CN102735622A - 一种油菜冠层信息光谱检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油菜冠层信息光谱检测仪，包括光谱探测头和用于接收和处理所述光谱探测头输出信号的MCU，所述MCU还分别连接有指令输入单元、显示单元、存储单元、无线收发单元。本发明结构简单，易于操作，检测精度高、性能可靠、可实现快速、无损测定植物养分信息，可实现大规模数字化管理，且成本低，适用于农业物联网大面积推广使用。

Description

一种油菜冠层信息光谱检测仪

技术领域

本发明涉及一种植物信息光谱检测的测量仪器，尤其涉及一种用于油菜冠层信息光谱检测的测量仪器。

背景技术

植物叶绿素、全氮含量是植物营养的主要组成部分，是植物光合作用有关的最重要的因素，叶绿素是所有能转化为植物营养光合作用的生物体，全氮是植物必需的营养元素之一，是氨基酸、蛋白质、生物碱、核酸和叶绿素等物质的主要组成成分。它们的含量可以直接或间接地反应植物的生命体征，研究和检测这些参数在植物中的含量具有重要意义。

太阳光投射到作物冠层叶片后产生的反射包括菲涅尔反射和漫反射。菲涅尔反射光没有负载叶片内部结构和组分信息。光学系统应消减该反射光对监测的影响。漫反射光负载了叶片内部结构和组分信息，能够用于作物生长指标监测，是研制无损监测仪光学系统的理论基础。

公开号为CN2864669Y的实用新型专利，公开了一种基于近红外光谱的植物生长信息获取装置。近红外发光二极管光源固定检测台内，检测台与上检测器转臂连接，上、下检测器转臂铰接；光纤的出射端与光电传感器的输入端连接；光电传感器固定在检测控制器内，光电传感器的输出端与放大器的输入端连接。它直接对植物叶片表面进行植物生长信息检测，并通过带有温度校正的植物生长信息定标模型进行校正，减少了外界温度对检测结果的影响；采用检测器和密闭橡皮，形成检测暗室，避免外界光源的干扰，提高检测进度和检测速度，适合现场植物生长信息采集。

公开号为CN101625314A的发明专利，公开了一种高等植物生化参数非接触监测装置，用于在无人照料的环境中，对植物干成水平的叶绿素，水分，氮素等进行无损自动实时检测。该发明采用了可见/近红外光谱分析技术，对植物本身进行检测，可以实现精细控制；采用独特的光源及采样探头一体化设计，实现了无人照，非接触采样，降低了装置功耗；通过光纤技术，将采样器件与主机分离，实现了远距离测量；采用可调恒流驱动电路，实现在测量参考信号和叶片信号时光源发出不同的光照强度，保证探测器始终可以高灵敏度响应，解决了光电探测器检测范围有限的问题，提高了仪器的信噪比，确保仪器的测量精度。

现有技术的不足是无法实现快速、精确、无损测定植物养分信息，也不便于大规模农田作物养分信息检测和管理。

发明内容

本发明公开了一种油菜冠层信息光谱检测方法的测量仪器，解决了现有技术无法实现快速、精确、无损测定植物养分信息，也不便于大规模农田作物养分信息检测和管理的问题。

一种油菜冠层信息光谱检测仪，包括光谱探测头和用于接收和处理所述光谱探测头输出信号的MCU，所述MCU还分别连接有指令输入单元、显示单元、存储单元及无线收发单元。

所述的光谱探测头包括在光路上依次布置的光谱检测信息通道、滤光片、光电传感器，以及与所述光电传感器电路连接的DSP处理器。

所述的DSP处理器与MCU之间通过接口电路相连。

所述的光电传感器电路和DSP处理器之间设有用于对所述光电传感器的输出信号进行调理与放大的预处理单元。

所述的DSP处理器连接无线传输模块，作为优选，所述无线传输模块可选用LEA低功耗无线传输模块，便于使光谱探测头在农业物联网中实时采集信息，并进行无线信号的传送。

作为优选，所述的DSP处理器连接有GPS定位模块，可获得当前检测所在区域，连同对应的检测信号一并发送至上位机，使用者可获知指定区域内植物生长信息。

所述的光电传感器至少包括两部分感光区域，一部分接收来自所述滤光片的透射光，另一部分直接接收太阳光。直接接收太阳光可进行光强校正，提高测试精度的准确性，消除日光变化对测试的影响。

所述的MCU上设有用于连接上位机的RS232通信接口，用于将从光谱探测头接收到的信息传送到上位机进行进一步的分析。

所述的DSP处理器与MCU之间的接口电路可以使用RS485通信接口或12C通信接口。

所述指令输入单元为键盘形式或触摸屏等，方便管理人员指令操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明油菜冠层信息光谱检测仪检测精度高、性能可靠、可实现快速、无损测定植物养分信息，且可实现大规模数字化管理。

(2)本发明油菜冠层信息光谱检测仪结构简单，易于操作，且测量办法对作物生长无影响，可实时动态扫描。

(3)本发明油菜冠层信息光谱检测仪成本低，适用于农业物联网大面积推广使用。

附图说明

图1为本发明中油菜冠层信息光谱检测仪的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种油菜冠层信息光谱检测仪，包括光谱探测头和用于接收和处理所述光谱探测头输出信号的MCU。

光谱探测头包括在光路上依次布置的光谱检测信息通道、滤光片、光电传感器，以及与所述光电传感器电路连接的DSP处理器，DSP处理器与MCU之间通过接口电路相连，光电传感器电路和DSP处理器之间设有用于对光电传感器的输出信号进行调理与放大的预处理单元。预处理单元中选用型号为CD4093的信息AD切换通道，型号为AD7705的AD转换设备，DSP处理器选用型号为DSP2812的芯片。

光电传感器包括具有16路感知光谱信息的光谱信息通道和2路太阳光强校正信号通道，其中光谱信息通道的每个通道均配置特定波段的滤光片，滤光片均为窄带滤光，滤光光波波长误差为2nm，校正信号通道不加滤光片，用于感知测量当时的太阳光反射强度，用以校正传感探头对光强的适应性能。

DSP处理器中配置EA低功耗无线传输模块和GPS定位模块，用于农业物联网中采集信号的实时传输。DSP处理器中同时配置了RS485通信接口、FLASH存储芯片、键盘接口。

DSP处理器与MCU之间的接口电路同时支持485标准协议输出和I2C标准协议输出。

MCU连接有LCD显示屏以及与光谱探测头交互的接口电路，同时包括FLASH存储器、时钟芯片、键盘、防止程序进入死循环的看门狗电路、LEA低功耗无线通信接口、用于与上位机连接的RS232通信接口。

在油菜青叶期选择60个小区作为训练样本集，对该小区进行冠层光谱实验，另外先择15个小区作为预测样本集。如图2所示，用本发明设计的油菜冠层信息光谱检测仪对每个小区的油菜冠层进行冠层光谱扫描，太阳光在油菜冠层上反射出的光谱信息先通过16路光谱检测信息通道后，通过聚焦镜光通道将光束聚焦在滤波片中心处，通过滤光片将某特定波段的反射光谱信息传送到光电传感器，经过微弱信号的放大调理及16位AD转换后，获得每个小区油菜冠层光谱数据，并将获得数据传送到MCU中。

MCU通过RS485接口电路与光谱探测头连接，通过键盘的操作，分别执行数据存储、数据查看、命令封装、上位机通信。当执行命令封装时，启动通信协议，进行数据解析与存储，然后通过LCD显示后返回，LEA低功耗无线通信接口接收光谱检测探头中的LEA低功耗无线传输模块中传递的信息，MCU将获得的信息和数据通过RS232通信接口传输到上位机，用于进一步的数据分析。

光谱探测头在不接人接机口设备的情况下，可以单独作为传感器使用。传感探头通过RS485通信接口与人机交换设备相连。RS485通信采用标准MODBUS-RTU通信协议，传感器利用从机通信模式。传感器探头的地址可以通过上位机进行配置。传感器地址编号范围为1-128，即在一条485通讯线路上，最多可挂128个传感探头。探头所采集到的信息存储到D100～D132寄存器内，前16个参数为16波段的反射率值。后16字段为测量值，D116为SPAD值，D117为氮含量值，后面的单元留给二次模型开发和软件二次开发的备用存储单元。因此，使用本发明所设计的光谱探头时，用户只须要按标准MODBUS-RTU通信协议编写主机代码，并从D100～D132中读取相关数据即可。

Claims (8)

1.一种油菜冠层信息光谱检测仪，其特征在于，包括光谱探测头和用于接收和处理所述光谱探测头输出信号的MCU，所述MCU还分别连接有指令输入单元、显示单元、存储单元及无线收发单元。

2.如权利要求1所述的油菜冠层信息光谱检测仪，其特征在于，所述的光谱探测头包括在光路上依次布置的光谱检测信息通道、滤光片、光电传感器，以及与所述光电传感器电路连接的DSP处理器。

3.如权利要求1或2所述的油菜冠层信息光谱检测仪，其特征在于，所述的DSP处理器与MCU之间通过接口电路相连。

4.如权利要求2所述的油菜冠层信息光谱检测仪，其特征在于，所述的光电传感器电路和DSP处理器之间设有用于对所述光电传感器的输出信号进行调理与放大的预处理单元。

5.如权利要求1所述的油菜冠层信息光谱检测仪，其特征在于，所述的DSP处理器连接无线传输模块。

6.如权利要求5所述的油菜冠层信息光谱检测仪，其特征在于，所述的DSP处理器连接有GPS定位模块。

7.如权利要求6所述的油菜冠层信息光谱检测仪，其特征在于，所述的光电传感器至少包括两部分感光区域，一部分接收来自所述滤光片的透射光，另一部分直接接收太阳光。

8.如权利要求7所述的油菜冠层信息光谱检测仪，其特征在于，所述的MCU上设有用于连接上位机的RS232通信接口。

Images