農林ATCSP物聯網孢子信息自動捕捉培養系統的製作方法

2023-04-27 12:36:17 3

本發明屬於農林業生產中病害預測預報技術領域，涉及孢子捕捉及分析技術，具體涉及一種物聯網的孢子自動捕捉培養系統。

背景技術：

氣傳病害多為農林業生產中的主要防控對象，其中白粉病、霜黴病、銹病等是重點防控對象，列入國家病害預測預報項目，每年需要大量的人力物力來完成相關病害的預測預報。而隨著空氣孢子捕捉儀(如鶴壁佳多科工貿股份有限公司開發的空氣孢子捕捉儀)的成功，明顯減輕了植保人員預測病害的工作量。

但在預測病害領域，仍然存在基層工作人員不會分析鑑定病原孢子，信息傳輸慢，數據分享不及時等問題，不能滿足日益重要的現代病害預測預報技術的需要。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出一種孢子自動捕捉培養及統計分析系統，能夠在田間實現孢子的信息採集，在室內(如辦公室內的電腦上)實現病原的鑑定和病害預測預報。該方案減少了工作人員到田間收集孢子玻片的工作量及汙染情況，實現了全天候無人值守連續自動的孢子田間捕捉、實地培養、顯微成像、實時數據傳輸、實時信息共享、專家分析等，科學、合理地實現了孢子的信息採集與鑑定，滿足病害預測預報技術的需要，節省了大量的人力物力。

本發明首先提供一種孢子自動捕捉系統，包括一由電機驅動的轉盤，一裝有載玻片的載玻盒，一進風管，一風機，一由電機驅動的推出裝置，以及一控制計算機；轉盤、推出裝置和風機由控制計算機控制運行；載玻盒、進風管和推出裝置固定在轉盤上方；轉盤上設有至少一個凹槽，轉盤上的凹槽轉動至載玻盒下方時，載玻盒內的載玻片落入凹槽內；之後裝有載玻片的凹槽隨轉盤繼續轉動至進風管下方，在風機作用下包含孢子的風流進入進風管內，並通過載玻片上的粘合劑採集孢子；之後由推出裝置將載玻片推出凹槽。

進一步地，所述凹槽為至少兩個，所述載玻盒內裝有多片載玻片；第一片載玻片落入第一凹槽內並轉動至進風管下方以採集孢子時，第二凹槽位於載玻盒下方並落入第二片載玻片，之後第二片載玻片轉動至進風管下方以採集孢子；採集孢子後的載玻片被推出裝置推出凹槽後，該凹槽繼續轉動至載玻盒下方並落入第三片載玻片；如此實現持續的採集。

本發明還提供一種孢子自動捕捉、培養系統，在上述裝置基礎上，還包括培養裝置，其包含輸液袋、輸液管和由電機驅動的用於擠壓輸液袋的擠壓裝置，所述輸液袋內裝有營養液，所述擠壓裝置由所述控制計算機控制運行；採集孢子後的載玻片隨轉盤繼續轉動至該培養裝置處，在所述控制計算機的控制和電機的驅動下，通過擠壓裝置擠壓輸液袋，使營養液通過輸液管定時定量地加在載玻片上，實現自動加液培養；之後由推出裝置將載玻片推出凹槽。

進一步地，所述凹槽為至少三個，所述載玻盒內裝有多片載玻片；第一片載玻片落入第一凹槽內並轉動至進風管下方以採集孢子時，第二凹槽位於載玻盒下方並落入第二片載玻片；採集孢子後的第一片載玻片繼續轉動至培養裝置的輸液管下方以進行培養時，第二片載玻片轉動至進風管下方以採集孢子，同時第三凹槽位於載玻盒下方並落入第三片載玻片；如此實現持續的採集和培養。

本發明還提供一種孢子自動捕捉、培養、成像系統，在上述裝置基礎上，還包括成像裝置，其包含顯微鏡和攝像機，其中攝像機由電機驅動，並由所述控制計算機控制運行；經過培養後的孢子轉動到該成像裝置下，經顯微鏡放大後由電機帶動攝像機進行拍照；之後由推出裝置將載玻片推出凹槽。

進一步地，所述凹槽為至少四個，所述載玻盒內裝有多片載玻片；第一片載玻片落入第一凹槽內並轉動至進風管下方以採集孢子時，第二凹槽位於載玻盒下方並落入第二片載玻片；採集孢子後的第一片載玻片繼續轉動至培養裝置的輸液管下方以進行培養時，第二片載玻片轉動至進風管下方以採集孢子，同時第三凹槽位於載玻盒下方並落入第三片載玻片；進行培養後的第一片載玻片繼續轉動至成像裝置下方時，第二片載玻片位於培養裝置的輸液管下方以進行培養，同時第三凹槽位於進風管下方以採集孢子，同時第四凹槽於載玻盒下方並落入第四片載玻片；如此實現持續的採集、培養和成像。

進一步地，所述成像裝置包含傳輸模塊，用於通過有線或無線方式將拍攝的孢子圖像傳輸至物聯網伺服器；所述物聯網伺服器對孢子圖像進行處理，包括進行自動分析篩選。

進一步地，還包括一位於外部的箱體，所述箱體包括一風雨帽和一立體支架。

本發明的孢子信息自動捕捉培養系統採用氣流定量、定時採集(統一風機型號、通風管道直徑，已確定每分鐘的氣流是一樣的，通過控制器即控制計算機控制抽風時間一致，達到氣流定量；控制器設定採集時間定時採集孢子次數)，自動培養(可針對不同孢子設定不同培養時間)，自動成像，遠程無線傳輸，實時顯示、存儲病菌孢子圖像；通過病菌圖像信息庫，分析田間的病原孢子數量的變化，預測病害的發生時間、發生程度和傳播路線，是孢子監測的專用設備，能夠全天候無人值守連續自動工作。本系統可與物聯網系統聯網，如與鶴壁佳多科工貿股份有限公司開發的農林atcsp物聯網系統聯網(atcsp為該物聯網系統的代號)，達到國家、省、市、縣、鄉各級信息採集站無線傳輸、遠程控制和信息數據共享。

附圖說明

圖1是孢子自動捕捉培養系統的結構示意圖。

圖2a～圖2d為內筒200的示意圖，其中圖2a為內筒去掉上半部分的筒壁後的立體結構示意圖，圖2b為去掉全部筒壁後的立體結構示意圖，圖2c為圖2b的俯視圖，圖2d為圖2c中c-c截面的剖視圖。

圖3為轉盤及其上面的凹槽的示意圖。

圖4a～圖4c為擠壓式微量自動加液裝置的示意圖，其中圖4a、圖4c為立體圖，圖4b為頂視圖。

圖5為成像裝置的結構圖。

圖6為推出裝置的結構圖。

圖7為推出裝置將載玻片推出的示意圖。

圖8為內筒的底部結構示意圖。

圖9為進行孢子信息自動捕捉培養及統計分析的流程圖。

圖10～圖12為病害發生程度與捕獲的病菌數量關係的線性相關分析圖。其中圖10為病害發生程度與當日捕獲孢子囊量關係，圖11為病害發生程度與當日捕獲孢子囊和孢子量關係，圖12為病害發生程度與兩日捕獲孢子囊和孢子量關係。

具體實施方式

下面通過具體實施例和附圖，對本發明做進一步說明。

圖1是本實施例的孢子自動捕捉培養系統的結構示意圖。該系統包括一箱體100，其包含風雨帽101和立體支架102。風雨帽101用於遮擋雨水。立體支架102中間形成一封閉的容置腔103，其內放置內筒200、微電腦控制系統300(控制計算機)、負壓氣流風機400。內筒200上方設置一外筒500，其為一圓筒過濾裝置，筒壁上設有多排細孔，用於過濾空中的大顆粒雜物。負壓氣流風機400固定在容置腔103的底部。容置腔304內壁上設有保溫層(可以採用保溫棉等材料)，用於減少容置腔內部與外部的溫差，保證容置腔內部穩定的溫度。

圖2a～圖2d為內筒200的結構示意圖，其中圖2a為內筒200去掉上半部分的筒壁後的立體結構示意圖，該圖中200a為線孔，包括培養裝置的輸液線的線孔及控制線的線孔，200b為載玻片導出處(後文將具體說明)。圖2b為去掉全部筒壁後的立體結構示意圖。圖2c為圖2b的俯視圖，圖2d為圖2c中c-c截面的剖視圖。為了使圖片中的結構顯示清楚，圖2a、圖2b中沒有顯示進風管211，而在圖2c、圖2d中示意了進風管211。進風管211內設有過濾網，用於對進入的風流進行二次過濾(第一次過濾通過外筒500實現)。

下面具體說明內筒200內的結構組成：

a.載玻盒、載玻片和粘合劑

如圖2b所示，載玻盒201用於盛裝載玻片，載玻盒201的入口處設有擋門2011，其打開後可以裝入多片載玻片(如100片)，關閉後可以擋住載玻盒內的載玻片，避免其向外掉出。

載玻片可以採用雙凹或者單凹載玻片，優選採用雙凹載玻片(有兩個凹槽，為標準件)。在雙凹載玻片的凹處塗抹粘合劑，用於粘合孢子。採用雙凹載玻片的好處是：a)在雙凹載玻片的凹處塗抹粘合劑，能夠保證載玻片之間不會相互粘接，而如果採用平面載玻片，則塗抹粘合劑後各載玻片容易粘接在一起；b)雙凹載玻片上後期會加入培養液，保證孢子聚集在雙凹處，孢子不會擴散，便於採集孢子圖片信息。

載玻片上使用的粘合劑的組成優選為，甘油：乳酸：吐溫的體積比＝(3～5)：(1～2)：(1～2)，進一步優選為甘油：乳酸：吐溫＝3：1：1。其中吐溫優選吐溫80或吐溫20。該粘合劑中，甘油用於粘合，乳酸用於抑制細菌生長，吐溫用於孢子分散避免聚集成堆。將粘合劑均勻塗抹在雙凹載玻片一端的凹槽內，然後放入載玻盒中。

b.轉盤及其驅動機構

如圖2c、圖2d所示，轉盤202由步進電機203驅動。轉盤連接軸204連接下面的轉盤202和上面的傳動齒輪205，並通過軸承206～208進行固定；步進電機203的齒輪2031與傳動齒輪205嚙合，從而能夠驅動轉盤202進行轉動。210為齒輪壓板，用於固定齒輪205。

如圖2b、圖3所示，轉盤202上設有若干凹槽2021(圖中為5個凹槽)，每一個凹槽內可放入一片載玻片。載玻盒201、進風管211固定在轉盤上方，轉盤上的凹槽轉動至載玻盒下方時，載玻盒201內的載玻片2012落入凹槽內；之後裝有載玻片的凹槽隨轉盤繼續轉動至進風管下方，在風機作用下包含孢子的風流進入進風管內，並通過載玻片上的粘合劑採集孢子(孢子沉積在載玻片上)。同時，由於轉盤的轉動，使下一個凹槽轉動到載玻盒下方，從而載玻盒內的另一片載玻片在重力作用下落到該凹槽內，然後轉盤繼續轉動並重複上述過程。也就是說，每當轉盤上的凹槽轉動到載玻盒下，載玻盒內就會有一片載玻片落下至凹槽上(即載玻片一片一片地從載玻盒中出來)。在採集後，轉盤繼續轉動，帶動載玻片然後到達培養裝置的輸液管處進行孢子培養，然後轉盤繼續轉動，帶動載玻片到達成像裝置下進行圖像採集，圖像採集完成後，在步進電機驅動下由推出裝置將載玻片從出口處自動推出。後文將具體描述培養裝置、成像裝置和推出裝置。

在載玻盒內，最上端的一塊雙凹載玻片上可設置配重金屬塊(如不鏽鋼塊等)。這樣，當載玻片剩下最後一兩片從而不易落到凹槽處時，配重金屬塊壓住載玻片使其掉入凹槽內，即通過配重金屬塊的壓力作用使載玻盒內的載玻片得到充分利用。

如圖2b所示，齒輪205上可設置定位傳感器209(圖2b中顯示了5個定位傳感器209)，用於定位轉盤202上的凹槽，使凹槽準確地位於載玻盒、培養裝置、成像裝置的下方，也可以用於凹槽位置出現誤差時的校準等。定位傳感器209可以採用任意具有定位功能的傳感器，如光電傳感器等。

c.培養裝置

培養裝置用於向採集孢子後的載玻片上添加營養液，以對孢子進行培養。培養裝置可以設於內筒200內部，也可以設於內筒200外部。本實施例中，培養裝置設於內筒200外部，包含輸液袋，輸液管，輸液管通過圖2中所示的線孔200a進入內筒200內，並固定在轉盤202上特定的位置。

圖4a～圖4c為培養裝置600的一種實施方式，稱為擠壓式微量自動加液裝置，其中圖4a、圖4c為立體圖，圖4b為頂視圖。該裝置上設有無重力輸液袋601，輸液袋601連接有輸液管602(圖中示意了兩根輸液管)，輸液袋601、輸液管602固定在相應的固定槽603、604內；輸液管602採用單向閥門，這樣輸液袋不必掛太高即可保證培養液不會回流。該裝置上設有步進電機605，控制加液輪606定時定量轉動，每轉動一次，加液輪606會擠壓輸液袋601一次，輸液管602中就會有一滴營養液流出並滴落至轉盤202上的凹槽2021內的載玻片上，實現自動加液培養。

d.成像裝置

圖5中示意了成像裝置700，其中701所示位置包括顯微鏡、攝像機，顯微鏡用於放大孢子，然後由攝像機對其進行拍照。攝像機由步進電機702驅動，並在微電腦控制系統300控制下運行。步進電機702下方設有滑臺703，通過該滑臺703，步進電機702帶動攝像機由上往下逐層拍照。該滑臺可採用現有技術實現，如採用滾珠滑臺等。

本實施例中，成像裝置700還可包含傳輸模塊，用於通過有線或無線方式將拍攝的孢子圖像傳輸至物聯網伺服器，由物聯網伺服器對孢子圖像進行處理，包括進行自動分析篩選等。

e.推出裝置

推出裝置用於將採集了孢子圖像後的載玻片推出內筒。圖6所示為推出裝置800的一種實現方式，其包含一帶絲杆801的步進電機802，以及一能夠在步進電機驅動下沿絲杆運動的運動臂803。步進電機802在微電腦控制系統300控制下運行，將採集了孢子圖像後的載玻片推出內筒，載玻片推出後的凹槽繼續轉動至載玻盒下，以落入新的載玻片。圖7為推出裝置800將載玻片2012推出的示意圖。圖2中200b即為載玻片導出處。

f.內筒200的底部結構

圖8為內筒200的底部結構示意圖，包含正面圖(俯視圖)和右視圖、下視圖。其中212為轉盤座，即轉盤202的底座；213為聚光鏡，用於為成像裝置中的顯微鏡提供光源；214為加熱板，用於維持內筒的溫度；215為抽風管，與負壓氣流風機400連接。

圖9是採用上述裝置進行孢子自動捕捉、培養及成像的流程圖，具體包括以下步驟：

1)孢子自動採集

孢子自動採集步驟採用定量負壓氣流沉積原理。風機自有定量負壓功能，結合粘合劑將風機抽到的孢子沉積在雙凹載玻片上。在採集時，首先由外筒(圓筒過濾裝置)過濾空中的雜物，但並不阻礙孢子的進入，孢子在負壓氣流風機的定量負壓抽風的作用下進入到進風管，然後沉積在載玻片上，粘在載玻片上塗好的的粘合劑上。進風管內有過濾網，過濾網上有小孔，可以實現二次過濾，過濾空氣中的雜質(大顆粒雜物)。收集的孢子範圍包括：白粉病菌、霜黴病菌、灰黴病菌、麴黴病菌、銹病菌、茄科早疫病菌、腐生青黴病菌、晚疫病菌、褐斑病菌、炭疽病菌等氣流傳播病菌和部分土傳病菌孢子。

上述採集過程可以實現孢子的自動採集，包括自動抽風、自動更換載玻片。自動抽風是指由微電腦控制器控制風機，實現自動抽風。自動更換載玻片是指由微電腦控制器控制轉盤轉動，實現載玻片的自動更換，即：轉盤上的凹槽轉動至載玻盒下方時，載玻盒內的載玻片落入凹槽內；之後裝有載玻片的凹槽隨轉盤繼續轉動至進風管下方，在風機的抽風作用下包含孢子的風流進入進風管內，並通過載玻片上的粘合劑採集孢子(孢子沉積在載玻片上)；同時，下一個凹槽轉動到載玻盒下方，載玻盒內的另一片載玻片在重力作用下落到該凹槽內，然後隨轉盤繼續轉動至進風管下方進行採集，如此重複上述過程，實現對孢子的持續採集。

2)自動添加營養液

添加營養液以對孢子進行培養的目的在於：給孢子適宜生長的環境，讓其成長，看其會爆發那種類型的疾病，在實際生活進行預警預報。

採集孢子後的載玻片隨轉盤繼續轉動至培養裝置處，營養液通過輸液管定時定量地加在載玻片上，實現自動加液培養。該步驟可以使用前文所述的擠壓式微量自動加液裝置來實現。由於可以定時定量地控制營養液的流出，使得可以控制培養時的溼度，同時內筒底部設置的加熱板能夠實現溫度調節，因此可以實現恆溫、恆溼的培養環境。

添加營養液時，每次添加75-100微升。營養液主要有以下幾種：a、通用營養液，含有如下組分(質量百分比)：葡萄糖0％-0.3％，蛋白腖0.3％-0％；b、特定孢子鑑定液，如鑑定小麥條銹病菌夏孢子時使用濃鹽酸。

3)顯微成像

經過培養過後的孢子轉動到顯微鏡、攝像機裝置下，顯微鏡放大後由攝像機進行拍照。可以採用計算機控制技術自動更換視野、自動聚焦並連續拍攝(可採用現有技術實現)。

具體地，可以在攝像機前端安裝一個顯微鏡頭，用步進電機帶動攝像機由上往下逐層拍照，拍照每張照片間距0.001-0.01毫米，然後通過傳輸模塊，由無線網絡傳輸至物聯網伺服器(即下面的步驟4)。

4)孢子圖像傳輸

在成像後，通過傳輸模塊將照片傳輸至物聯網伺服器。該物聯網伺服器可以是安裝條件允許的任何一個物聯網伺服器，比如鶴壁佳多科工貿股份有限公司的農林atcsp物聯網伺服器。

具體地，傳輸模塊可以採用有線傳輸或者無線傳輸的方式將圖像傳輸到子伺服器，然後通過網際網路匯總到中心伺服器，以進行孢子圖像信息處理(即下面的步驟5)。

5)孢子圖像處理

該步驟採用識別篩選軟體自動分析篩選採集到的有效圖片。比如可以通過分析圖像的像素的明暗對比度實現篩選，挑選出較為有效的圖片。如果對比度大於某個值(如13000等)，就判斷圖像為清楚，否則判斷為是不清楚的，然後將不清楚的圖像移除掉，只留下清楚的圖像。處理後的孢子圖像可以通過網際網路傳輸至遠程服務端，如遠程電腦服務端、遠程網頁服務端、遠程手機服務端等。

實例：馬鈴薯晚疫病預測模型與孢子捕捉的相關性

比利時(carah)模型認為：當溫溼度達到適宜條件後，病害發展的速度僅與溫度相關，與溼度相關不明顯，當溫度高於臨界點27℃後，病害即停止循環。本發明的孢子自動捕捉培養分析系統可對空氣中的馬鈴薯晚疫病菌的孢子囊、孢子進行自動捕捉、培養、顯微拍照，並將病原孢子的數量進行統計。利用甘肅省馬鈴薯晚疫病遠程監測預警物聯網，分析carah馬鈴薯晚疫病預測模型與孢子捕捉的相關性，結果表明：carah模型預測病害發生程度與本發明的孢子自動捕捉培養分析系統的兩日捕獲孢子囊和孢子量之間具有顯著正相關性，相關係數r2為0.9549。

1材料和方法

1.1材料甘肅省馬鈴薯晚疫病遠程監測預警物聯網

1.2方法根據甘肅省馬鈴薯晚疫病遠程監測預警物聯網的病害預測曲線，統計預測病害發生程度、預測侵染發生時間、預測侵染結束時間。根據本發明的孢子自動捕捉培養分析系統的孢子自動成像圖片統計日捕獲孢子囊數量和日捕獲孢子數量。分析carah模型預測病害發生程度與日捕獲孢子囊數量和日捕獲孢子數量的關係。

2結果與分析

通過統計2015年甘肅臨洮站和武都站馬鈴薯晚疫病害預測曲線，得到以下數據：

表1臨洮站馬鈴薯晚疫病害預測和捕獲病菌數量調查表

註：「-」表示無預測數據

表2武都站馬鈴薯晚疫病害預測和捕獲病菌數量調查表

從表1中可以看出：在病害侵染結束當天和第二天捕獲的病菌數量與病害發生程度存在一定的相關性，在第三天後若此間無病害侵染發生，則在孢子儀中未發現孢子囊和孢子。

以病害的發生程度和捕獲的病菌數量為基礎，進行相關數據整理，結果見表3、表4：

表3馬鈴薯晚疫病預測病害發生程度

表4馬鈴薯晚疫病預測病害發生程度與病菌數量關係

以表4數據為基礎，對病害發生程度與捕獲的病菌數量關係做線性相關分析，結果見圖10～圖12。從圖10～圖12可得：病害發生程度與當日捕獲孢子囊量的相關性差，r2為0.8508；病害發生程度與當日捕獲孢子囊和孢子量的相關性較好，r2為0.9265，病害發生程度與當日捕獲孢子囊和孢子量的相關性顯著，y＝1.2353x+3.1765，r2為0.9549。

3結論

通過分析carah馬鈴薯晚疫病預測模型與孢子捕捉的相關性，結果表明：carah模型預測病害發生程度與當日捕獲孢子囊和孢子量存在一定的相關性；與兩日捕獲孢子囊和孢子量之間具有顯著正相關性。二者都可以作為模型預測曲線與病菌數量關係的分析，又以兩日捕獲孢子囊和孢子量準確性最高。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍，本發明的保護範圍應以權利要求書所述為準。