CN103148934B - 基于太阳单波段光量子通量密度模型的检测方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种基于太阳单波段光量子通量密度模型的检测方法与设备，根据检测时间和地理位置计算实时太阳高度角，连续测量一个自然年内不同日期不同时刻可见光总光强与特定波段光强，然后拟合特定波段所占可见光的比例随太阳高度角的变化规律，建立以时间、纬度、波段、可见光总光强为变量的太阳单波段光量子通量密度模型，基于模型、当前时间、纬度和可见光总光强计算得到特定单波段光量子通量密度；本发明还提供了相应的检测设备，可实时检测特定波段光量子通量密度，并实现数据存储分析，本发明可根据不同作物对光谱的吸收特性，确定检测波段范围，针对性强，且检测信息更精确，具有良好的扩展性。

Description

基于太阳单波段光量子通量密度模型的检测方法与设备

技术领域

本发明属于光照强度检测技术领域，特别涉及一种基于太阳单波段光量子通量密度模型的检测方法与设备。

背景技术

光合作用是绿色植物将光能转化为自身化学能的过程，在光合作用研究中，光照检测与控制仍然是一个比较薄弱环节。现阶段的光照检测设备的研究开发主要集中在基于光度学系统(单位为lx)和能量学系统（单位为W/m²）的光照检测设备，光度学系统采用的光照度单位不能很好的反映光照和光合速率之间的关系已经被逐渐放弃；能量学系统由于其不能反映PAR能量和生物产量之间的数量关系，给光合作用的研究带来不便；此外，可见光中除400-700nm波段的光谱外其它特定波段的光谱对植物的生长也具有不可替代的作用。

近年来，现代生物技术特别是光合作用机理的研究为精确光照检测系统提供了定量理论基础，量子学系统的提出，已将光合作用的研究带入了一个新的领域，研究表明植物光合有效辐射光量子通量密度（photo flux density,PFD，单位为μmol/m²s）与参与光化学反应的物质之间具有明确的定量关系，且特定波段光强所占可见光比例受太阳高度角的影响，因此，如何在现有光照传感器基础上实现对植物分波段光量子通量密度的检测已经成为一个急需解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于太阳单波段光量子通量密度模型的检测方法与设备，采用现有可见光光照传感器，通过基于太阳高度角的单波段光量子通量密度算法实现太阳可见光光强和植物分波段光量子通量密度转换，获得PFD数据。系统在采用现有可见光光照传感器的基础上通过软件方式实现对特定波段光量子通量密度的检测，在现有光照传感器的基础上，降低了开发成本，提高了系统的针对性、准确性和可扩展性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于太阳单波段光量子通量密度模型的检测方法，连续测量一个自然年内不同日期不同时刻下的特定波段光强及可见光总光强，得到可见光中特定波段光强所占可见光的比例，再根据检测时间和地理位置与太阳高度角的关系，通过Matlab拟合其随太阳高度角的变化规律，得到不同太阳高度角下特定波段百分比bandper，然后根据公式计算得到特定单波段光量子通量密度，其中，H为太阳高度角， 为纬度；δ为赤纬；ω为太阳实时时角，δ=23.5°sin0.986d，d为检测日与当年春分日间隔日数，ω=(hour-12+min/60)×15°；hour表示测量时间的小时取值，min表示测量时间的分钟取值，测量时间计量采取北京时间24小时制，VL为可见光总光强，h为普朗克常量，c为真空波速；λ为测定波段的平均波长，n为阿伏伽德罗常数。

当可见光中特定波段选择红光时，不同太阳高度角下测定的红光波段百分比为 $\mathrm{redper}=\frac{{73.572H}^{-0.2404}}{100}\×100\%.$

当可见光中特定波段选择蓝光时，不同太阳高度角下测定的蓝光波段百分比为 $\mathrm{blueper}=\frac{3.0067\ln H-0.1382}{100}\×100\%.$

特别地，测量特定波段光强及可见光总光强的方法是：在一个自然年内的不同日期，每天自8:00-17:30，每隔半个小时测量一次特定波段光强及可见光总光强，得到可见光中特定波段所占可见光的比例。

本发明还提供了一种基于太阳单波段光量子通量密度模型的检测设备，包括：

传感器模块，用于检测环境太阳可见光实时光强信息；

用户交互模块，用于设置系统时间和检测波段，并通过液晶屏显示环境实时信息；

核心处理器模块，以STC12C5A60S2单片机为核心处理器，用以实现所述方法中的计算步骤；

时钟模块，用于系统时间的获取。

SD卡模块，对光照传感器采集的信息和输出光量子通量密度数据进行实时存储；

GPS模块，用于获得所在地实时精准的纬度信息，实现太阳高度角计算相关因子的获取；

电源模块，用于对整个系统供电。

其中所述传感器模块为可见光数字光照传感器。

本发明根据系统时间和纬度计算太阳高度角，结合环境实时光照强度实现特定波段PFD数据精确采集，与现有技术相比具有以下特点：

（1）针对性强，本系统采用软件方式实现可见光辐射能通量和定波段PFD的转换，可根据不同作物光谱吸收特性，检测特定波段PFD数据；

（2）检测精确高，系统采用量子学系统作为计量单位，与参与光合反应的物质之间具有明确的定量关系，且引入太阳高度角对自然光光谱的影响，采用GPS获取精确纬度信息，实验数据更加可靠；

（3）扩展性强，本系统加入SD卡模块，实现数据的实时存储与分析，系统可应用于光合作用的研究和植物光环境调控等领域。

附图说明

图1是本发明系统原理图。

图2是本发明系统工作总流程图。

图3是本发明特定单波段光量子通量密度计算流程图。

图4是本发明实施例中红光占可见光比例与太阳高度角对应关系的拟合曲线。

图5是本发明实施例中蓝光占可见光比例与太阳高度角对应关系的拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，为本发明系统原理图，包括电源模块、传感器模块块、以STC12C5A60S2单片机为核心的核心处理器模块、SD卡模块和其他模块。

其中，电源模块外接通用12V适配器为系统供电，通过降压稳压模块和LM1117模块转换得到5V、3.3V两种工作电压为系统供电，其中5V电源直接为单片机、时钟模块和SD卡模块供电，3.3V工作电压为按键、液晶、传感器模块和GPS模块供电。

传感器模块用于检测环境实时可见光光照度，直接将数据传输给单片机，实现光照度的数据采集。植物对光谱的吸收虽大体相同，但仍存在差异，同时自然光中某些特定波段的光谱对特定植物生长具有重要意义，为了提高系统的精确性和可扩展性，实现针对不同植物的光环境检测，本系统采用可见光数字光照传感器，采集光环境可见光光照度并以数字信号传输给单片机，省去A/D转换模块，简化系统电路，检测信号通过I²C总线方式接入，应用分时复用机理有效减少了总线占用空间、电路板空间和管脚使用数目，2路光照传感器数据线接入单片机的P1.6和P1.7口。

核心处理器模块采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理器，内部集成MAX810专用复位电路，具有4个16位定时器、8路10位精度A/D转换、56K Flash存储空间、1280字节RAM，能够满足数据采集、系统设定、智能控制等工作，为系统的功能实现提供了基础和保障。其中P0口与液晶屏的8路数据口连接；P1.0～P1.4与液晶控制端连接；P1.6、P1.7连接光照传感器，读取采集数据；P2.1～P2.3与时钟模块相连；P2.4～P2.7与四个独立键盘连接；P4.0～P4.3与SD卡模块相连。

本系统通过SD卡完成数据采集存储，便于后期数据的整理与分析，由于设备所选用STCl2LE5A60S2单片机具有SPI控制器，因此SD卡数据的读入和存储采用SPI总线方式，使SD卡操作程序得到简化。

系统其他模块包括按键、液晶、GPS模块以及时钟模块。按键模块采用四个独立按键，实现系统时间和检测波段等参数的设定，电路简单，易于控制，且满足使用要求；液晶模块采用OCM12864-3液晶屏，可显示汉字和数字，汉字为16×16点阵，数字为8×16点阵，同时采用并行传输，数据传输速率快，可实现实时显示。GPS模块采用SKG13GPS模块，获取环境精确纬度信息，定位精度在空旷地带为3.0m CEP50；时钟模块采用DS1302时钟芯片，用于系统时间的获取。

系统软件采用模块化设计，包括主程序、传感器解析子程序、分波段PFD计算子程序、SD卡子程序。程序启动后，判断是否初始化，若未初始化系统各模块，否则直接进入系统设置界面，设置系统时间和检测波段，调用GPS子程序读取当前地理纬度信息。系统周期性检测环境光照信息并以数据形式传输给单片机，调用分波段PFD计算子程序将检测光强转化为PFD数据并显示在液晶屏上，通过对SD卡的检测调用SD卡子程序进行数据存储，程序流程图如图2所示。

本发明的核心部分在分波段PFD计算子程序，根据特定波段光谱占可见光比例与太阳高度角拟合关系，以及光量子通量密度与可见光不同波段光强之间的函数关系，得到分波段PFD数据。如图3所示，程序开始运行时首先判断是否为初次或重新上电，若为为初次或重新上电，则读取系统日期和纬度信息并计算其与本年度的春分日间隔日数d；否则将系统日期与上次读取日期比较，如果进入新的一天则d值加1，否则直接利用δ=23.5°sin0.986d计算赤纬。然后根据系统时间计算实时时角ω=(hour-12+min/60)×15°，进而通过得到太阳高度角，基于太阳高度角与特定波段光谱所占比例的统计模型，得到特定波段光谱所占比例，以红光为例 $\mathrm{redper}=\frac{{73.572H}^{-0.2404}}{100}\×100\%,$ 进而计算出特定波段光量子通量密度 $\mathrm{bandPFD}=\frac{\mathrm{\λ}\·\mathrm{VL}\·\mathrm{bandper}}{\mathrm{nhc}}.$

上述分波段PFD计算子程序的一个具体实施例：

首先，在一个自然年内的不同日期，每天自8:00-17:30，每隔半个小时测量一次红光光强、蓝光光强及可见光总光强，再根据检测时间和检测地理位置，以太阳高度角H为横轴，以红光或蓝光占可见光比例为纵坐标，通过Matlab实现红光/蓝光占可见光比例与太阳高度角对应关系的拟合，其中红/蓝光占可见光比例如下表所示，其与太阳高度角对应关系的拟合曲线如图4、图5所示。

根据拟合曲线，不同太阳高度角下测定的红光波段百分比为

$\mathrm{redper}=\frac{{73.572H}^{-0.2404}}{100}\×100\%,$ 蓝光波段百分比为

$\mathrm{blueper}=\frac{3.0067\ln H-0.1382}{100}\×100\%,$ 其余波段光的百分比计算过程类似。

然后根据公式 $\mathrm{bandPFD}=\frac{\mathrm{\λ}\·\mathrm{VL}\·\mathrm{bandper}}{\mathrm{nhc}}$ 计算得到特定单波段光量子通量密度，其中，H为太阳高度角，

为纬度；δ为赤纬；ω为太阳实时时角，δ=23.5°sin0.986d，d为检测日与当年春分日间隔日数，ω=(hour-12+min/60)×15°；hour表示测量时间的小时取值，min表示测量时间的分钟取值，测量时间计量采取北京时间24小时制，VL为可见光总光强，h为普朗克常量，c为真空波速；λ为测定波段的平均波长，n为阿伏伽德罗常数。

测量地点为杨凌：纬度为34.16°、测量日期为2012.11.11

Claims (7)

1.一种基于太阳单波段光量子通量密度模型的检测方法，其特征在于，首先，连续测量一个自然年内不同日期不同时刻可见光总光强与特定波段光强，得到可见光中特定波段所占可见光的比例，再根据检测时间和地理位置与太阳高度角的关系，通过Matlab拟合其随太阳高度角的变化规律，得到不同太阳高度角下特定波段百分比bandper，然后根据公式计算得到特定单波段光量子通量密度，其中，H为太阳高度角，为纬度；δ为赤纬；ω为太阳实时时角，δ＝23.5°sin0.986d，d为检测日与当年春分日间隔日数，ω＝(hour-12+min/60)×15°；hour表示测量时间的小时取值，min表示测量时间的分钟取值，测量时间计量采取北京时间24小时制，VL为可见光总光强，h为普朗克常量，c为真空波速；λ为测定波段的平均波长，n为阿伏伽德罗常数。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，当可见光中特定波段选择红光时，不同太阳高度角下测定的红光波段百分比为

$\mathrm{redper}=\frac{{73.572H}^{-0.2404}}{100}\×100\%.$

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，当可见光中特定波段选择蓝光时，不同太阳高度角下测定的蓝光波段百分比为

$\mathrm{blueper}=\frac{3.0067\ln H-0.1382}{100}\×100\%.$

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，测量特定波段光强及可见光总光强的方法是：在一个自然年内的不同日期，每天自8:00-17:30，每隔半个小时测量一次特定波段光强及可见光总光强，拟合得到可见光中特定波段所占可见光的比例。

5.根据权利要求1或4所述的检测方法，其特征在于，测量多波段分光光谱光强，有效代替分光光谱辐射仪或者多个光照传感器。

6.一种基于太阳单波段光量子通量密度模型的检测设备，其特征在于，包括：

传感器模块，检测环境太阳可见光实时光强信息；

用户交互模块，用于设置系统时间和检测波段，并通过液晶屏显示环境实时信息；

核心处理器模块，以STC12C5A60S2单片机为核心处理器，首先读取系统时间和纬度信息，根据公式计算太阳高度角，其中H为太阳高度角，为纬度；δ为赤纬；ω为太阳实时时角，δ＝23.5°sin0.986d，d为检测日与当年春分日间隔日数，ω＝(hour-12+min/60)×15°；hour表示测量时间的小时取值，min表示测量时间的分钟取值，测量时间计量采取北京时间24小时制；再根据传感器模块测量到的实时太阳可见光总光强，利用拟合得到的特定波段光强占可见光的比例与太阳高度角的关系，得到特定波段百分比bandper，然后根据公式计算得到单波段光量子通量密度，其中，VL为可见光总光强，h为普朗克常量，c为真空波速；λ为测定波段的平均波长，n为阿伏伽德罗常数；

时钟模块，用于系统时间的获取；

GPS模块，用于获得所在地实时精准的纬度信息，实现太阳高度角计算相关因子的获取；

SD卡模块，对光照传感器采集的信息及输出光量子通量密度数据进行实时存储；

电源模块，用于对整个系统供电。

7.根据权利要求6所述的检测设备，其特征在于，所述传感器模块可见光光照传感器。