯微圖像采集處理系統，實現了對空氣中真菌孢子的快速檢測，但需要人工對載玻片涂抹凡士林，且僅能采集載玻片上一個位置點的顯微圖像，難以反映真菌孢子的真實數量。因此，開發(fā)一款對田間空氣中小麥條銹病菌夏孢子進行在線自動捕捉和顯微成像并遠程傳輸的裝備具有重要意義。

結合自動化、顯微成像和無線網絡技術，基于ARK-1123C型嵌入式工控機和顯微鏡CCD數字攝像頭，本文自主設計開發(fā)的高放大倍數、高分辨率的小麥條銹病菌夏孢子捕捉、顯微圖像采集及遠程傳輸系統，可為農田空氣中小麥條銹病菌夏孢子的自動計數及條銹病的預測預報提供技術支持。

1 系統總體方案設計

1.1 田間監(jiān)測需求分析

根據田間空氣中小麥條銹病菌夏孢子監(jiān)測應用需求，小麥條銹病菌夏孢子顯微圖像遠程采集系統應滿足如下要求：

(1)系統能自動完成取載玻片、涂脂、空氣中孢子捕捉、顯微圖像采集、載玻片回收等功能，實現全自動化監(jiān)測。

(2)可根據用戶需求遠程、實時設置孢子捕捉時間和時長、顯微圖像采樣點范圍和數量，同時采集的圖像能無線傳輸到遠程服務器中。

(3)系統能長時間在野外田間采集夏孢子顯微圖像，對空氣中的夏孢子進行持續(xù)監(jiān)測。

1.2 系統硬件結構

夏孢子顯微圖像遠程采集系統主要包括處理器模塊、夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊、無線通信模塊、太陽能供電模塊4部分，系統硬件結構如圖1a所示。

(1)處理器模塊

該模塊為系統的控制核心，完成系統各模塊的控制任務。

(2)夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊

驅動模塊和I/O模塊通過RS485通信總線與處理器相連實現控制信號的傳輸。驅動模塊通過PWM信號調節(jié)驅動芯片輸出不同的脈沖數，從而實現各電機的轉動以控制相應機構，限位開關對各電機起行程限位保護作用。I/O模塊與吸風風機和控制模塊相連接，控制模塊通過不同占空比的PWM信號調節(jié)輸出電流，實現對顯微鏡光源發(fā)光強度的穩(wěn)定定量調節(jié)。顯微圖像采集機構中的顯微鏡數字攝像頭通過USB接口連接處理器，以采集夏孢子顯微圖像。

(3)無線通信模塊

負責傳輸顯微圖像到遠程服務器中，用戶可通過服務器獲取實時或歷史圖像數據。

(4)太陽能供電模塊

該模塊為系統各模塊提供電源。太陽能電池板安裝于裝備頂部，通過全牙通絲螺桿可調節(jié)其傾斜角度，以提高對太陽能的吸收效率。遠程采集系統各模塊和線路安裝于鋼制的箱體內，工作時關閉嵌有密封封條的前后側門，可防水和防塵。本文設計的系統實物正視圖和后視圖如圖1b、1c所示。

圖1 系統硬件結構及實物圖Fig.1 Hareware architecture and picture of system1.蓄電池 2.充放電控制器 3.夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊 4.太陽能板 5.處理器 6.I/O模塊 7.高增益磁盤天線 8.全牙通絲螺桿 9.無線通信模塊 10.光源控制模塊 11.支撐板 12.電機驅動器模塊 13.箱體

2 系統硬件與軟件設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1處理器模塊

由于系統需要執(zhí)行步進電機、吸風風機、顯微鏡光源等控制，以及顯微圖像采集和遠程控制等多任務調度，故需要有較高性能的處理器作為控制核心?？紤]到ARK-1123C型嵌入式工控機(研華科技有限公司)采用掌上型無風扇嵌入式系統設計，體積小(133.8 mm×43.1 mm×94.2 mm)、功耗低，適于野外長期工作，因此選用該工控機。其處理器為Inter Atom E3825，主頻1.33 GHz，內存容量4 GB，硬盤容量500 GB，輸入電壓為12 V。ARK-1123C型的VGA接口可連接顯示器，3個USB接口可用于連接4G無線通信模塊和顯微鏡CCD數字攝像頭，2個COM通信端口，可用于RS485總線連接電機驅動模塊和I/O模塊。

2.1.2夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊

夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊的功能是在嵌入式工控機的控制下，自動完成取載玻片、涂脂、孢子捕捉、顯微圖像采集、回收載玻片等一系列操作任務。根據夏孢子自動捕捉和顯微圖像采集要求，本文設計了夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊，其組成如圖2所示。

圖2 夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊實物圖Fig.2 Physical map of urediniospore capture and micro-image acquisiton module1.載玻片取片機構 2.涂脂機構 3.孢子捕捉風道機構 4.顯微圖像采集機構 5.吸風風機 6.軟管 7.顯微鏡光源 8.直線導軌滑臺模組 9.尼龍拖鏈 10.載物臺

夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊主要包括載玻片取片機構、涂脂機構、孢子捕捉風道機構、顯微圖像采集機構、吸風風機、軟管、顯微鏡光源、直線導軌滑臺模組、尼龍拖鏈和載物臺等部分。直線導軌滑臺模組由THK SKR33導軌、滑臺與步進電機A組成，用螺栓水平固定于支撐板下部，步進電機A的參數選型如表1所示。載物臺與滑臺通過螺栓連接固定，可在直線導軌滑臺的帶動下水平方向上運行；顯微圖像采集機構通過螺栓豎直安裝于支撐板上，顯微鏡光源豎直固定于顯微圖像采集機構正下方，保證光源中心與物鏡鉛直對齊。

步進電機驅動模塊采用VSMD102-025T驅動器(北京韋恩斯技術有限公司)，通過PWM信號調節(jié)驅動芯片輸出不同的脈沖數，從而實現各步進電機(表1)的轉動以控制各機構完成任務。顯微鏡光源采用12 V/3 W的PL-2108-3W點光源(東莞市沃德普自動化科技有限公司)，光源控制模塊采用輸出電流可調節(jié)的PT4115芯片，從而實現顯微鏡光源發(fā)光強度的穩(wěn)定定量調節(jié)以提高顯微圖像的清晰度。

表1 步進電機參數選型Tab.1 Parameter selection of stepper motors

該模塊中，載玻片取片機構、載物臺、涂脂機構、孢子捕捉風道機構和顯微圖像采集機構等設計如下：

(1)載玻片取片機構

載玻片取片機構的功能是從載玻片片盒中自動取出1片載玻片放置在載物臺上的玻片槽內，其組成如圖3所示。

圖3 載玻片取片機構示意圖Fig.3 Schematic of mechanism for supply of slide 1.支架座 2.絲桿步進電機B 3、6.行程限位開關 4.推片板 5.片盒 7.絲桿步進電機C 8.滑片板 9.載玻片

載玻片取片機構主要包括支架座、絲桿步進電機B、推片板、片盒、絲桿步進電機C、滑片板、載玻片和行程限位開關等部分，步進電機的參數選型如表1所示。片盒內最大可存放100片載玻片，片盒底部采用懸空設計，懸空部分的尺寸為77 mm×1.5 mm，比載玻片尺寸略大，便于推出載玻片。行程限位開關安裝于絲桿末端，保證步進電機的起始與結束位置固定不變。當需要取片時，絲桿步進電機B帶動推片板向前運動，作用于片盒的懸空位置，推動位于片盒內最底層的載玻片向前移動到滑片板上，絲桿步進電機C帶動滑片板傾斜使載玻片滑到載物臺上的玻片槽中，完成取片任務。

(2)載物臺

為了能采集載玻片上不同位置點的夏孢子顯微圖像，載物臺中載玻片槽內的載玻片應能實現平面運動，以完成后續(xù)的涂脂、圖像采集等操作任務。因此，載物臺采用自動化設計，其組成如圖4所示。

圖4 載物臺示意圖Fig.4 Schematic of automatic stage1.絲桿步進電機D 2.限位銷 3.絲桿步進電機E 4.絲桿步進電機F 5.基座 6.載玻片槽 7.載玻片限位板

載物臺主要包括絲桿步進電機D、限位銷、絲桿步進電機E、絲桿步進電機F、基座、載玻片槽和載玻片限位板等部分，步進電機的參數選型如表1所示。載物臺安裝于直線導軌滑臺(圖2)上，可在直線導軌滑臺的帶動下沿X方向左右運動，絲桿步進電機F能實現載物臺沿Z方向前后運動，以控制載物臺在平面上運動。

載玻片限位板上的載玻片槽尺寸為78 mm×28 mm，用于放置載玻片。絲桿步進電機E通過螺絲與限位銷連接，在涂抹凡士林時，絲桿步進電機E推動限位銷卡住載玻片，防止載玻片被涂膠頭黏住帶走；在顯微圖像采集結束后，絲桿步進電機D驅動載玻片限位板，推動載玻片向前移動使其落入回收盒內回收。

(3)涂脂機構

涂脂機構的功能是利用步進電機控制涂膠頭和刮刀片將凡士林均勻涂抹于載物臺上的載玻片的上表面，其組成如圖5所示。

圖5 涂脂機構示意圖Fig.5 Schematic of vaseline application mechanism1.涂膠頭 2.膠盒 3.支架板 4.十字絲桿導軌滑臺 5.步進電機G 6.步進電機H 7.絲桿導軌滑臺 8.步進電機I 9.刮刀片

涂脂機構主要包括涂膠頭、膠盒、支架板、十字絲桿導軌滑臺、步進電機G、步進電機H、絲桿導軌滑臺、步進電機I與刮刀片等部分，步進電機的參數選型如表1所示。凡士林存放于膠盒中，當需要涂抹時，步進電機I驅動涂膠頭向Z軸反向運動到膠盒正上方，接著步進電機G驅動涂膠頭向下運動，從膠盒中蘸取適量的凡士林，然后兩個步進電機將涂膠頭依次復位到初始位置，步進電機G驅動涂膠頭向下運動將凡士林涂抹于載玻片上。然后載物臺向X軸正向移動到刮刀片下方，通過步進電機H驅動刮刀片向下緊貼住載玻片，載物臺再向X軸正向移動，刮刀片自動刮走多余的凡士林，使載玻片上均勻涂抹一薄層凡士林，用于黏附空氣中的夏孢子。

(4)孢子捕捉風道機構

孢子捕捉原理如圖6a所示，當開始捕捉夏孢子時，吸風風機啟動開始吸風，風道內形成負壓，夾雜著夏孢子的外部空氣從箱體進風口吸入風箱內，空氣中的夏孢子與載玻片發(fā)生碰撞并黏附其上，空氣則從箱體出風口排出?；诖嗽恚O計的孢子捕捉風道機構如圖6b所示。

圖6 孢子捕捉風道機構圖Fig.6 Schematic of spores collecting airway mechanism1.風箱出風口 2.風箱進風口 3.絲桿導軌滑臺 4.步進電機J 5.連接板 6.風箱 7.載玻片

孢子捕捉風道機構主要包括風箱出風口、風箱進風口、絲桿導軌滑臺、步進電機J、連接板、風箱和載玻片等部分。連接板與主支撐板用螺栓固定連接。無底風箱的進風口通過軟管與箱體進風口相連，風箱出風口通過軟管與吸風風機相連，驅動步進電機J能夠使絲桿導軌滑臺帶動風箱下降，使風箱底部與移動到其下方載物臺上的載玻片貼緊，使外部氣流與內部隔絕，避免外部空氣污染內部硬件。吸風風機選用5.16 W/1 2V的3610KL-04W-B50型專用風扇(日本美蓓亞公司)，轉速為3 200 r/min，氣體采集流量為1 550 L/min。

(5)顯微圖像采集機構

由文獻[23]可知，夏孢子外觀為橙黃色，外形似橢圓，平均尺寸為24.5 μm×21.6 μm。在實驗室用研究級顯微鏡對夏孢子觀察可知，需光學放大200倍以上才能視覺可見。結合現有顯微成像技術，設計的顯微圖像采集機構如圖7所示。

圖7 顯微圖像采集機構示意圖Fig.7 Schematic of micro-image acquisition mechanism1.顯微數字攝像頭 2.鏡筒 3.物鏡 4. 連接板

顯微圖像采集機構主要包括顯微數字攝像頭、鏡筒、物鏡和連接板。連接板與主支撐板用螺栓固定連接。顯微數字攝像頭選用UCMOS 14000KPA Pro系列高分辨率顯微鏡CCD數字攝像頭(杭州圖譜光電科技有限公司)，分辨率可達1 400萬像素，JPEG格式；鏡筒選用1倍鏡筒；物鏡選用20倍遠心物鏡。顯微圖像采集機構可采集電子放大400倍的1 400萬像素的夏孢子顯微圖像。

2.1.3無線通信模塊

考慮到4G技術的廣泛應用，且傳輸速率可達50 Mb/s，適于快速、遠距離無線傳輸高質量音視頻圖像。故用華為ME909s-821型4G無線模塊和高增益磁盤天線，以實現服務器端對孢子顯微圖像遠程采集系統的遠程控制和圖像數據的遠程傳輸。考慮到TeamViewer遠程控制應用軟件(TeamViewer GmbH公司，德國)具有桌面共享和數據傳輸簡單的特點，只需在服務器端和客戶端同時運行TeamViewer，該軟件第1次在兩端運行便會自動生成伙伴ID，以后只需在服務器端輸入密碼即可立即建立起連接，故用TeamViewer實現對采集系統的遠程控制和數據無線傳輸。

2.1.4太陽能供電模塊

為提供系統在野外小麥田間長時間持續(xù)工作的電源，設計了太陽能供電模塊，其由太陽能電池板、可充電蓄電池和充放電控制器組成。太陽能電池板選用單晶硅太陽能電池板，功率為100 W、電池片轉換效率為18%、最大輸出電壓為18.2 V、最大輸出電流為5.49 A、尺寸為1 200 mm×540 mm×30 mm。充放電控制器控制整個供電模塊的工作狀態(tài)，對蓄電池提供充放電管理、狀態(tài)監(jiān)測、防過充放電和防反流。可充電蓄電池選擇12 V、65 A·h的閥控密封式鉛酸蓄電池，在太陽能供電不足的情況下維持系統的正常工作。

2.2 系統軟件設計

為實現載玻片的自動供片、涂脂、空氣中孢子捕捉、顯微圖像采集和回收載玻片等任務操作，以嵌入式Windows 7為操作系統，Microsoft Visual Studio 2013 和QT5.5.1圖形用戶界面庫為開發(fā)平臺，移植相關的驅動、中間件，開發(fā)夏孢子顯微圖像采集軟件，實現對系統中各個模塊的運行控制。

2.2.1系統工作流程

系統上電開機后進行初始化，打開軟件設置參數，點擊啟動按鈕開始運行。系統主要工作流程如圖8所示。

圖8 夏孢子顯微圖像遠程采集系統工作流程圖Fig.8 Flow chart of micro-image remote acquisition system for urediniospores

2.2.2顯微圖像采集與傳輸

用7101型全透明載玻片作為孢子捕捉載體，尺寸為75.6 mm×25.4 mm×1 mm。由于在高放大倍數下，遍歷載玻片上所有區(qū)域采集顯微圖像費時且圖像數據量龐大，故借鑒文獻[24]中的十二個橫向遍歷法采集顯微圖像。基于十二個橫向遍歷法，設計的不同位置點顯微圖像自動采集順序示意如圖9所示。

圖9 載玻片不同位置點顯微圖像自動采集示意圖Fig.9 Schematic of automatic acquisition of micro-images from different positons of slide

在載玻片中間50 cm×25 cm區(qū)域采集顯微圖像，換算成步進電機的脈沖數為20 000×10 000。左下角圓點為采集起點，右上角圓點為終點，通過驅動模塊輸出不同的脈沖數，控制步進電機的轉動以實現載物臺精準的平面移動，以采集載玻片上不同坐標點的夏孢子顯微圖像。采集點之間的脈沖數間距(x，z)可根據用戶需求設定，若設定X、Z軸脈沖數間距分別為5 000，從起點開始采集第1幅圖像，按照箭頭方向依次采集圓點處的圖像，到終點完成圖像采集，共采集12幅。圖像采集完成后，以JPEG格式保存在硬盤指定文件中，最后用TeamViewer遠程控制應用軟件將圖像數據通過4G無線網絡傳輸到服務器端。

2.2.3系統應用軟件

為有效地執(zhí)行和控制各模塊的運動，采用Microsoft Visual Studio 2013 和QT5.5.1平臺開發(fā)了小麥條銹病菌夏孢子顯微圖像遠程采集程序軟件，應用層采用模塊化設計，實現對系統中各個模塊的運行控制。夏孢子顯微圖像遠程采集程序功能主要包括顯微圖像顯示、自動控制、手動控制、電源控制、顯微圖像采集參數、顯微鏡數字攝像頭參數、執(zhí)行狀態(tài)、圖像保存路徑和急停9部分。通過自動控制可設置采集次數和采集時間，實現對小麥田間空中夏孢子的定時監(jiān)測；手動控制和電源控制能手動對各模塊進行啟停以檢查各部分是否正常工作；顯微圖像采集參數包括(x，z)脈沖數掃描間距、風機吸風時間和顯微鏡光源預熱時間，可根據采集要求設置其參數值；顯微鏡數字攝像頭參數包括對比度、增益、色度、曝光時間、色溫和飽和度，通過調節(jié)攝像頭參數可使顯微圖像的質量最佳；在程序運行時，通過執(zhí)行狀態(tài)欄可觀察運行狀態(tài)；添加圖像保存路徑，可將顯微圖像存儲到指定文件夾中；最后添加急停按鈕，當程序運行出現故障時用來關閉程序。圖10為夏孢子顯微圖像遠程采集軟件界面。

圖10 夏孢子顯微圖像遠程采集軟件界面Fig.10 Software interface of urediniospore micro-image remote acquisition

3 試驗結果與分析

3.1 試驗環(huán)境搭建及儀器布置

為了驗證本儀器能否長時間穩(wěn)定地遠程采集高倍數、高分辨率的夏孢子顯微圖像，進行了顯微圖像采集試驗。

參照文獻[3]，供試小麥材料選用易感病品種小堰22，經浸種、催芽后，于2017年10月12日播種于西北農林科技大學小麥人工病圃農田中，播種面積為1 000 m2。待小麥長到拔節(jié)期，用0.02%吐溫-80溶液，將實驗室繁育的新鮮小麥條銹病菌夏孢子配制成質量濃度為0.125 mg/mL的孢子懸浮液，于2018年4月5日傍晚給小麥接種。接種后用經水噴霧處理的塑料薄膜覆蓋12 h，以保持飽和濕度，次日08:30揭去塑料薄膜，以促其發(fā)病。

2018年4月20日，小麥條銹病開始大規(guī)模發(fā)病，于當天開始在農田中進行為期40 d的綜合測試試驗，直到冬小麥成熟期初期結束，儀器在小麥田間布放情況如圖11所示。

圖11 儀器布放圖Fig.11 Device deployment diagram

3.2 系統軟件運行測試

為了測試系統運行穩(wěn)定性，在服務器端運行TeamViewer軟件實現對系統的遠程控制，進而對系統參數進行設置：采集開始時間設置為09:00，孢子捕捉時長為2 h，每天采集1次，共采集40次，X軸和Z軸脈沖數掃描間距均為5 000，光源預熱時間為5 min，攝像頭曝光時間為85 000 μs，色溫為6 503 K，飽和度為128，其他攝像頭參數采用默認值。參數設置完后，軟件一鍵啟動自動運行捕捉空中夏孢子和采集顯微圖像，并且保存至系統本地硬盤，或將圖像無線傳輸至服務器。執(zhí)行40次采集任務總共采集了480幅顯微圖像，放大倍數為400倍，分辨率為4 096像素×3 288像素，JPEG格式，單幅圖像大小為601 KB。

3.3 圖像對比與分析

為了對比系統采集的夏孢子顯微圖像的質量，將系統采集的圖像與研究級顯微鏡采集的圖像進行對比。用研究級倒置顯微鏡(BX52型，Olympus，日本)和數碼成像系統(DP72型，Olympus，日本)對夏孢子臨時載玻片進行觀察、拍照，共獲得50幅夏孢子圖像，放大倍數為400倍，分辨率為4 140像素×3 096 像素，JPEG格式，單幅圖像大小為798 KB。圖12為系統采集圖像與研究級顯微鏡采集圖像的對比。

圖12 小麥條銹病菌夏孢子顯微圖像對比Fig.12 Micro-images comparison of urediniospores of Puccinia striiformis f. sp. tritici

從圖12a可以看出，系統能夠采集放大400倍的4 096像素×3 288像素的夏孢子顯微圖像；夏孢子外觀呈橙黃色，外形似橢圓，清晰度較高；夏孢子相互粘連現象較多，由于夏孢子是立體結構，當夏孢子出現部分重疊時，由于放大倍數大，景深小，重疊在上部的孢子無法聚焦，少量孢子會變模糊；圖像背景呈淡黃色，由于載玻片上涂抹了一薄層凡士林，顯微放大后背景中存在晶體條狀凡士林。

圖12b中研究級顯微鏡采集的夏孢子顯微圖像的夏孢子邊界輪廓都比較清晰，直觀上顏色有一定差異，主要原因是研究級顯微鏡所采用的數碼成像系統制造更加精密、昂貴。雖然本文方法采集的圖像背景顏色和研究級顯微鏡采集的相比有一定差距，但不影響夏孢子的識別和計數，所采集的顯微圖像可滿足夏孢子監(jiān)測的要求[25]。

3.4 能量可用性測試

在野外小麥田間對系統進行了為期40 d的能量可用性測試。蓄電池容量為65 A·h，額定電壓為12 V，實際電壓為10.8～13.7 V，在充放電控制器的作用下，低于10.8 V時停止放電，高于13.7 V時停止充電。太陽能電池板在光照充足的晴天經過8 h左右，即可將蓄電池從10.8 V充到13.7 V，在連續(xù)7 d以上的陰雨天氣時蓄電池電壓的最低值為10.8 V。在40 d的連續(xù)測試中，系統可以有效地工作，僅在連續(xù)7 d以上陰雨天氣、光照嚴重不足、太陽能供電不足的情況下系統出現過1次斷電而停止工作，為保證連續(xù)40 d的顯微圖像采集，采用更換備用蓄電池保持系統繼續(xù)工作。

4 結論

(1)針對目前使用的孢子捕捉設備存在的不足，基于ARK-1123C型嵌入式工控機和顯微鏡CCD數字攝像頭，提出了一種高放大倍數、高分辨率的小麥條銹病菌夏孢子顯微圖像遠程采集系統的設計方案，系統能夠實現小麥田間空氣中夏孢子的持續(xù)監(jiān)測。

(2)設計了由載玻片取片機構、載物臺、涂脂機構、孢子捕捉風道、顯微圖像采集機構組成的夏孢子捕捉及顯微圖像采集模塊、無線通信模塊和太陽能供電模塊等硬件，以及主控端夏孢子顯微圖像采集軟件，可自動完成取載玻片、涂脂、空中孢子捕捉、孢子顯微圖像采集、載玻片回收等功能，且可根據用戶需求遠程設置孢子捕捉和顯微圖像采集參數，采集的圖像通過無線網絡傳輸到遠程服務器中。

(3)田間試驗表明，系統可自動完成夏孢子捕捉和顯微圖像采集，能夠遠程實時采集放大400倍的4 096像素×3 288像素的夏孢子顯微圖像，可滿足小麥田間夏孢子監(jiān)測的要求。系統能長時間穩(wěn)定工作，可為農田空氣中小麥條銹病菌夏孢子的自動計數及條銹病的預測預報提供重要的技術支持，也可為其他氣傳性真菌孢子的自動監(jiān)測提供借鑒思路。