CN101776580A - 一种便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪 - Google Patents

一种便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪 Download PDF

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陈渝阳
何勇
聂鹏程
杨燕
刘飞
李晓丽
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陈渝阳
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Abstract

本发明公开了一种便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，包括双通道LED光源、光电传感器、信号放大与调整模块、模型处理运算模块、存储模块、LCD显示模块，还可以包括GPS卫星定位信号接收模块、无限传输模块。两特征波段的LED经过对植物叶片进行透射，通过光电传感器的转换采样将信号传送给信号调理电路，信号调理电路将弱信号进行放大滤波并A/D转换成数字信号后传送给单片机运算器进行模型运算，运算的结果和GPS信号接收机接收到的位置信息在LCD屏上显示。本发明的检测光谱仪可用于田间快速、准确、无损地测定出作物的叶绿素、水分、氮素含量情况，并可结合GPS、GIS方便地测量出农田作物养份含量分布情况，实现精细农业作业管理。

Description

一种便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪
技术领域
本发明涉及一种检测光谱仪，尤其涉及一种带GPS定位的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪。
背景技术
根据相关文献可知：在作物生长过程中，叶绿素是植物光合作用的重要生物体，水分含量是植物生长体征的最重要表现，氮素营养诊断是植物营养诊断的核心，是作物施肥、灌溉的重要参考指标。检测植物中的这些养分含量具有极其重要的意义。同时，氮肥是全世界施用量最大的一类化学肥料，也是推荐施肥中最难于准确定量的一种肥料，施肥过少则不利于作物生长，施肥过多则不能全部被植物吸收而浪费资源，根据文献献可知，富余的氮肥还会沉积在土壤里硬化土壤，污染环境。究其原因，主要是由于缺乏能够准确、迅速、经济地判断作物营养状况及确定氮肥需要量的测试方法。长期以来，作物的养分补给均是均匀地按经验补给，较为科学的检测手段也只是将被没样本带回实验室进行生化测验为基础，需要耗费大量的人力、物力，时效性差、且为破坏性检测。即使通过该方法法测出作物氮素营养含量，往往在施肥补肥过程中会在整片农田中均匀补肥。由于在大片农田中的每一小块作物养份含量并不相同，则会导致不仅浪费氮肥，多余的氮肥还会导致环境污染。不利于推广。
发明内容
本发明提供一种能快速、准确、无损地测定出作物的叶绿素、水分、氮素含量并能实现精细管理的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪。
一种便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：包括
(a)双通道LED光源，用作发光光源；
(b)光电传感器，用于将双通道LED光源透射作物的光强信号转换为电信号；
(c)信号放大与调整模块，用于将光电传感器输出的电信号放大、滤波并转换为数字信号；
(d)模型处理运算模块，用于将信号放大与调整模块输出的数字信号进行模型运算，得到叶绿素、水分、氮素含量值；
(e)存储模块，用于储存模型处理运算模块得到的养分含量值；
(f)LCD显示模块，用于显示模型处理运算模块得到的养分含量值。
进一步的技术方案：所述的模型处理运算模块上还连接有GPS卫星定位信号接收模块，用于接收被检作物的地理位置信息。
进一步的技术方案：所述的模型处理运算模块上还连接有无线数据传输模块，用于将测量值或地理位置信息传输到PC机。
进一步的技术方案：所述的双通道LED光源中一个通道采用波长为635nm-645nm的LED发光二极管，另一个采用波长为945nm-955nm的LED发光二极管。波长的选择对叶绿素、水分、氮肥含量的测量有敏感作用。
进一步的技术方案：所述的双通道LED光源中一个通道采用波长为640nm的LED发光二极管，另一个采用波长为950nm的LED发光二极管。
进一步的技术方案：所述的光电传感器采用硅光敏电池。
进一步的技术方案：所述的模型处理运算模块以STC12A5C60S2单片机为核心，利用多元回归分析拟合算法对数据进行处理，建立植物的叶绿素、水分、氮素含量检测模型。
进一步的技术方案：所述的含量检测模型分别为：
叶绿素检测模型为：Vy＝283-1.46·sum1-0.014·sum2；
水分含量检测模型为：Vw＝261-0.763·sum2-0.16·sum1；
氮素检测模型为：Vn＝11.375-0.0087·sm2-0.0157·sum1；
其中Vy、Vw、Vn分别代表叶绿素含量、水分含量和氮素含量，sum1、sum2分别表示从两个波段的透射通道所获取的信号经过信号放大与调理模块后输出的数字信号值。
进一步的技术方案：所述的双通道LED光源与光电传感器正对安装在检测光谱仪的检测夹头上。被检作物的叶片置于光源与光电传感器之间。光电传感器输入的是光透过叶片的透射信号。
进一步的技术方案：所述的检测光谱仪采用电池供电，比较轻便。
本发明与背景技术相比，具有以下特点：
(1)可用于田间快速、准确、无损地测定出作物的叶绿素、水分、氮素含量情况，并可结合GPS、GIS方便地测量出农田作物养份含量分布情况，实现精细农业作业管理。
(2)结构简单，整台测量仪体积小、可做到长15cm，宽8cm，厚3cm。非常便于携带。
(3)使用方便，只要将被测量作物的叶片用测量仪的测量夹子夹一下，就可以自动测量，并自动将所测数据和测试点位置信息自动通过无线发射模块传送给PC机。
(4)具有良好的经济效益，传统的测量手段在取样、测定、数据分析等方面需要耗费大量的人力、物力，且效性差，本测量装置因结构简单、成本低廉，可以快速、准确的测量作物含氮量，分析得到作物的氮元素营养水平，从而实现实时、无损检测油作物氮素营养水平和指导精细农业作业。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式的硬件连接示意图。
图2是本发明检测光谱仪的软件主流程图。
图3是本发明检测光谱仪的GPS串口中断服务程序流程图。
图4是本发明检测光谱仪的硬件系统核心CPU电路设计示意图。
图5a是本发明检测光谱仪的信号采集电路示意图；
图5b是本发明检测光谱仪的信号调理电路示意图；
图5c是本发明检测光谱仪的信号采集高精度基准电源电路示意图；
图5d是本发明检测光谱仪的模数转换通道的选择开关电路示意图。
图6是本发明检测光谱仪的RS232串口转换电路示意图。
图7是本发明检测光谱仪的FLASH数据存储电路示意图。
图8是本发明第一种实施方式所测得的叶绿素含量值。
图9是本发明第一种实施方式所测得的含水量值。
图10是本发明第一种实施方式所测得的氮含量值。
图11是本发明检测光谱仪与SPAD 502检测仪对同一对像所测得的SPAD值对比图。
具体实施方式
实施例1
如附图1所示为本发明的整体框架图，两特征波段的LED经过对植物叶片进行透射，光电传感器将透射作物的光强信号转换为电信号，采样后通过信号通道传送给信号调理电路，信号调理电路将从光电传感器获得的弱信号进行放大并滤波，放大后的信号经过A/D转换成数字信号后传送给单片机运算器进行模型运算。运算的结果和GPS信号接收机接收到的位置信息在LCD屏上显示，操作者可通赤键盘选择测量仪的工作模式，如果存在误差作或电池电量不足则会通过指示灯和报警器报警。
如附图2所示，系统各部件初始化后开放串口中断，系统进入等待测量状态，当测试键按下后，仪器开始采集两LED通道信号，经过软件滤波后进行模型运算，并将运算结果存储并在LCD上显示，GPS串口中断服务程序在每秒钟更新一次GPS定位的位置。当中断服务程序运行时，保存更新过的定位位置信号并送LCD显示。然后通过无线传输模块将该地点的测量值及GPS定位值一同发送给PC机，发送完毕后系统又重新回到等待测量状态。
如附图3所示，系统以中断方式接收GPS信息，并将确定GPS制式，以按相应制式拆分GPS定位信息。将GPS定位信息拆分完出来后对信息进行保存和显示。
如附图4所示，采用STC12C5A60S2芯片作为主控CPU，采用P2口作为数据口，其它IO口用以控制外部电路和FLASH存储器的读写。CPU的双串口的第一个串口用来与PC机通讯和GPS信号接收。第二个串口用来和AD转换芯片进行数据读写和控制。
如附图5所示，系统用AD7705高精度AD转换芯片作为本仪器的AD采样机构，其中以TL431高精度恒流源作为AD基准电压。以TL431构成恒压差分电路来降低传感的非线性度。
如附图6所示为PC机串口通讯的接口，其中RXD1，TXD1接U-BLOX型号的GPS模块。GPS模块检有四脚，其中有两脚分别为电源和地线，电源与地线与系统其它芯片的电源、地线相连。
如附图7所示为仪器的数据存储电路，利用芯片可位操作的IO口串行读写数据，用两个10K电阻拉高电平，以防在读写数据过程中电平减弱而导致误读，误写操作。
采用如上的装置，光电传感器采用硅光敏电池，以STC12A5C60S2单片机为核心，利用叶绿素检测模型为：Vy＝283-1.46·sum1-0.014·sum2；水分含量检测模型为：Vw＝261-0.763·sum2-0.16·sum1；氮素检测模型为：Vn＝11375-0.0087·sm2-0.0157·sum1；其中Vy、Vw、Vn分别代表叶绿素含量、水分含量和氮素含量，sum1、sum2分别表示从两个波段的透射通道所获取的信号经过信号放大与调理模块后输出的数字信号值，双通道LED光源中一个通道采用波长为640nm的LED发光二极管，另一个通道采用波长为950nm的LED发光二极管，测得的数据如图8、图9、图10所示，其中SPAD值是指叶绿素含量值，仪器原始A/D采样值是指采样后，经放大滤波A/D转换后的数字信号。图11为本检测光谱仪与日本美能达公司生产的SPAD 502检测仪对同一对像所测的SPAD值对比图。
实施例2
采用如实施例1所述的装置，采用相同的含量检测模型，双通道LED光源中一个通道采用波长为645nm的LED发光二极管，另一个通道采用波长为945nm的LED发光二极管，同样能检测得到叶绿素含量、水分含量和氮素含量值。
实施例3
采用如实施例1所述的装置，采用相同的含量检测模型，双通道LED光源中一个通道采用波长为635nm的LED发光二极管，另一个通道采用波长为955nm的LED发光二极管，同样能检测得到叶绿素含量、水分含量和氮素含量值。

Claims (10)

1.一种便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：包括
(a)双通道LED光源，用作发光光源；
(b)光电传感器，用于将双通道LED光源透射作物的光强信号转换为电信号；
(c)信号放大与调理模块，用于将光电传感器输出的电信号放大、滤波并转换为数字信号；
(d)模型处理运算模块，用于将信号放大与调整模块输出的数字信号进行模型运算，得到叶绿素、水分、氮素含量值；
(e)存储模块，用于储存模型处理运算模块得到的叶绿素、水分、氮素含量值；
(f)LCD显示模块，用于显示模型处理运算模块得到的叶绿素、水分、氮素含量值。
2.如权利要求1所述的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：所述的模型处理运算模块上还连接有GPS卫星定位信号接收模块，用于接收被检作物的地理位置信息。
3.如权利要求1所述的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：所述的模型处理运算模块上还连接有无线数据传输模块，用于将测量值或地理位置信息传输到PC机。
4.如权利要求1所述的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：所述的双通道LED光源中一个通道采用波长为635nm-645nm的LED发光二极管，另一个通道采用波长为945nm-955nm的LED发光二极管。
5.如权利要求1所述的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：所述的双通道LED光源中一个通道采用波长为640nm的LED发光二极管，另一个通道采用波长为950nm的LED发光二极管。
6.如权利要求1所述的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：所述的光电传感器采用硅光敏电池。
7.如权利要求1所述的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：所述的模型处理运算模块以STC12A5C60S2单片机为核心，利用多元回归分析拟合算法对数据进行处理，建立植物的叶绿素、水分、氮素含量检测模型。
8.如权利要求7所述的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：所述的含量检测模型分别为：
叶绿素检测模型为：Vy＝283-1.46·sum1-0.014·sum2；
水分含量检测模型为：Vw＝261-0.763·sum2-0.16·sum1；
氮素检测模型为：Vn＝11.375-0.0087·sm2-0.0157·sum1；其中Vy、Vw、Vn分别代表叶绿素含量、水分含量和氮素含量，sum1、sum2分别表示从两个波段的透射通道所获取的信号经过信号放大与调理模块后输出的数字信号值。
9.如权利要求1所述的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：所述的双通道LED光源与光电传感器正对安装在检测光谱仪的检测夹头上。
10.如权利要求1所述的便携式双色波谱作物养分含量检测光谱仪，其特征在于：所述的检测光谱仪采用电池供电。
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