CN103149162B - 基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪 - Google Patents

Abstract

一种基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，其特征是包括光源系统、光谱信号采集系统和主机系统，其中光源系统的前端连接主机系统，光源系统的后端连接光谱信号采集系统，光谱信号采集系统的后端连接主机系统，主机系统的后端连接光源系统。本发明能同时对作物的叶绿素含量、植被归一化指数（NDVI）、叶面积指数、叶干重、氮含量、氮积累量、净光合速率、蒸腾速率和叶温等多种生理、生态信息进行综合监测与诊断，具有数据采集、分析、显示、存储、查看和显示功能；嵌入式电子信息技术的应用，简化了系统结构，使仪器具有携带方便、低功耗等优点。<!--1-->

Description

基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪

技术领域

本发明涉及一种基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，特别是利用主动光源进行作物生长信息无损、快速检测的装置，属于作物生长信息智能化检测领域，专用于田间作物生长信息实时获取与精确诊断。

背景技术

作物生长信息监测可以全面地感知农田作物生长状况，为作物生产精确管理的实施提供信息支撑，对加强我国粮食安全、提高粮食品质和产量等具有重要作用。无损、快速、便携是现代农田信息获取设备发展的必然趋势，研制作物生长信息实时无损获取设备是发展农业信息化的关键。

基于冠层反射光谱的作物生长监测技术是根据作物冠层叶片对敏感波段的吸收和散射特性来计算推导作物冠层叶片的生理、生态特性。相比其他的作物生长监测方法，如凯氏定氮法、物理测量叶面积法、化学测量叶绿素法和接触式叶温测量等，作物生长光谱监测技术具有成本低、分辨率高、实时性好、实现简单、非接触监测等优点；同时，与电子信息技术、嵌入式开发技术的有机结合，可实现作物生长信息光谱监测技术转化为现实生产力的微型化、经济化、智能化的迫切需求。

目前，国内外一些研发机构开发了用于监测作物生长状况的光谱仪器，这些仪器基本上都是基于被动光源模式，测量结果受太阳高度角的影响非常显著，精度低，可靠性差，不利于农田环境下实地测量。比如，美国Holland scientific公司生产的Crop Circle ACS-470手持式光谱仪，不受环境光源条件的限制，能用于测定常规植物营养状况以及植物冠层及土壤的基本反射率信息，可方便地对较大范围的植物或农作物的生物量及其分布情况进行，所测数据可用于分析作物的养分、水分、病害及其他生长状况，但其仪器价格昂贵，体积庞大，适用于科学研究但不适用于田间农业生产；专利200710019340.9公开了一种便携式多通道作物叶片氮素营养指标无损监测装置，虽满足对作物冠层叶片氮含量、氮积累量和叶面积指数3个指标的无损实时监测，但该装置利用太阳光做光源，使用中必须受到天气制约，工作时间短、稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种实时性好、工作时间范围宽、价格便宜、不受天气制约且稳定性好的基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，能够实现农田环境下低成本、便携式测量作物的生长信息。

本发明的技术方案是：

一种基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，包括光源系统、光谱信号采集系统和主机系统，其中光源系统的前端连接主机系统，光源系统的后端连接光谱信号采集系统，光谱信号采集系统的后端连接主机系统，主机系统的后端连接光源系统。

所述光源系统包括光谱信号发生部件和外壳；其中所述光谱信号发送部件由六个发射光管和内部管座构成，六个发射光管分成两组，每三个发射光管一组，每组发射光管与主机系统的编码模块连接；所述内部管座用于固定六个发射光管。

所述发射光管包括保护玻璃、条形柱面镜和发光二极管队列，并依次排列；其中所述发光二极管队列由若干个中心波长为720nm和810nm发光二极管排列，呈长方形，出射光斑呈条形，光源出射角为45°；所述条形柱面镜长54mm，宽10mm，距离发光二极管队列9mm。

所述光谱信号采集系统包括光谱信号采集部件和外壳；其中所述光谱信号采集部件由若干个反射光管和管座组成，并嵌入主机系统下方，位于两组发射光管中间位置；所述反射光管等分为两组，每组反射光管与主机上的解码模块连接；所述管座用于固定反射光管。

所述反射光管包括保护玻璃、特定中心波长窄带干涉滤光片、圆形凸透镜和光电传感器，并依次排列；其中所述滤光片的中心波长为720nm和810nm；所述圆形凸透镜，直径为6mm，焦距为3mm；所述光电传感器位于圆形凸透镜焦平面。

所述主机系统由外壳、硬件系统和软件系统构成；其中，所述硬件系统由编码模块、光源驱动模块、两波长LED光源、微弱信号放大模块、解码模块、A/D转换模块、单机微处理器模块、外部存储器模块、液晶显示模块、键盘输入模块和电池供电模块组成；且所述编码模块的前端是单机微处理器模块，后端是光源驱动模块；所述解码模块的后端是A/D转换模块，A/D转换模块的后端是微处理器模块；所述外部存储器模块与单机微处理器模块相连；所述显示模块与微处理器模块相连；所述键盘输入模块与微处理器模块相连；所述电池供电模块向整个装置供电。

所述光源驱动模块后端是光谱信号发送部件中的发光二极管，所述解码模块的前端是光谱采集部件中的光电传感器。

光源系统由特定波长发光二极管阵列、聚光柱面镜和保护玻璃构成；特定波长发光二极管经聚光柱面镜聚光，使出射光线成条形照射在作物冠层叶片上，保护玻璃用于保护光源系统免受物理和化学损坏。

所述光谱信号采集系统由保护玻璃、窄带干涉滤光片、圆形聚光透镜和光电传感器组成；作物冠层叶片吸收和散射之后的反射光通过滤光片去除其他波段的干扰光，聚光透镜提高探测器接收的光照强度，光电探测器的光谱响应范围在400nm～1100nm，保护玻璃用于保护光源系统免受物理和化学损坏。

所述外部设备由外部存储器模块、键盘输入模块、液晶显示模块和电池供电模块组成；外部存储器用于存储监测的作物冠层光谱反射率，键盘输入模块用与液晶显示模块构成人性化的人机交互界面，电池供电模块向整个装置供电。

本发明的有益效果是：

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下技术效果：

1.本发明基于主动光源设计，使用时不受天气因素制约，工作时间范围宽。克服了以往作物生长监测设备利用太阳光做光源，使用中受到天气状况及太阳高度角的制约，可控性、稳定性较差。

2.本发明根据田间作物在不同生育时期冠层特点，采用发射光管分组的设计方法，降低了土壤背景干扰的影响，提高了仪器监测精度和可靠性。

附图说明

图1A为本发明基于主动光源的便携式作物生长监测仪示意图；

图1B为本发明基于主动光源的便携式作物生长监测仪的主机系统的示意图；

图2为本发明的光源系统发射光管示意图；

图3为本发明的光谱信号采集系统反射光管示意图

图4为本发明的主机硬件示意图。

图注说明：

1.720nm光源系统 2.720nm发射光管 3.720nm光谱信号采集系统 4.720nm反射光管 5.810nm光谱信号采集系统 6.810nm反射光管 7.810nm发射光管 8.810nm光源系统 9.主机系统 10.主机面板 11.液晶显示屏 12.“开”按键 13.“关”按键 14.“复位”按键 15.“模式”按键 16.“测量”按键 17.“上页”按键 18.“监测/保存”按键 19.“查看”按键 20.“诊断”按键 21“下页”按键 22.保护玻璃 23.聚光柱面镜 24.特定波段发光二极管 25.保护玻璃 26.窄带干涉滤光片 27.圆形聚光透镜 28.光电传感器

具体实施方法

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，包括光源系统、光谱信号采集系统和主机系统（如图1）；其中光源系统的前端连接主机系统，光源系统的后端连接光谱信号采集系统，光谱信号采集系统的后端连接主机系统，主机系统的后端连接光源系统。

所述光源系统（如图2）包括光谱信号发生部件和外壳；其中所述光谱信号发送部件由六个发射光管和内部管座构成，六个发射光管分成两组，每三个发射光管一组，每组发射光管与主机系统的编码模块连接；所述内部管座用于固定六个发射光管。

所述发射光管（如图3）包括保护玻璃、条形柱面镜和发光二极管队列，并依次排列；其中所述发光二极管队列由若干个中心波长为720nm和810nm发光二极管排列，呈长方形，出射光斑呈条形，光源出射角为45°；所述条形柱面镜长54mm，宽10mm，距离发光二极管队列9mm。

所述光谱信号采集系统（如图3）包括光谱信号采集部件和外壳；其中所述光谱信号采集部件由若干个反射光管和管座组成，并嵌入主机系统下方，位于两组发射光管中间位置；所述反射光管等分为两组，每组反射光管与主机上的解码模块连接；所述管座用于固定反射光管。

所述反射光管（如图3）包括保护玻璃、特定中心波长窄带干涉滤光片、圆形凸透镜和光电传感器，并依次排列；其中所述滤光片的中心波长为720nm和810nm；所述圆形凸透镜，直径为6mm，焦距为3mm；所述光电传感器位于圆形凸透镜焦平面。

所述主机系统由外壳、硬件系统（如图4）和软件系统构成；其中，所述硬件系统（如图4）由编码模块、光源驱动模块、两波长LED光源、微弱信号放大模块、解码模块、A/D转换模块、单机微处理器模块、外部存储器模块、液晶显示模块、键盘输入模块和电池供电模块组成；且所述编码模块的前端是单机微处理器模块，后端是光源驱动模块；所述解码模块的后端是A/D转换模块，A/D转换模块的后端是微处理器模块；所述外部存储器模块与单机微处理器模块相连；所述显示模块与微处理器模块相连；所述键盘输入模块与微处理器模块相连；所述电池供电模块向整个装置供电。

所述光源驱动模块后端是光谱信号发送部件中的发光二极管，所述解码模块的前端是光谱采集部件中的光电传感器。

光源系统由特定波长发光二极管阵列、聚光柱面镜和保护玻璃构成；特定波长发光二极管经聚光柱面镜聚光，使出射光线成条形照射在作物冠层叶片上，保护玻璃用于保护光源系统免受物理和化学损坏。

光源由两组发射光管组成，每组发射光管由3只条形光管构成，每组条形光管内部含有6只发光二极管组成的阵列，两组发射光管的发光二极管的中心波长分别为720nm和810nm,带宽为±15nm；聚光透镜采用条形柱面凸透镜，长54mm，宽10mm，焦距为9mm；玻璃物镜长64mm，宽10mm，距离柱面透镜5mm。

所述光谱信号采集系统由保护玻璃、窄带干涉滤光片、圆形聚光透镜和光电传感器组成；作物冠层叶片吸收和散射之后的反射光通过滤光片去除其他波段的干扰光，聚光透镜提高探测器接收的光照强度，光电探测器的光谱响应范围在400nm～1100nm，保护玻璃用于保护光源系统免受物理和化学损坏。

所述外部设备由外部存储器模块、键盘输入模块、液晶显示模块和电池供电模块组成；外部存储器用于存储监测的作物冠层光谱反射率，键盘输入模块用与液晶显示模块构成人性化的人机交互界面，电池供电模块向整个装置供电。

监测仪外壳采用硬质塑料材质机盒；面板采用塑料薄膜键盘，不同类型功能按键采用不同颜色的标记。

（一）本发明装置的操作方法与步骤

本发明的一种基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪的检测方法，采用如下步骤：

步骤1）按下面板上的“开”按键12，给仪器加电，系统内部进行初始化操作，液晶显示屏上显示初始化界面，光源系统和光谱信号采集系统开始工作；

步骤2）根据所测作物的长势情况，按下面板上的“模式”按键15，选择点亮光源系统内部的发光二极管的路数，“模式1”点亮一路发光二极管，“模式2”点亮两路发光二极管，“模式3”点亮三路发光二极管；

步骤3）操作者保持距离作物冠层20cm-40cm，水平放置，按下“测量”按键16，液晶屏实时显示光谱信号采集器采集的作物冠层光谱反射率；

步骤4）操作者按下“监测/保存”按键18，实时抓捕作物冠层光谱反射率在液晶屏上显示，并存储光谱反射率；

步骤5）按下“查看”按键19，能够将存储的光谱反射率信息从外部存储器中调出，经过内部所建的作物生长模型在液晶屏上显示出所测作物的各农学指标。

步骤6）按下“上页”按键17和“下页”按键21，能够向上和向下查看所测作物的各农学指标。

步骤7）按下“诊断”按键20，调用固化的农学指标方程，计算出作物的叶绿素含量、植被归一化指数（NDVI）、叶面积指数、叶干重、氮含量、氮积累量、净光合速率、蒸腾速率和叶温等各农学指标，并在液晶屏上显示；

步骤8）按下“复位”按键14，系统软件进行初始化，液晶屏显示初始化界面；

步骤9）按下“关”按键13，切断系统电源，仪器关机。

（二）本发明装置的工作原理

基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪的结构框图如图1所示。单机微处理器模块向编码模块发出控制命令，编码模块发出一定频率的电信号，控制光源驱动电路点亮两波长LED光源，光源的两个波长的点亮频率一致，发光功率保持恒定。720nm光源系统（1）、810nm光源系统（8）中的720nm发射光管（2）、810nm发射光管（7）发出的光照射在被测作物冠层，位于两组不同波长光源模块中间同侧的720nm光谱信号采集系统（3）、810nm光谱信号采集系统（5）中的720nm反射光管（4）、810nm反射光管（6）接收到经过作物冠层吸收和散射之后的反射光信号，720nm反射光管（4）、810nm反射光管（6）内部的光电传感器28将光信号转换为电流信号，电流信号通过微弱信号放大器将微弱电流信号放大并转换为电压信号。光源对作物监测的距离为20cm-40cm之间。经过放大后的电压信号经过解码模块，消除了太阳的干扰和内部噪声干扰。A/D转换模块将解码后的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传送至单机微处理器模块。单机微处理器模块将数字信号计算和处理后，得出作物冠层的光谱反射率，调用固化在微处理器内部存储器中的模型和算法将光谱反射率的变化转换为作物各种农学指标信息，如叶绿素含量、植被归一化指数（NDVI）、叶面积指数、叶干重、氮含量、氮积累量、净光合速率、蒸腾速率和叶温等，微处理器模块内部固化了标准板标定函数，对光强变化信息进行补偿计算处理，使所测量的反射率更加接近于真实值，更能反应作物的生长信息。通过主机面板10上的按键输入，分别将作物的这些农学指标信息在液晶显示屏11上显示，并存储在外部存储模块中。

如图2，是720nm发射光管（2）、810nm发射光管（7）截面示意图，由保护玻璃22、聚光柱面镜23和特定波长发光二极管24组成；保护玻璃22起到物理保护作用，聚光柱面镜23将发光二极管24发射的散射光聚成宽度很窄的平行光，720nm波长发射管内部的特定波长发光二极管的中心频率为720nm，810nm波长发射管内部的特定波长发光二极管的中心频率为810nm。720nm发射光管（2）、810nm发射光管（7）内部各部件的布局参数与尺寸大小均经过严格计算所得，在所设计的测量距离之间，能保证两组发射光管2，7发射的光照射在同一株作物冠层。

如图3，是反射光管截面示意图，由保护玻璃25，窄带干涉滤光片26，圆形聚光透镜27和光电传感器28组成；保护玻璃25起到物理保护作用，在720nm反射光管4与810nm反射光管6中窄带干涉滤光片26分别采用中心波长位于720nm和810nm，窄带干涉滤光片的带宽为±5nm，光电传感器28采用光电二极管，输出电流信号，抗干扰能力强。720nm反射光管（4）、810nm反射光管（6）内部各部件的布局参数与尺寸大小均经过严格计算所得，满足测量要求。

如图4，单机微处理器模块控制编码模块发出编码信号，编码输送到光源驱动模块，光源驱动模块随着编码信号点亮、熄灭两个波长LED光源模块。位于两组不同波长光源模块中间同侧的光电传感器接收经过被测作物冠层吸收和散射之后的反射光，将光信号转换为电流信号，电流信号通过T型电阻网络放大电路将微弱电流信号放大并转换为电压信号。模拟的电压信号经过解码模块后，被A/D转换模块转换为数字信号，并传送给单机微处理器模块进行数字信号的处理，得出实时反射率，通过调用固化在单机微处理器模块内部存储器中的模型和算法，计算出被测作物的叶绿素含量、植被归一化指数（NDVI）、叶面积指数、叶干重、氮含量、氮积累量、净光合速率、蒸腾速率和叶温等农学指标信息，通过键盘按键输入，分别将作物的这些农学指标信息在液晶显示屏11上显示，并存储在外部存储模块中。所述电池供电模块向整个装置供电。

为了使本发明获得更高的灵敏度和准确度，以及更高的信噪比，光电传感器模块可以与微弱信号放大器集成在一起，采用具有前置放大功能的光电探测器，可以是集成前置放大器的硅光电池，光电倍增管，雪崩光电二极管等，单机微处理器模块可以采用数字信号处理器DSP，现场可编程门阵列FPGA、CPLD，高级精简指令嵌入式微机ARM等。

Claims (8)

1.一种基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，其特征是包括光源系统、光谱信号采集系统和主机系统，其中光源系统的前端连接主机系统，光源系统的后端连接光谱信号采集系统，光谱信号采集系统的后端连接主机系统，主机系统的后端连接光源系统；所述光源系统包括光谱信号发生部件和外壳；其中所述光谱信号发送部件由六个发射光管和内部管座构成，六个发射光管分成两组，每三个发射光管一组，每组发射光管与主机系统的编码模块连接；所述内部管座用于固定六个发射光管；所述发射光管包括保护玻璃、条形柱面镜和发光二极管队列，并依次排列；其中所述发光二极管队列由若干个中心波长为720nm和810nm发光二极管排列，呈长方形，出射光斑呈条形，光源出射角为45°；所述条形柱面镜长54mm，宽10mm，距离发光二极管队列9mm。

2.根据权利要求1所述的基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，其特征是所述光谱信号采集系统包括光谱信号采集部件和外壳；其中所述光谱信号采集部件由若干个反射光管和管座组成，并嵌入主机系统下方，位于两组发射光管中间位置；所述反射光管等分为两组，每组反射光管与主机上的解码模块连接；所述管座用于固定反射光管。

3.根据权利要求2所述的基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，其特征是所述反射光管包括保护玻璃、特定中心波长窄带干涉滤光片、圆形凸透镜和光电传感器，并依次排列；其中所述滤光片的中心波长为720nm和810nm；所述圆形凸透镜，直径为6mm，焦距为3mm；所述光电传感器位于圆形凸透镜焦平面。

4.根据权利要求1所述的基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，其特征是所述主机系统由外壳、硬件系统和软件系统构成；其中，所述硬件系统由编码模块、光源驱动模块、两波长LED光源、微弱信号放大模块、解码模块、A/D转换模块、单机微处理器模块、外部存储器模块、液晶显示模块、键盘输入模块和电池供电模块组成；且所述编码模块的前端是单机微处理器模块，后端是光源驱动模块；所述解码模块的后端是A/D转换模块，A/D转换模块的后端是微处理器模块；所述外部存储器模块与单机微处理器模块相连；所述显示模块与微处理器模块相连；所述键盘输入模块与微处理器模块相连；所述电池供电模块向整个装置供电。

5.根据权利要求4所述的基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，其特征是所述光源驱动模块后端是光谱信号发送部件中的发光二极管，所述解码模块的前端是光谱采集部件中的光电传感器。

6.根据权利要求4所述的基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，其特征在于：光源系统由特定波长发光二极管阵列、聚光柱面镜和保护玻璃构成； 特定波长发光二极管经聚光柱面镜聚光，使出射光线成条形照射在作物冠层叶片上，保护玻璃用于保护光源系统免受物理和化学损坏。

7.根据权利要求4所述的基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，其特征在于：所述光谱信号采集系统由保护玻璃、窄带干涉滤光片、圆形聚光透镜和光电传感器组成；作物冠层叶片吸收和散射之后的反射光通过滤光片去除其他波段的干扰光，聚光透镜提高探测器接收的光照强度，光电探测器的光谱响应范围在400nm～1100nm，保护玻璃用于保护光源系统免受物理和化学损坏。

8.根据权利要求4所述的基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪，其特征在于：所述基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪还包括外部设备，所述外部设备由外部存储器模块、键盘输入模块、液晶显示模块和电池供电模块组成；外部存储器用于存储监测的作物冠层光谱反射率，键盘输入模块用与液晶显示模块构成人性化的人机交互界面，电池供电模块向整个装置供电。