CN105738302A - 植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置及测定方法，其包括：支撑平台、转盘、暗箱、光源模块、叶绿素传感器模块、控制柜和上位机，所述支撑平台设置于控制柜的顶部，所述转盘和暗箱设置于支撑平台上，所述叶绿素传感器模块以及光源模块设置于暗箱内，所述控制柜内设置有光源控制器、电源模块、信号采集放大及AD模块、PLC控制模块和上位机处理/显示模块。该测定方法为：暗箱门打开植株自动运行到暗箱内，暗箱门关闭光源打开上位机通过叶绿素传感器模块获取红光、红外光入射、反射、透射值，上位机对获取的数值进行处理得到植株叶绿素相对含量保存并显示。本发明能有效的降低人工劳动强度，具有广阔的应用前景。

Description

植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置及测定方法

技术领域

本发明涉及一种植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置及测定方法，属于农业机械技术领域。

背景技术

由于农作物一般都有一定时间的生长周期，为了获取植物生长周期中不同时间段的相关生长状态，需要对植株的生长状态定时进行监测，而人工监测费时、费力。叶绿素含量是植物生长状态的一个重要指标，通过叶绿素含量的测定可以间接的了解植株叶片的氮营养状况，进而对作物的生长和营养状态进行初步的判断。

目前叶绿素测量方法主要分为理化测量、接触式测量和非接触测量3大类。理化测量是一种破坏性测量方法。由于叶绿素是一种二羧酸的脂，因此具有亲脂性。依据相似相溶的原理，通过将叶绿素溶解于有机溶剂，然后再用相关技术测量叶绿素的含量。该方法操作复杂、需要相关专业设备、价格昂贵且对植株叶片造成破坏。接触式测量主要是利用了光谱技术，其特点是测量仪器体积小、测量过程不需要试剂、直接读数。该方法具有无损、实时检测、操作简单等优点，但需要保证植株与仪器接触且需要人工操作，因此效率低。非接触式测量主要依据叶绿荧光现象、光谱技术、图像处理技术、遥感技术以及机器视觉技术等。该方法能实现大面积测量，但是测量精度相对较低且测量装备价格相对昂贵。

现有的叶绿素测量仪方面的专利大多分为两类：一类是手持式叶片小面积测量，其测量范围小、价格较高且需要人工操作，如典型的SPAD502测量仪；另一类是地表大面积的植被覆盖面积测量，其测量精度低且价钱昂贵，如SKYE公司开发SpectroSense2地表植被光谱仪。叶绿素吸收峰是蓝光和红光区域，在绿光区域是吸收低谷，并且在近红外区域几乎没有吸收，两类测量方法的原理基本基于此。选择红光区域和近红外区域测量叶绿素，第一类是利用由发光二极管发射红光(峰值波长650nm)和近红外光(峰值波长940nm)。近红外光的发射和接收主要是为了消除叶片厚度等方面对测量结果的影响。红光到达叶片后，一部分被叶片的叶绿素所吸收，少量被反射，剩下的透过叶片被接收器转换成为相应的电信号，然后通过A/D转换器转换为数字信号，微处理器利用这些数字信号计算叶绿素的相对含量。该方法的缺点是测量范围小、效率低、劳动量大、不适合叶绿素含量自动化测量。第二类利用太阳光而不需要额外光源，利用由于地表植物对红光的吸收大反射小对近红外光吸收小反射大的原理，通过测量叶绿素传感器接收的红光和红外光的反射值大小来衡量地表植被指数。该方法单纯的利用反射值来衡量叶绿素的相对含量，测量精度低且需要人工测量，不适合叶绿素自动化测量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置及测定方法。

本发明提供一种植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置及测定方法，该测量方法是将叶绿素测量叶绿素传感器安装于植株自动化监测平台上，该平台通过PLC控制电机的转动可同时容纳七盆植株的监测，通过上位机控制界面给下位机发送指令并接收叶绿素传感信号值通过相关处理得到植株叶绿素相对含量并将结果显示和保存。叶绿素传感器模块与自动化监测平台的结合可以实现叶绿素的自动化测量、简化操作流程、提高工作效率。具体包括以下两个方面：

第一方面，本发明提供了一种植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置，其包括：支撑平台、转盘、暗箱、光源模块、叶绿素传感器模块、控制柜和上位机，所述支撑平台设置于控制柜的顶部，所述转盘和暗箱设置于支撑平台上，所述叶绿素传感器模块以及光源模块设置于暗箱内，所述控制柜内设置有光源控制器、电源模块、信号采集放大及AD模块、PLC控制模块和上位机处理/显示模块。

作为优选方案，所述暗箱为封闭结构，所述光源模块设有红光光源、红外光源。

作为优选方案，所述光源模块包括一个波长650nm的红光光源和一个波长为940nm的近红外光源。

作为优选方案，所述叶绿素传感器模块由一个接收入射光强度传感器、一个接收反射光强度传感器和一个接收透射光强度传感器构成。

作为优选方案，所述支撑平台设有滚轮。

作为优选方案，所述上位机处理/显示模块安装有MFC界面程序。

第二方面，本发明还提供了一种基于前述的植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置的植物生长周期叶绿素含量的测定方法，其包括如下步骤：

第一步：启动该装置并打开MFC界面程序设置采集起始和结束时间以及周期间隔时间等相关参数；

第二步；起始时间到时暗箱门打开、转盘转动，当植株转到暗箱时暗箱门关闭，上位机自动获取叶绿素传感器模块采集的入射值、反射值和透射值并对获取的数值进行处理得到叶绿素的相对含量并将其显示与保存；

第三步：上位机自动获取完叶绿素传来的值后暗箱门打开，等待下一盆植株转到暗箱后继续第二部操作直到第七盆结束后完成一个周期的运转；

第四步：当到达设置的结束时间，转盘停止转动，程序自动退出，采集结束。

叶绿素含量是植物生长状态的一个重要指标，通过对植物生长周期叶绿素含量的高精度实时监测，能获取植物的相关生长状态。本发明的目的在于批量实现植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量。叶绿素吸收峰是蓝光和红光区域，在绿光区域是吸收低谷，并且在近红外区域几乎没有吸收。基于此，选择红光区域和近红外区域，利用红光和红外光照射植株叶片后会有一部分透过叶片、一部分被植物叶绿素吸收、一部分被反射的原理。通过特定叶绿素传感器模块测量入射、反射和透射光强度可以获得被叶绿素吸收部分的大小。由于消除了由单纯的测量红光和近红外光透射值而未考虑反射带来的误差以及由单纯测量反射值而未考虑透射值带来误差的影响，因此可以更加精确的反应植株叶绿素的含量。将该测量装置置于自动化检测平台上可以实现植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量。该方法能有效地降低由人工操作带来的劳动强度，具有更高效率。

叶片吸收的红光强度：

TAR＝TIR-TRR-TTR

式中：TIR表示总的红光入射值，TRR表示总的红光反射值，TTR表示总的红光透射值。

叶片吸收的近红外光强度：

TAI＝TII-TRI-TTI

式中：TII表示总的近红外光入射值，TRI表示总的近红外光反射值，TTI表示总的近红外光透射值。

根据上述值获得表征叶绿素相对含量的公式：

$ActSPAD=K\lg \frac{TAI/TII}{TAR/TIR}$

式中：K为常数，TAI为叶片吸收的近红外光强度，TII为总的近红外光入射值；TAR为叶片吸收的红光强度TIR为总的红光入射值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、消除了由单纯的测量红光和近红外光透射值而未考虑反射带来的误差以及由单纯测量反射值而未考虑透射值带来误差的影响，故具有更高的精度；

2、将该叶绿素测量装置与自动化测量平台结合使得该装置能够同时批量的实现植物生长周期叶绿素含量的高精度自动化测量，并能对监测结果实时记录、分析和存储。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明中截面程序的原理框图；

图3是叶绿素测量原理示意图；

图4是叶绿素测量流程图；

图5是本发明中PLC机的原理框图；

图中：1、控制柜；2、暗箱；3、光源；4、叶绿素传感器模块；5、转盘；6、支撑平台；7、植株叶片；8、入射光强度接收传感器；9、红光光源；10、近红外光光源；11、反射光强度接收传感器；12、透射光强度接收传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置如图1所示，其包括：控制柜1、暗箱2、光源3、叶绿素传感器模块4、转盘5和支撑平台6，支撑平台6设置于控制柜1的顶部，暗箱2和转盘5设置于支撑平台6上，叶绿素传感器模块4、光源3设置于暗箱2内，控制柜1内设置有光源控制器、电源模块、信号采集放大及AD模块、PLC控制模块和上位机处理/显示模块。

其中，所述暗箱为封闭结构，防止外部光源对内部光源的影响。暗箱门由电机通过PLC模块控制其开和关。暗箱内部装有红光、红外光源、叶绿素传感器模块。所述暗箱为封闭结构，防止外部光源对内部光源的影响。

光源模块包括一个波长650nm的红光光源和一个波长为940nm的近红外光源。

叶绿素传感器模块4由一个入射光强度接收传感器8、一个反射光强度接收传感器11和一个透射光强度接收传感器12构成。通过三个叶绿素传感器分别获取入射、反射、和透射光强度。信号采集放大模块接收并处理叶绿素传感器信号后传入上位机处理并显示。

如图3所示，在暗箱内同时用红光光源9和近红外光源10对植株叶片7的表面进行照射，图中入射光强度接收传感器8接收总的红光和近红外光入射强度，反射光强度接收传感器11接收通过叶片反射的红光和近红外光强度，透射光强度接收传感器12接收透过叶片7的红光和近红外光光强度。通过测得的总的入射光、反射光及透射光强度值可以得出叶片吸收的净光强度值并以此作为衡量植株叶片叶绿素的相对含量；将该叶绿素传感器模块结合自动检测平台可以实现对植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量。

支撑平台设有滚轮，可以实现平台放置场所和位置的方便变更。

在具体实施时，支撑平台的转盘上放置植株，并由电机通过PLC机控制，该PLC机的原理框图如图5所示。

在具体实施时，暗箱为封闭结构设计，防止外部光源对内部光源的影响。

上位机处理/显示模块安装有编写的MFC界面程序，该界面程序的原理框图如图4所示。

一种基于前述的植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置的植物生长周期叶绿素含量的测定方法，如图2和图4所示，包括如下步骤：

第一步：将植株放置于转盘上，并将光源、叶绿素传感器模块固定于暗箱内并与信号采集放大及AD模块连接，光源与控制器连接，上位机将PLC控制模块和信号采集模块连接；

第一步：启动该装置并打开编写的MFC界面程序设置采集起始和结束时间以及周期间隔时间等相关参数；

第二步：起始时间到时暗箱门打开转盘转动，当植株转到暗箱时暗箱门关闭，上位机自动获取叶绿素传感器模块采集的入射值、反射值和透射值并对获取的数值进行处理得到叶绿素的相对含量并将其显示与保存；

第三步：上位机自动获取完叶绿素传来的值后暗箱门打开，等待下一盆植株转到暗箱后继续第二部操作直到第七盆结束后完成一个周期的运转；

第四步：当到达设置的结束时间，转盘停止转动，程序自动退出，采集结束。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置，其特征在于，包括：支撑平台、转盘、暗箱、光源模块、叶绿素传感器模块、控制柜和上位机，所述支撑平台设置于控制柜的顶部，所述转盘和暗箱设置于支撑平台上，所述叶绿素传感器模块以及光源模块设置于暗箱内，所述控制柜内设置有光源控制器、电源模块、信号采集放大及AD模块、PLC控制模块和上位机处理/显示模块。

2.如权利要求1所述的植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置，其特征在于，所述暗箱为封闭结构，所述光源模块设有红光光源、红外光源。

3.如权利要求1所述的植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置，其特征在于，所述光源模块包括一个波长650nm的红光光源和一个波长为940nm的近红外光源。

4.如权利要求1所述的植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置，其特征在于，所述叶绿素传感器模块由一个接收入射光强度传感器、一个接收反射光强度传感器和一个接收透射光强度传感器构成。

5.如权利要求1所述的植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置，其特征在于，所述上位机处理/显示模块安装有MFC界面程序。

6.一种基于权利要求1所述的植株生长周期叶绿素含量高精度自动化测量装置的植物生长周期叶绿素含量的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：启动该装置并打开MFC界面程序设置采集起始和结束时间以及周期间隔时间等相关参数；

第二步；起始时间到时暗箱门打开转盘转动，当植株转到暗箱时暗箱门关闭，上位机自动获取叶绿素传感器模块采集的入射值、反射值和透射值并对获取的数值进行处理得到叶绿素的相对含量并将其显示与保存；

第三步：上位机自动获取完叶绿素传来的值后暗箱门打开，等待下一盆植株转到暗箱后继续第二部操作直到第七盆结束后完成一个周期的运转；

第四步：当到达设置的结束时间，转盘停止转动，程序自动退出，采集结束。