CN104457936A - 一种盆栽作物长势动态检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盆栽作物长势动态检测装置，包括检测平台和旋转轴，所述旋转轴的轴底端部安装有旋转电机，所述旋转电机带动所述旋转轴转动；所述旋转轴上部固定有第一悬臂架，所述第一悬臂架的末端安装有激光测距传感器；所述旋转轴下部固定有第二悬臂架，所述旋转轴上还固定有第一步进电机；所述第二悬臂架的末端安装有压力传感器；所述检测平台上设有第二步进电机，所述检测平台上还设有若干底座，本发明通过荷重传感器采集作物重量信息，通过压力传感器、光电编码器和激光测距传感器采集作物茎粗和株高信息，通过信息融合对作物长势信息进行描述，能够提高效率，实现对目标作物生长过程长势动态变化信息的连续监测。

Description

一种盆栽作物长势动态检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种作物长势动态检测装置及其检测方法，适用于盆栽作物技术领域。

背景技术

作物长势信息监测是进行水肥科学决策的重要依据，茎粗、株高和生物量是体现作物长势的重要指标，通过对这些指标的科学检测，能够为作物生长过程中的水肥管理、产量预估提供科学依据。

目前，作物长势检测主要是以人工方式为主，例如在生物量检测过程中需要采收后通过称重方式测量作物在不同生长阶段的生物量，这种取样和测量方法耗时、费力。由于在不同生长阶段生物量测定的样本不是来自同一样本，不同样本之间作物长势的差异会影响作物生物量测定的准确性。申请号为201210078528.1的发明专利申请，公开了一种手持式生物量测定装置及方法，利用压力传感器获取作物形变时产生的回弹力，从而对田间作物的生物量进行探测，该装置适用于田间育种过程中对小地块中小群体农作物生物量的检测，由于检测方式的不同，该装置和方法难以对盆栽作物的个体长势信息进行动态的连续监测。申请号为201210430049.1的发明专利申请，公开了一种作物生长信息检测装置及检测方法，该装置适用于对自然生长的小麦、水稻等每个单株具有多个茎杆的作物进行株高和茎粗的检测，也无法对盆栽作物进行动态连续监测。综上所述，现有的作物长势检测装置和方法由于其自身的局限性，很难对盆栽作物的生物量信息及其动态变化过程进行连续的动态检测，不能满足现代化盆栽作物在规模化生产过程中实现对作物长势进行准实时精确动态监测的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种作物长势动态检测装置和检测方法，实现对盆栽作物的无损动态检测。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种盆栽作物长势动态检测装置，包括检测平台和旋转轴，所述旋转轴的轴底端部安装有旋转电机，所述旋转电机带动所述旋转轴转动；所述旋转轴上部固定有第一悬臂架，所述第一悬臂架的末端安装有激光测距传感器；所述旋转轴下部固定有第二悬臂架，所述旋转轴上还固定有第一步进电机，所述第一步进电机通过齿轮齿条装置带动所述第二悬臂架左右移动；所述第二悬臂架的末端安装有压力传感器；所述检测平台上设有第二步进电机，所述第二步进电机依靠齿轮齿条装置带动所述旋转轴左右移动；所述检测平台上还设有若干底座，所述每个底座上安装有载重传感器，所述底座沿所述旋转轴呈圆形排列。

上述方案中，所述第一步进电机上还安装光电编码器，所述光电编码器通过检测所述第一步进电机的旋转圈数来测定第二悬臂架的位移量，从而实现对盆栽作物样本茎粗的测量。

上述方案中，还包括信号传输处理系统，所述信号传输处理系统包括数据采集卡、控制模块和计算机，所述数据采集卡用来将所述激光测距传感器、所述压力传感器、所述光电编码器和所述载重传感器的信号传输给所述控制模块，所述控制模块与所述计算机相连，所述控制模块用来控制所述旋转电机、所述第一步进电机8和所述第二步进电机。

上述方案中，所述旋转轴与所述第一悬臂架和所述第二悬臂架之间为可拆卸固定连接，所述第一悬臂架和所述第二悬臂架能够根据不同类型的盆栽作物样本安装在所述旋转轴的不同位置上。但对于该喷在作物长势动态检测装置而言，没一个动态检测周期内，检测平台上的待检测盆栽作物的种类类型都是一样的。

本发明还提供了一种利用盆栽作物长势动态检测装置对盆栽作物长势进行动态检测方法，包括如下步骤：

A 多传感检测装置的预置

①采用一个无作物样本作为标定样本，调整无作物样本和盆栽作物样本，使其具有等量的基质和水肥，并采用同样的施肥灌溉措施；

②将无作物样本和盆栽作物作物样本均放置在底座上；

③根据盆栽作物样本的需要，调整第一悬臂架的位置，使激光测距传感器位于盆栽作物样本正上方，调整第二悬臂架的位置，使压力传感器处于作物的茎部位置；设置装有压力传感器的第二旋臂架的初始位置，使压力传感器的最外边缘与所有盆栽作物样本形成的圆相切；

④对设置在所述底座和所述无作物样本之间的荷重传感器进行标定；

⑤根据检测需要在计算机上设置各个电动机的起始位置，确定旋转角度、启动时间和循环时间；

B启动盆栽作物长势动态检测装置，对作物长势进行检测

盆栽作物长势动态检测装置首先采集无作物样本质量信息，确定基准信息之后，盆栽作物长势动态检测装置的各个传感器按照计算机的程序顺序达到预设位置进行检测，在一个循环周期内完成作物质量、茎粗和株高信息的采集后复位，然后按设置的循环时间重复上述检测过程，从而实现对作物长势信息的动态检测。

C对盆栽作物样本长势特征参数的量化和描述

①从盆栽作物样本荷重传感器采集到的质量信息与无作物样本荷重传感器采集到的质量信息做差运算，得到作物生物量的变化；

②从激光测距传感器1和压力传感器2采集到的盆栽作物样本信息中提取茎粗、株高特征参数；

③根据获取的作物茎粗、株高、质量信息的变化，通过多信息融合对作物生长过程中长势变化信息进行量化描述输出。

本发明的效果：（1）本发明可以在不破坏作物的情况对同一类型的作物长势信息进行实时动态检测。通过力学-光学多传感器来检测作物茎粗、株高和生物量，不仅可以实现快速、实时、有效的作物长势无损探测，而且可以连续动态地监测作物的长势信息。这也是未来数字农业的发展趋势。（2）本发明将荷重传感器、压力传感器、光电编码器和激光测距传感器相结合，对作物茎粗、株高和生物量的进行连续动态监测。通过荷重传感器采集作物重量信息，通过压力传感器、光电编码器和激光测距传感器采集作物茎粗和株高信息，通过力学-光学多信息融合对作物长势信息进行描述。（3）与传统的人工检测方法相比，不仅能够提高效率，而且可以实现对目标作物生长过程长势动态变化信息的连续监测。与光谱、图像等遥感监测方法相比，受光照和复杂背景等环境因素的影响较小。

附图说明

图1是基于力学-光学多传感信息的作物长势动态检测装置结构简图。

图中：1—激光测距传感器  2—压力传感器  3—光电编码器  4—荷重传感器  5—第一悬臂架  6—第二悬臂架   7—旋转轴 8—第一步进电机         9—第二步进电机  10—底座  11数据采集卡   12控制模块   13—计算机。

具体实施方式

基于力学-光学多传感信息的作物长势动态检测装置技术方案如下：

1）多传感检测装置的预置

①本装置可同时对三个作物样本进行取样监测，采用一个无作物样本作为标定样本。调整无作物样本和作物样本的使其具有等量的基质和水肥，并采用同样的施肥灌溉措施。

②将各样本放置在荷重传感装置上，通过锁紧装置锁紧各样本。其中，在最后一个位置放置无作物样本。

③调整激光测距传感器旋转臂的位置，使激光测距传感器位于作物正上方，通过紧固螺栓使相对位置固定；调整压力传感器旋转臂的上下位置，使压力传感器处于作物的茎部位置。

④对无作物样本的荷重传感器进行标定。

⑤设置机械式旋转臂多传感检测装置检测的起始位置和旋转角度；设置装有压力传感器旋转臂的初始位置，使压力传感器的最外边缘与4个样本形成的圆相切。根据检测需要设置循环时间和启动时间。

2）启动多传感检测装置，对作物长势进行检测

检测装置首先采集无作物样本质量信息，确定基准信息之后，检测装置顺序达到预设位置进行检测，在一个循环周期内完成作物质量、茎粗和株高信息的采集后复位，然后按设置的循环时间重复上述检测过程，从而实现对作物长势信息的动态检测。

3）对作物长势特征参数的量化和描述

①从作物样本荷重传感器采集到的质量信息与无作物样本荷重传感器采集到的质量信息做差运算，得到作物生物量的变化。

②从传感器采集作物样本信息中提取茎粗、株高特征参数。

③根据获取的作物茎粗、株高、质量信息的变化，通过多信息融合对作物生长过程中长势变化信息进行量化描述输出。

本发明基于力学-光学多传感信息的作物长势动态检测装置，通过多传感器和机械装置的协同作用对作物的长势信息进行动态检测。

基于力学-光学多传感信息的作物长势动态检测装置包含检测平台、多传感信息采集装置和控制系统。

所述检测平台包含旋转轴、悬臂架和底座。

所述旋转轴由步进电机驱动，步进电机固定在检测平台底座上，将从动齿轮安装在旋转轴上，通过一对齿轮传动实现检测平台的旋转运动。

所述悬臂架包含株高检测悬臂架和茎粗检测悬臂架，所述株高检测悬臂架上安装激光测距传感器，悬臂架可以沿垂直方向调节高度，沿水平方向调节悬臂的伸长量。所述茎粗检测悬臂架上安装压力传感器，悬臂架可以沿垂直方向调节高度，而悬臂的伸出量由另一台步进电机控制，步进电机固定在旋转轴上，悬臂的一部分加工成齿条，通过齿轮齿条的运动实现悬臂沿水平运动。步进电机的一端安装光电编码器，通过检测步进电机的旋转的圈数来测定悬臂的位移量，从而实现对作物茎粗的测量。

所述荷重传感器4位于作物正下方，安装在作物和底座10之间。底座共有4套，分布于直径为3米的正方形检测台上，底座用于获取作物质量信息，由于底座获取的质量包括花盆、基质、营养液等，在作物生长的整个过程中因基质、营养液等挥发会影响作物生物量检测的准确性，因此，在实际检测中放置一盆无作物仅包含基质、营养液的标定盆，其初始质量与无作物样本培养装置的质量相同。

所述多传感信息采集装置包含荷重传感器、压力传感器、光电编码器、激光测距传感器和数据采集卡。所述荷重传感器、压力传感器、光电编码器、激光测距传感器通过同轴信号电缆与数据采集卡连接，数据采集卡通过USB总线与计算机连接。

所述控制系统包括控制模块和计算机。控制模块通过USB总线与计算机连接，IO接口与两台步进电机连接，由计算机发出指令控制步进电机的运动。茎粗检测悬臂架每次在检测下一作物时通过控制步进电机使悬臂架收缩，远离作物茎部位置，然后控制另一台步进电机使旋转轴到达下一检测位置。

 

下面结合附图和实施步骤对本发明进行详细的描述。

参照附图1，本发明基于力学-光学多传感信息的作物长势动态检测装置包含检测平台、多传感信息采集装置和控制系统。

其中所述检测平台上设有旋转轴7、第一悬臂架5、第二悬臂架6和底座10。

其中所述旋转轴7可以有底部的旋转电机带动进行旋转，第二步进电机9固定在检测平台底座上，主动齿轮安装在第二步进电机9的旋转输出轴上，从动齿条安装在旋转轴7上，通过齿轮齿条传动实现第二步进电机9带动旋转轴7的左右运动。其中旋转轴7上包含有用于株高检测的第一悬臂架5和用于茎粗检测的第二悬臂架6。所述第一悬臂架5上安装激光测距传感器1，所述第一悬臂架5与所述旋转轴7是可拆卸固定零件，可以是插接，优选在旋转轴7上设置安装槽，第一悬臂架5插接在旋转轴7上，第一悬臂架5可以根据待测盆栽作物的实际需要，沿垂直方向插接在旋转轴7的不同高度上，第一悬臂架5和旋转轴7一起在第二步进电机9的作用下沿左右方向移动。所述第二悬臂架6上安装压力传感器2，第二悬臂架6与旋转轴7的安装方式和第一悬臂架5的基本相同，而第二悬臂架6的左右伸出量由第一步进电机8控制，第一步进电机8固定在旋转轴7上，第二悬臂架6的一部分加工成齿条，第一步进电机8的输出轴上安装有齿轮，通过齿轮齿条的运动实现第二悬臂架6的悬臂沿水平运动。第一步进电机8的一端安装光电编码器3，通过检测第一步进电机8的旋转的圈数来测定第二悬臂架6的悬臂的位移量，从而实现对作物茎粗的测量。

其中所述荷重传感器4位于作物正下方，安装在作物和底座10之间。 

其中所述底座10共有4套，分布于直径为3米的正方形检测台上，底座10用于获取作物质量信息，由于底座获取的质量包括花盆、基质、营养液等，在作物生长的整个过程中因基质、营养液等挥发会影响作物生物量检测的准确性，因此，在实际检测中放置一盆无作物仅包含基质、营养液的标定盆，其初始质量与无作物样本培养装置的质量相同。

其中所述多传感信息采集装置包含荷重传感器4、压力传感器2、光电编码器3、激光测距传感器1和数据采集卡11。所述荷重传感器4、压力传感器2、光电编码器3、激光测距传感器1通过同轴信号电缆与数据采集卡11连接，数据采集卡11通过USB总线与计算机13连接。

其中所述控制系统包括控制模块12和计算机13。控制模块12通过USB总线与计算机13连接，IO接口与两台步进电机8、9连接，由计算机13发出指令控制步进电机8、9的运动。茎粗检测第二悬臂架6每次在检测下一作物时通过控制第一步进电机8使第二悬臂架6收缩，远离作物茎部位置，然后控制另一台步进电机使旋转轴到达下一检测位置。

参照附图1，本发明一种机械式旋转臂多传感器的检测生物量装置的技术方案如下：

1）多传感检测装置的预置

①本装置可同时对三个盆栽作物样本进行取样监测，采用一个无作物样本作为标定样本。调整无作物样本和作物样本的使其具有等量的基质和水肥，并采用同样的施肥灌溉措施。

②将各样本放置在荷重传感装置10上，通过锁紧装置锁紧各样本。其中，在最后一个位置放置无作物样本。

③调整激光测距传感器1旋转臂的位置，使激光测距传感器位于作物正上方，通过紧固螺栓使相对位置固定；调整压力传感器2旋转臂的上下位置，使压力传感器2处于作物的茎部位置。

④对无作物样本的荷重传感器4进行标定。

⑤设置机械式旋转臂多传感检测装置检测的起始位置和旋转角度；设置装有压力传感器旋转臂6的初始位置，使压力传感器2的最外边缘与三个盆栽作物样本、一个无作物样本形成的圆相切。根据检测需要设置循环时间和启动时间。

2）启动多传感检测装置，对作物长势进行检测

检测装置首先采集无作物样本质量信息，确定基准信息之后，检测装置顺序达到预设位置进行检测，在一个循环周期内完成作物质量、茎粗和株高信息的采集后复位，然后按设置的循环时间重复上述检测过程，从而实现对作物长势信息的动态检测。

3）对作物长势特征参数的量化和描述

①从作物样本荷重传感器采集到的质量信息与无作物样本荷重传感器采集到的质量信息做差运算，得到作物生物量的变化。

②从传感器采集作物样本信息中提取茎粗、株高特征参数。

③根据获取的作物茎粗、株高、质量信息的变化，通过多信息融合对作物生长过程中长势变化信息进行量化描述输出。

Claims (5)

1.一种盆栽作物长势动态检测装置，其特征在于，包括检测平台和旋转轴（7），所述旋转轴（7）的轴底端部安装有旋转电机，所述旋转电机带动所述旋转轴（7）转动；所述旋转轴（7）上部固定有第一悬臂架（5），所述第一悬臂架（5）的末端安装有激光测距传感器（1）；所述旋转轴（7）下部固定有第二悬臂架（6），所述旋转轴（7）上还固定有第一步进电机（8），所述第一步进电机（8）通过齿轮齿条装置带动所述第二悬臂架（6）左右移动；所述第二悬臂架（6）的末端安装有压力传感器（2）；所述检测平台上设有第二步进电机（9），所述第二步进电机（9）依靠齿轮齿条装置带动所述旋转轴（7）左右移动；所述检测平台上还设有若干底座（10），所述每个底座（10）上安装有载重传感器（4），所述底座（10）沿所述旋转轴（7）呈圆形排列。

2.根据权利要求1所述的一种盆栽作物长势动态检测装置，其特征在于，所述第一步进电机（8）上还安装光电编码器（3），所述光电编码器（3）通过检测所述第一步进电机（8）的旋转圈数来测定第二悬臂架（6）的位移量，从而实现对盆栽作物样本茎粗的测量。

3.根据权利要求2所述的一种盆栽作物长势动态检测装置，其特征在于，还包括信号传输处理系统，所述信号传输处理系统包括数据采集卡（11）、控制模块（12）和计算机（13），所述数据采集卡（11）用来将所述激光测距传感器（1）、所述压力传感器（2）、所述光电编码器（3）和所述载重传感器（4）的信号传输给所述控制模块（12），所述控制模块（12）与所述计算机（13）相连，所述控制模块（12）用来控制所述旋转电机、所述第一步进电机（8）和所述第二步进电机（9）。

4.根据权利要求3所述的一种盆栽作物长势动态检测装置，其特征在于，所述旋转轴（7）与所述第一悬臂架（5）和所述第二悬臂架（6）之间为可拆卸固定连接，所述第一悬臂架（5）和所述第二悬臂架（6）能够根据不同类型的盆栽作物样本安装在所述旋转轴（7）的不同位置上。

5.一种利用盆栽作物长势动态检测装置对盆栽作物长势进行动态检测方法，包括如下步骤：

A 多传感检测装置的预置

①采用一个无作物样本作为标定样本，调整无作物样本和盆栽作物样本，使其具有等量的基质和水肥，并采用同样的施肥灌溉措施；

②将无作物样本和盆栽作物作物样本均放置在底座（10）上；

③根据盆栽作物样本的需要，调整第一悬臂架(5)的位置，使激光测距传感器（1）位于盆栽作物样本正上方，调整第二悬臂架（6）的位置，使压力传感器（2）处于作物的茎部位置；设置装有压力传感器（2）的第二旋臂架（6）的初始位置，使压力传感器（2）的最外边缘与所有盆栽作物样本形成的圆相切；

④对设置在所述底座（10）和所述无作物样本之间的荷重传感器（4）进行标定；

⑤根据检测需要在计算机上设置各个电动机的起始位置，确定旋转角度、启动时间和循环时间；

B启动盆栽作物长势动态检测装置，对作物长势进行检测

盆栽作物长势动态检测装置首先采集无作物样本质量信息，确定基准信息之后，盆栽作物长势动态检测装置的各个传感器按照计算机的程序顺序达到预设位置进行检测，在一个循环周期内完成作物质量、茎粗和株高信息的采集后复位，然后按设置的循环时间重复上述检测过程，从而实现对作物长势信息的动态检测;

C对盆栽作物样本长势特征参数的量化和描述

①从盆栽作物样本荷重传感器采集到的质量信息与无作物样本荷重传感器采集到的质量信息做差运算，得到作物生物量的变化；

②从激光测距传感器（1）和压力传感器（2）采集到的盆栽作物样本信息中提取茎粗、株高特征参数；

③根据获取的作物茎粗、株高、质量信息的变化，通过多信息融合对作物生长过程中长势变化信息进行量化描述输出。