CN103759839B - 远红外叶片表面温度参数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种远红外叶片表面温度参数测量装置，其包括测量节点和手持监测设备；测量节点包括测温模块、第一通讯模块、电源模块、数据存储模块和现场监视模块；所述手持监测设备内设置有中央处理器、第二通讯模块；测温模块包括环境温度测量探头、叶表面温度远红外测量探头和调理电路；所述测量节点和手持监测设备通讯连接。本发明针对叶片表面温度测量特点，提出采用特殊远红外波段测量叶片表面温度的方法，并给出相应电压‑温度转换模型公式；并将递推中位值平均滤波算法应用到该传感器的输出平滑处理中；提出了一种新的叶片表面温度自校正计算模型并给出计算公式，依据实验确定相关参数范围，最终提高了叶片表面温度测量准确性和可靠性。

Description

远红外叶片表面温度参数测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于精细农业技术领域领域，具体涉及温度传感与监测的装置及测量方法。

背景技术

植物叶面作为一个独立的微环境域，与作物的生长关系密切。国内外研究学者对影响作物生长的各种气象条件展开了大量研究，发现植物病害的发生流行是植物、有害生物、气象条件、栽培管理措施综合作用的结果，其中气象条件是决定有害生物发生流行的关键因素。研究分析叶面微环境域小气候更能精准的反映植物本身的生长状况，分析研究叶面微气候比采用常规大环境参数对分析作物病害、土壤墒情等有更重要意义。

叶片表面温度参数是微环境参数的最主要组成部分之一，通过对叶片表面温度的分析，可为作物病害的预测与防治决策提供可靠依据。叶面温度也能间接反映植物蒸腾作用大小以及土壤水分盈缺，通过对活体叶片温度指标监测指导灌溉比使用单纯土壤水分传感器指标更具有实际意义。

现有的叶片表面温度参数测量技术包括：

（1）中国计量学院李东升等公布了一种基于Pt100接触式叶片表面温度测量仪发明（CN101852654A），该测量仪外形小巧，经过校准测量精度较高，对单株作物测量效果较好。但是该测量仪需要将温度探头固定在叶片表面上，系手持式测量，人工记录数据，无法对区域地块进行多点实时监测。由于时间的不同步性，无法得到同一时刻区域性叶表面温度分布图，且需要大量人力。

（2）美国Raytek公司推出的MT系列单色红外测温仪，其测温原理基于将物体发射的红外线辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可以确定物体的温度。该类型测温仪便携性更高，响应速度快，无接触式探头热平衡与热交换过程，价格低廉，但是该仪器探头红外敏感波段较宽，测温范围从-18℃到1000℃，其对中低温段测量误差较大，不适合常温段叶片表面温度的测量。

（3）澳洲新仪器公司推出的SIR2000双色红外测温枪，其测温原理是测量物体在两个不同光谱范围内发出的红外辐射能量并由这两个辐射能量之比计算出物体的温度。相比单色测温仪，其精度大大提高，且不受仪器与目标之间遮挡、烟雾、水汽、灰尘影响。但其测温范围起点特别高，一般适用于钢铁冶金锻造在线测温，对低温段响应不好，同时仪器价格也特别昂贵。基本不适用于农田作物叶表面温度监测。

综合国内外发明及商用化产品发现，大部分产品并非为农作物监测专用设计，接触式测温产品反应慢且需要固定，不适用于大田分布式测量；单色或双色测温产品，由于是通用型测温仪器，其探头敏感波段较宽测温范围太大，对低温测量响应不好。

发明内容

针对叶片表面温度测量的要求，本发明提出了一种利用12μm远红外波长专门测量叶片表面温度的方法，并设计了相应的分布式测量装置。既避免了接触式测温方法的不便，又避免了宽谱红外测温对常温测量精度不高的缺点。

本发明的第一个目的是提出一种远红外叶片表面温度参数测量装置。

本发明的第二个目的是提出一种远红外叶片表面温度参数测量方法。

实现本发明目的的技术方案为：

一种远红外叶片表面温度参数测量装置，包括测量节点和手持监测设备；

所述测量节点包括测温模块、具有自组网通讯功能的第一通讯模块、电源模块、数据存储模块和现场监视模块；

所述手持监测设备内设置有中央处理器、具有自组网通讯功能和GPRS方式远程通讯功能的第二通讯模块；

所述测温模块包括环境温度测量探头、叶表面温度远红外测量探头和调理电路；

所述电源模块包括系统电源转换模块和太阳能供电模块；所述电源模块分别连接现场监视模块、第一通讯模块、数据存储模块、通过调理电路分别连接环境温度测量探头和叶表面温度远红外测量探头；

所述第一通讯模块通过调理电路分别与环境温度测量探头和叶表面温度远红外测量探头连接；所述现场监视模块通过调理电路分别与环境温度测量探头和叶表面温度远红外测量探头连接；

为了使得数据的存储方便快捷，所述数据存储模块采用U盘进行存储；所述现场监视模块包括LCD液晶显示器件和控制驱动接口；

所述测量节点和手持监测设备采用ZigBee通讯协议通讯连接。其中，第一通讯模块和第二通讯模块采用ZigBee通讯协议，该协议基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，可在多个测量节点之间实现短距离、低功耗数据无线通讯，满足了野外分布式、低功耗、自组网的测量需求。并将叶面温度传感器所获取的数据汇聚于手持监测设备。

第二通讯模块包含测量节点自组网通讯和远程通讯功能，组装在手持监测设备内，其中，与测量节点通讯采用ZigBee通讯协议，汇聚多个测量节点的测量数据。远程通讯采用GPRS传输方式，不改变采集数据包格式实现无线透明传输，发送至远程服务器端。最终可在服务器端，实现数据的实时测量、显示、记录、分析等功能。

所述现场监视模块包括LCD液晶显示器件和控制驱动接口组成，该模块具有数据实时接收、显示、曲线分析和控制指令发送等功能，且具有省电模式，即通过系统监测数据通讯请求，无通讯请求时关闭系统，在接收到系统通讯请求并需要现场实时监测时启动；

其中，所述环境温度测量探头为接触式热电阻传感器，用于精确测量测量节点周围环境温度，进而为目标叶片温度计算提供补偿参考值。

所述叶表面温度远红外测量探头（目标叶片温度探头）采用12μm波长敏感远红外光电传感器，其将热辐射能量转化成模拟电压输出。传感器配有专用光学滤镜和滤光片、集成信号处理电路，传感器可以配置成不同状态。

为了提高温度测量模块工作稳定性和测量精度，本发明设计了调理电路，所述调理电路为1mA恒流源调理电路。

其中，所述电源转换模块采用多级电源转换解决野外调试过程中各种不同电压等级电源匹配问题。电源变压等级由12V-5V-3.3V三级组成，兼容锂电池和蓄电池。在野外供电情况下，多级电源备用可提高设备的野外待机能力。此外，采用太阳能供电模块来保证大田条件下系统的持续供电。为防止电池过充过放，采用电池管理芯片设计充电控制电路。

一种远红外叶片表面温度参数测量方法，其包括步骤：

S1选用对12μm波长敏感的光电传感器，针对该光电传感器的模拟电压输出值，应用递推中位值平均滤波算法改善其输出稳定性；

S2采用-20℃-60℃下的电压-温度转换模型将滤波后的电压值转变成温度值；

S3使用补偿算法，提高叶片表面温度值的计算精度。

其中，所述步骤S1的递推中位值平均滤波算法为：

1）把连续n个采样值看作一个数据队列，队列长度固定为N；

2）每次采样到一个新数据放入队首，并扔掉原来队尾的一个数据；（先进先出原则）。

3）把队列中的n个数据先去掉一个最大值和一个最小值，然后计算n-2个数据的平均值；

设U₀为传感器最新采样值。原数据队列中有U₁，U₂……U_n共n个采样值，其中U_min为n个采样值中的最小值，U_max为n个采样值中的最大值，为该数据队列的平均值，为滤波计算后的输出值，则

当U_n≠U_min且U_n≠U_max时

当U_n=U_max时

U′_max=U_max(U₀,U₁,...,U_n-1) （3）

当U_n=U_min时

U′_min=U_min(U₀,U₁,...,U_n-1) （5）

所述步骤S2中，传感器输出经滤波平滑后得到的仍是模拟电压值，需要合适的模型将其转换成温度值。本发明使用精密标准温度控制室进行标定校正，给出-20℃-60℃下电压-温度转换模型，计算公式为：

电压-温度转换模型获得的温度值是在实验室环境下取得，但是在野外应用过程中，基于大量田间实验数据统计，真实的叶面温度仍受外界环境变化影响，且传感器在不同外界环境温度下输出性能也略有差异，为进一步提高叶片表面温度测量准确度，引入环境温度参量后经推演得出了叶片表面温度校正计算模型。因此步骤S3中，对电压-温度转换模型获得的温度值进行以下计算：

式(7)中，T代表最终计算温度，代表经电压-温度转换后的目标温度值，T_amb代表环境温度，由测量节点上环境温度传感器检测提供，参数α、β、γ代表在不同环境温度范围计算温度的校正参数，参数a、b、c、d代表不同温度区间阈值上下限。当环境温度确定时，根据其所在温度区间，套用不同计算参数模型。经过大量玉米地实验，并依据普通作物生长习性确定测量的低温区、常温区、高温区。确定分界阈值参数为a=-10,b=10，c=30,d=50，当环境温度低于-10℃或高于50℃时，普通作物叶片基本已落下或进入生长不正常状态，本模型主要适用于大多数作物的正常生长温度范围。

对于α、β、γ三个参数的确定则采用标准仪器实地采样匹配计算方法。在常温区间，使用标准仪器和本发明所研制测量仪实地连续监测作物（玉米）叶片温度值，在获得大量数据的基础上进行数据拟合运算和统计学分析。在低温或高温区间则在实验室内控温模拟环境温度，然后使用标准仪器和本发明所研制测量仪连续监测叶片表面温度值，在获得大量数据的基础上进行数据拟合运算和统计学分析。根据历史数据拟合表明，α取值在0.1～0.15之间，低温下植物呼吸作用较强实际温度略高于测量温度；β取值在0.1～0.2之间，常温状态下叶片温度蒸腾增强且受环境温度影响，测量值与真实值接近；γ取值在0.45～0.5之间，高温下，植物蒸腾较强，造成叶面实际温度较测量值略低。仪器使用时可以先进行仪器自校准，根据环境参数自动选择典型值进行模型计算，也可以根据推荐值手动输入相应参数。

本发明所述的测量方法，针对于野外单点测量即时显示工作（现场单一采集模式工作流程），优选包括步骤：

1)将温度探头对准叶片表面，二者距离在5cm以内，开启电源模块；

2)打开测量节点开关，电源指示灯亮；

3)开启LCD液晶显示器件，屏幕初始化，可显示“中国农业大学精细农业研究中心植物叶片表面温度参数检测仪”；

4）绘制显示温度曲线

界面点击“参数测量”软件界面显示植物叶片表面温度；点击“曲线绘制”，直接绘制温度曲线；曲线绘制过程中可以暂停，暂停后可以继续曲线绘制。

5）插入U盘后，点击“U盘存储”按钮，显示“是否保存”，点“是”即可等待存储完毕。

多点测量时（多点区域式采集工作流程），优选包括步骤：

1)将测量节点分布式布置在待测量区域，温度探头对准植株叶片表面，探头与叶面距离在5cm内，开启电源模块；

2)测量节点布置完毕，开启手持监测设备，等待初始化；

3)测量节点自动和手持监测设备组网通讯；

4)手持监测设备上点击“开始采集”；

5)软件自动采集各测量节点叶片表面温度数据参数，点击“保存”可自动存储于手持监测设备。

所得数据还可以远程发送及存储：

6)点击“远程发送”将数据通过GPRS发送至远程主机；

7)插入U盘后，点击“U盘存储”按钮，显示“是否保存”，点“是”即可等待存储完毕。

本发明的有益效果在于：

1）针对叶片表面温度测量特点，本发明提出了采用12μm特殊远红外波段测量叶片表面温度的方法，并给出相应“电压-温度转换”模型公式；

2）选用了一种12μm波段敏感的专用远红外光电传感器，并将“递推中位值平均滤波”算法应用到该传感器的输出平滑处理中；

3）提出了一种新的叶片表面温度自校正计算模型并给出计算公式，依据实验确定相关参数范围，最终提高了叶片表面温度测量准确性和可靠性。

4）针对植物叶片本身测量特点，本发明设计了一种便携两用式特定波长远红外叶表面温度测量系统，并将温度计算模型嵌入。该系统实现了单点移动测量实时显示与分布式区域测量。

附图说明

图1为滤波前和滤波后输出电压的比较图；

图2为电压-温度转换模型的关联曲线；

图3为叶面温度值计算流程图；

图4为本发明远红外叶片表面温度参数测量装置结构图；

图5本发明远红外叶片表面温度参数测量装置中各模块的关系示意图；

图6为1mA恒流源电路图；

图7为太阳能充电控制电路图。

具体实施方式

现以以下实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中使用的手段，如无特别说明，均使用本领域常规的手段。

实施例采样地点为中国农业大学上庄实验站，针对的作物为玉米。

实施例1：

参见图4，一种远红外叶片表面温度参数测量装置，其包括测量节点和手持监测设备；

所述测量节点包括测温模块、第一通讯模块1、电源模块、数据存储模块和现场监视模块；

所述手持监测设备包括具有数据运算处理功能的中央处理器、第二通讯模块2；所述测温模块包括环境温度测量探头、叶表面温度远红外测量探头和调理电路；

第一通讯模块1包含测量节点自组网通讯功能，组装在测量节点内部，该模块采用ZigBee通讯协议；其中，自组网通讯采用ZigBee通讯协议，它基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议；

第二通讯模块2包含测量节点自组网通讯和远程通讯功能，组装在手持监测设备内，与测量节点通讯采用ZigBee通讯协议，远程通讯采用GPRS传输方式；

所述电源模块包括系统电源转换模块和太阳能供电模块；数据存储模块采用U盘进行存储；所述电源模块分别连接现场监视模块、第一通讯模块1、通过调理电路分别连接环境温度测量探头和叶表面温度远红外测量探头；调理电路为1mA恒流源调理电路，其电路图如图6所示。

现场监视模块包括LCD液晶显示器件和控制驱动接口组成，

第一通讯模块1通过调理电路分别与环境温度测量探头和叶表面温度远红外测量探头连接；现场监视模块通过调理电路分别与环境温度测量探头和叶表面温度远红外测量探头连接。

其中，所述环境温度测量探头为接触式热电阻传感器，用于精确测量测量节点周围环境温度，进而为目标叶片温度计算提供补偿参考值。

目标叶片温度探头采用PerkinElmer公司A2TPMI系列传感器。

其中，所述电源转换模块采用多级电源转换解决野外调试过程中各种不同电压等级电源匹配问题。电源变压等级由12V-5V-3.3V三级组成，兼容锂电池和蓄电池。为防止电池过充过放，采用电池管理芯片设计，其充电控制电路如图7所示。

叶片表面温度参数的测量包括步骤：

S1选用对12μm波长敏感的光电传感器，针对该光电传感器的模拟电压输出值，应用递推中位值平均滤波算法改善其输出稳定性（滤波比较见图1）；

S2采用-20℃-60℃下的电压-温度转换模型将滤波后的电压值转变成温度值（表1、图2）；

表1：电压-温度转换数值

S3使用补偿算法，提高叶片表面温度值的计算精度，结果见表2-表4（表2-表4内单位为℃）。由温度校正计算式（7），a=-10,b=10，c=30,d=50。三个区间段，涵盖了低温区、中常温区，高温区。

α取值在0.1～0.15之间，低温下植物呼吸作用较强实际温度略高于测量温度；

β取值在0.1～0.2之间，常温状态下叶片温度蒸腾增强且受环境温度影响，测量值与真实值接近；

γ取值在0.45～0.5之间，高温下，植物蒸腾较强，造成叶面实际温度较测量值略低。

本实施例中（为方便计算和体现差异，和T_amb均取整数）

表2：环境温度在-10℃到10℃，低温范围

表3：环境温度在10℃到30℃，中温范围

表4：环境温度在30℃到50℃，高温范围

实施例2：单点采样

1)将温度探头对准叶片表面，二者距离在5cm以内，开启电源模块；

2)打开测量节点开关，电源指示灯亮；

3)开启LCD液晶显示器件，屏幕初始化，显示“中国农业大学精细农业研究中心植物叶片表面温度参数检测仪”；

4）绘制显示温度曲线

界面点击“参数测量”软件界面显示植物叶片表面温度；点击“曲线绘制”，直接绘制温度曲线；曲线绘制过程中可以暂停，暂停后可以继续曲线绘制。

5）插入U盘后，点击“U盘存储”按钮，显示“是否保存”，点“是”即可等待存储完毕。

实施例3：

以多点采样为例。

1)将测量节点分布式布置在待测量区域，温度探头对准植株叶片表面，探头与叶面距离在5cm内，开启电源模块；

2)测量节点布置完毕，开启手持监测设备，等待初始化；

3)测量节点自动和手持监测设备组网通讯；

4)手持监测设备点击“开始采集”；

5)软件自动采集各测量节点叶片表面温度数据参数，点击“保存”可自动存储于手持监测设备；

6)点击“远程发送”将数据通过GPRS发送至远程主机；

7)插入U盘后，点击“U盘存储”按钮，显示“是否保存”，点“是”即可等待存储完毕。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种远红外叶片表面温度参数测量方法，采用的远红外叶片表面温度参数测量装置包括测量节点和手持监测设备；

所述测量节点包括测温模块、具有自组网通讯功能的第一通讯模块、电源模块、数据存储模块和现场监视模块；

所述手持监测设备内设置有中央处理器、具有自组网通讯功能和GPRS方式远程通讯功能的第二通讯模块；

所述测温模块包括环境温度测量探头、叶表面温度远红外测量探头和调理电路；

所述电源模块包括系统电源转换模块和太阳能供电模块；所述电源模块分别连接现场监视模块、第一通讯模块、数据存储模块、通过调理电路分别连接环境温度测量探头和叶表面温度远红外测量探头；

所述第一通讯模块通过调理电路分别与环境温度测量探头和叶表面温度远红外测量探头连接；所述现场监视模块通过调理电路分别与环境温度测量探头和叶表面温度远红外测量探头连接；

所述数据存储模块采用U盘进行存储；所述现场监视模块包括LCD液晶显示器件和控制驱动接口；

所述测量节点和手持监测设备采用ZigBee通讯协议通讯连接；

其中，所述环境温度测量探头为接触式热电阻传感器；所述叶表面温度远红外测量探头采用12μm波长敏感远红外光电传感器，其将热辐射能量转化成模拟电压输出；

所述测量方法包括步骤：

S1选用对12μm波长敏感的光电传感器，针对该光电传感器的模拟电压输出值，应用递推中位值平均滤波算法改善其输出稳定性，所述递推中位值平均滤波算法为：

1)把连续n个采样值看作一个数据队列，队列长度固定为N；

2)每次采样到一个新数据放入队首，并扔掉原来队尾的一个数据；

3)把队列中的n个数据先去掉一个最大值和一个最小值，然后计算n-2个数据的平均值；

设U₀为传感器最新采样值，原数据队列中有U₁，U₂……U_n共n个采样值，其中U_min为n个采样值中的最小值，U_max为n个采样值中的最大值，为该数据队列的平均值，为滤波计算后的输出值，则

当U_n≠U_min且U_n≠U_max时,

当U_n＝U_max时,

U′_max＝U_max(U₀,U₁,...,U_n-1) (3)

当U_n＝U_min时

U′_min＝U_min(U₀,U₁,...,U_n-1) (5)

S2采用-20℃至60℃下的电压-温度转换模型将滤波后的电压值转变成温度值；

S3使用补偿算法，提高叶片表面温度值的计算精度。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述调理电路为1mA恒流源调理电路。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述电源转换模块采用多级电源转换，电源变压等级由12V-5V-3.3V三级组成。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S2传感器输出经滤波平滑后得到的模拟电压值采用模型转换成温度值，经使用精密标准温度控制室进行标定校正，给出-20℃至60℃下电压-温度转换模型，计算公式为：

代表经电压-温度转换后的目标温度值。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤S3中，对电压-温度转换模型获得的温度值进行以下计算：

式(7)中，T代表最终计算温度，参数α、β、γ代表在不同环境温度范围计算温度的校正参数，参数a、b、c、d代表不同温度区间阈值上下限，T_amb代表环境温度。

6.根据权利要求1-5任一所述的测量方法，其特征在于，包括步骤：

1)将温度探头对准叶片表面，二者距离在5cm以内，开启电源模块；

2)打开测量节点开关，电源指示灯亮；

3)开启LCD液晶显示器件，屏幕初始化；

4)测量节点采用ZigBee通讯协议向第二通讯模块传输数据，绘制显示温度曲线。

7.根据权利要求1-5任一所述的测量方法，其特征在于，包括步骤：

1)将测量节点分布式布置在待测量区域，温度探头对准植株叶片表面，探头与叶面距离在5cm内，开启电源模块；

2)测量节点布置完毕，开启手持监测设备，等待初始化；

3)测量节点采用ZigBee通讯协议和手持监测设备组网通讯；

4)手持监测设备点击“开始采集”；

5)软件自动采集各测量节点叶片表面温度数据参数，点击“保存”可自动存储于手持监测设备。