1 绪论
1.1 研究背景与意义
山东地方烟叶品质优良，为国家创造了稳定的税收，为烟农创造了稳定的收入。在烟草生长期间，由于受到害虫的影响，烟草质量和产量损失严重，广大烟农饱受其苦。传统的烟草害虫识别主要是专家或烟草种植者通过肉眼观察害虫的外部特征并与模式标本对照来识别，这种识别方式费时费力。烟草害虫种类多，繁殖快，人工识别烟草害虫存在识别实时性差、准确率低、工作量大等缺点，易导致错失了最佳的防治时期（唐羽等，2018）。烟草种植者只能通过大量喷洒农药杀灭害虫，易造成农药的误用、滥用的现象发生，使得烟叶农药残留严重，造成环境污染，增加生产成本（李石力等，2015）。
随着农业由传统农业向现代农业的转化，烟草生产活动也应该由传统的生产管理向现代化、科技化、精确化、数字化方向转变。近几年来，随着高分辨率、低成本、体积小的传感器的出现以及物联网技术和图像识别技术的发展，使得远程识别烟草害虫成为一种可能。烟草虫害危害种类多，全国各烟区虫害发生危害规律不同（杜传印，2019）。本文通过人工采集、网络爬虫烟草的害虫图像，利用卷积神经网络构建烟草害虫识别模型从而准确快速地识别出烟草害虫种类；以山东烟草害虫智能诊断为出发点，研发了山东烟草害虫管理系统；并实现烟农与专家的在线实时交流。系统的开发有利于及时、准确的识别烟草害虫的种类及发生情况，可为后续的害虫预警及绿色防控提供理论依据。
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1.2 国内外研究现状
由于本系统融合了物联网监测技术、害虫图像识别技术、信息管理系统开发等技术，故针对图像处理技术在害虫方面的研究、物联网图像采集技术以及烟草害虫管理系统三个方面进行了研究现状分析。
1.2.1 气候条件对烟草害虫的影响
目前，山东烟区的主要害虫有地老虎、蚜虫、棉铃虫等，温度、湿度、光照和风速等气象条件对烟草虫害均有影响（鲁会霞等，2015），尤其是温度和湿度对烟草虫害影响较大，如湿度小，温度高的情况下，蚜虫的危害严重。
（1）温度和湿
温度对于烟草害虫的发生以及分布有明显的影响，温度较高时，有利于烟草害虫生长发育、繁殖以及扩大活动范围，加大危害范围。低温不利于害虫的进食、活动以及繁殖。烟蚜生长活动适宜的温度为 12.5℃，湿度为 80%~88%，在此期间，烟蚜会大量爆发，危害烟草生长。
（2）降雨和光照
降水可以提高湿度，提高土壤的含水量，暴雨不利于有翅蚜的迁飞以及取食；土壤含水量为 40%以上时，会抑制野蛞蝓的生长发育，甚至促使其死亡。较强的光照会抑制野蛞蝓的活动。
（3）台风和冰雹
台风、冰雹不利于害虫的迁飞和取食。相比于害虫，更为严重的是恶劣天气对烟叶造成的损伤。台风会使烟草倒伏、烟叶折断以及烟草植株的死亡；冰雹会将烟草植株砸断、烟叶砸出孔洞，台风和冰雹都会对烟叶的质量产生重大的影响，造成种植者的经济损失。
气象条件对烟草害虫的发生有影响，因此，气象信息的获取对于后期的害虫防治以及预警显得尤为重要。
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2 害虫图像数据集构建
2.1 烟田人工采集
人工采集的烟草害虫数据，来源于宁阳市烟草实验种植区，如图 2 所示为 2018 年 8月 17 日的宁阳市烟田采集现场，本系统害虫图片数据集采集时间跨度为 2018.6.7-2019.6.7 一年，选取光照适宜的天气，使用佳能 EOS M6 相机垂直拍摄烟草的害虫部位和烟草上的虫体，拍摄的照片大小为 3984×4160 像素，如图 3 所示为用于图像采集的相机设备。实际应用中，由于采集到的原始图像尺寸过大，会影响网络的处理速度，在不影响图片精度的条件下，图像预处理部分需要对图片进行裁剪和编辑。
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2.2 网络爬虫获取
网络爬虫是根据要求，在万维网发起请求、获取数据、解析数据，实现数据自动抓取的程序或者脚本，其可以替代人工做一些重复性高、处理量大的工作，具有错误率低、数据获取效率高的优点。爬虫的原理为：将种子 URL 放入待抓取的 URL 队列中，从待抓取的 URL 队列中取出 URL，解析 DNS 得到主机 IP，并将 URL 对应的网页下载下来储存到数据库或者本地文件夹内，再将取出的 URL 放入已抓取的 URL 队列中。原理过程图如图 4 所示。
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3 基于卷积神经网络的烟草害虫图像识别 ........................ 16
3.1 卷积神经网络 .................................. 16
3.1.1 卷积层 ................................ 16
3.1.2 池化层 .................................. 17
4 基于物联网的烟草害虫管理系统的设计与实现 .............................. 28
4.1 系统需求分析 ................................... 28
4.1.1 烟草害虫管理系统功能需求 ........................................... 28
4.1.2 烟草害虫管理系统系统性能需求 ....................................... 29
5 总结与展望 .................... 57
5.1 总结 ........................... 57
5.2 创新点 ............................. 57
4 基于物联网的烟草害虫管理系统的设计与实现
4.1 系统需求分析
需求分析阶段是烟草害虫管理系统展开系统实际开发的重要环节，此阶段需要确定烟草害虫管理系统功能及性能方面的需求，对有效解决软件用户的实际需求有至关重要的作用，此外，本节还对烟田环境数据采集和传输功能进行需求分析，为后期系统的设计奠定了基础。
4.1.1 烟草害虫管理系统功能需求
1）烟草害虫查询
烟草害虫查询功能，可选择分类地位和危害部位进行查询，点击搜索结果即可跳转至害虫档案明细页面。
（2）烟草害虫诊断
烟草害虫诊断功能，可根据分类地位、危害部位、生育期、虫态和体色等详细信息供用户选择，筛选并诊断出烟草所患害虫，并展示害虫详细信息供用户参考；害虫识别功能是调用害虫图像识别模型识别用户上传的图片，确定害虫的信息，返回害虫名称。
（3）专家在线
专家在线功能，用户可填写问题描述、标题以及上传烟草害虫图片向专家进行咨询，通过专家答疑来获取烟草害虫信息以及防治方法等内容，用于解决系统内未录入烟草害虫种类的查询问题。
（4）害虫识别
害虫识别功能，通过用户上传害虫图像，调用害虫图像识别模块，返回识别结果以及防治方法等信息。
（5）农药信息查询
农药信息查询功能，用户通过农药名称关键字进行搜索，并点击农药名称，获取到农药的详细信息，包括使用方法和防治对象等信息。
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5 总结与展望
5.1 总结
针对目前烟草生产中存在的问题，结合国内外研究现状和用户需求，利用物联网技术，从烟草生长环境信息感知、数据同步采集、害虫图像识别等方面，对烟草害虫展开深入的研究。本文的主要工作有以下几点。
（1）研发了害虫信息自动识别模型
获取烟草害虫数据集，通过图像翻转、图像灰度化以及直方图均衡化等方式对害虫数据集进行预处理操作，使用图像大小归一化方法，将图像尺寸统一调整为 5050；基于 AlexNet、GoogLeNet 以及 VGG-19 网络构建烟草害虫识别模型，通过卷积层对输入图像进行多维度、多尺度的特征提取，通过池化层对图像进行主要特征提取；最后将特征输入分类器，进行烟草害虫图像识别分类，得到害虫类型，实现烟草害虫图像的自动识别。
（2）烟田环境信息物联网监测系统
分析烟草生长过程中的环境影响因素，其中空气温度和光照强度对害虫的影响最高，为实时监测烟田的温度与光照强度信息，本系统设计了物联网智能环境监测系统，其包括物联网智能烟草环境信息感知模块、传输模块及上位机监测系统模块，最终实现实时监测烟草的生长环境信息的功能。
（3）研发了烟草害虫管理系统
结合用户的功能性需求对山东烟草害虫管理系统进行分析和设计，选用并设计MySQL 数据库，将系统分为五层，分别为数据存储层、数据访问层、业务逻辑层、控制层和视图层。采用 Bootstrap 框架技术以及 SSH 框架技术完成管理系统的开发，为用户提供烟草害虫查询、烟草害虫诊断、害虫图像识别、农药查询、专家在线和实时监测等功能。开发烟草害虫图像识别微信小程序，实现了微信端识别烟草害虫图像的功能。
参考文献（略）