CN104849250A - 便携式智能植物生理状态检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式智能植物生理状态检测系统和方法，其系统包括照明模块以及用于对待测植物进行荧光图像采集的摄像单元，所述照明模块包括：提供激发光照明的LED阵列以及设置在LED阵列发光侧的光学薄膜，该光学薄膜对待测植物荧光的反射率小于5％，该光学薄膜对LED光的反射率大于95％。本发明能够让使用者在野外条件便携地对植物进行叶绿素荧光检测，并对测量获得荧光图像进行实时地处理、分析，实时将测量结果与远程云共享服务器的数据库中的植物生理状态进行匹配，并实现数据库新样本的更新和机器学习。

Description

便携式智能植物生理状态检测系统及方法

技术领域

本发明涉及叶绿素荧光检测领域，具体是涉及一种能在野外条件下便携地进行植物叶绿素荧光检测，并实现智能实时数据分析的方法及系统装置。

背景技术

光合作用是地球上最重要的化学反应之一，它利用太阳光能裂解水释放出了地球上绝大多数所需要的氧气，同时固定大气中的二氧化碳为葡萄糖为新陈代谢提供能量。在光合作用的光反应过程，将所吸收的光能进行传递。转换为电能的过程中，有一部分光能损耗以较长波长的荧光方式释放。自然条件下，叶绿素荧光和光合作用有着十分密切的关系，很多光合作用过程的变化都可通过叶绿素荧光反映出来，由于其测量快速、可靠、灵敏、对样品无损伤等特点，使其得以迅速发展。

常用的测量方法为调制式测量荧光方法，该方法是利用光子密度较小的调制测量光照射植物的叶片，探测其激发的荧光。用强光强的饱和光脉冲测量荧光的变化情况，确定叶绿素的荧光参数。随着CCD摄像技术的发展，使荧光成像测量成为可能。但荧光成像测量需要均匀分布的激发光照明，且对激发光强度有明确要求。目前成像的叶绿素荧光探测仪器一般采用LED阵列光源，每个LED照明局部区域，多个LED拼接成大面积均匀激发光照明。但由于该均匀照明区域只局限于一个特定的照明距离，离开该距离后激发光的均匀性变差，而且由于光源的发散特性，使得距离增加后激发光强变弱，无法满足测量需求。而对于整株植物，由于不同叶片的高低不同，无法同时对这些叶片进行测量。

发明内容

本发明提供了一种便携式智能植物生理状态检测系统，利用该检测系统，能够检测植物检测过程中，提供均匀的激发光照明，同时对植物产生的荧光图提供暗背景，提高了检测精度，降低了检测难度；同时结构简单，携带方便。

一种便携式智能植物生理状态检测系统，包括照明模块以及用于对待测植物进行荧光图像采集的摄像单元，所述照明模块包括：提供激发光照明的LED阵列以及设置在LED阵列发光侧的光学薄膜，该光学薄膜对待测植物荧光的反射率小于5％，该光学薄膜对LED光的反射率大于95％。

本发明中，通过光学薄膜可实现对植物的蓝光的均匀照明，同时又可以为植物产生的荧光提供暗背景，则植物的荧光图的对比度得到提高，进一步提高了待测植物荧光图的清晰度。

本发明中，所述的摄像单元一般包括CCD工业相机、以及带有滤光片的变焦距镜头等部件。本发明中，所述的变焦距镜头由多个非球面透镜组成的畸变较小的变焦距镜头，且变焦距镜头最外端夹持一个透射波长大于640nm的光波的滤光片。

作为优选，所述光学薄膜包括：

基底；该基底为加硬防划处理的PC板；

依次交替设置在基底上的二氧化硅层和二氧化钛层，其中最靠近基底的一层为二氧化硅层。

以满足对200nm至550nm的波段的光高反射，对550nm至1600nm的光低反射的条件为设计目标函数，二氧化硅和二氧化钛的层数及厚度，由麦克斯韦方程组求解得到。

本发明同时提供了一种利用上述便携式智能植物生理状态检测系统进行植物生理状态检测的方法，该方法简单易行，包括将待测植物叶子固定在照明模块照明区域，通过摄像单元进行植物荧光图像的采集。

作为优选，所述照明模块还包括立方体盒子；所述立方体盒子一侧设有与所述摄像单元采集端对应的避让孔，保证摄像单元对荧光图信息的顺利采集，该侧内壁均匀布置有所述的LED阵列；所述立方体盒子与LED阵列正对的一侧用于放置待检测植物；所述立方体盒子的其余内壁上贴覆有所述的光学薄膜，保证实现对植物提供均匀的蓝光照明。

作为优选，所述LED阵列包括至少一个红光LED以及多个蓝光LED。红光LED用于检测前让植物叶片进入暗适应阶段。蓝光LED优化布置，保证对植物叶片提供均匀照明。

作为优选，还包括用于控制照明模块同时用于接收摄像单元荧光图像信息的通信和控制模块，该通信和控制模块包含FPGA、蓝牙通信模块、USB通信模块、WIFI通信模块。保证实现通信和控制模块数据的读取和控制。通信和控制模块通过蓝牙通信模块或者WIFI模块获取智能移动终端发送的时序控制信号；通过FPGA控制LED阵列的发光功率的变化和CCD工业相机的采集时序；通过USB通信模块将CCD工业相机的图像传给智能移动终端。

本发明同时提供了一种利用上述几种便携式智能植物生理状态检测系统进行植物生理状态检测的方法，包括：将待测植物叶子固定在立方体盒子的放置待检测植物的区域，通过摄像单元进行植物荧光图像的采集。

作为优选，还包括：

用于与所述通信和控制模块进行信号互动的智能移动终端；

用于与智能移动终端进行信息交互的远程云共享服务器，该远程云共享服务器含有多种植物生理状态的数据库。

一种利用上述便携式智能植物生理状态检测系统进行植物生理状态检测的方法，包括：

(1)将待测植物叶子固定在立方体盒子的放置待检测植物的区域；

(2)智能移动终端通过通信和控制模块向LED阵列和摄像单元发送时序信号，LED阵列根据接收的时序信号调整不同时刻的发光功率，同时摄像单元按照时序信号的要求进行植物荧光图像的采集；

(3)摄像单元将采集的植物荧光图像信息通过通信和控制模块发送至智能移动终端；

(4)智能移动终端将接收的植物荧光图像信息进行分析拟合，并将分析拟合的结果与远程云共享服务器终端的数据库信息进行对比，得出植物生理状态结果。

作为优选，智能移动终端同时将拟合结果和植物生理状态结果发送至远程云共享服务器终端，作为数据信息保存在数据库中；实现数据库的自学习和数据的更新。

本发明的检测系统能够让使用者在野外条件便携地对植物进行叶绿素荧光检测，并对测量获得荧光图像进行实时地处理、分析，实时将测量结果与远程云共享服务器的数据库中的植物生理状态进行匹配，并实现数据库新样本的更新和机器学习。

本发明中所述的多层介质的光学薄膜由加硬防划处理的PC板为基底，由二氧化硅和二氧化钛交替组成，实现了对植物荧光的弱反射(反射率小于5％)和LED光的强反射(反射率大于95％)，提供均匀蓝光照明的同时，对植物荧光图提供暗背景，增加了植物荧光图的对比度。

本发明利用智能终端将特征荧光值和特征荧光图像与远程云共享数据平台中的植物数据库中各种植物生理状态进行匹配，分析当前所测植物叶片的生理状态。当前所测的植物叶片的特征荧光参数、特征荧光图像和其对应的植物生理状态将被保存在远程云共享数据平台中的植物数据库中，并被机器学习的程序记录作为植物数据库中新的匹配样本。智能化程度高，同时能够自我学习，提高系统本身的实用性。

附图说明

图1是本发明的便携式智能植物生理状态检测系统的装置图；

图2是图1中照明模块的结构示意图；

图3是图2中对植物荧光弱反射和LED光强反射的光学薄膜的结构示意图；

图4是本发明的便携式智能植物生理状态检测系统的控制示意图。

上述附图中：

1-照明模块；2-通信和控制模块；3-支架；4-变焦距镜头；5-CCD工业相机；6-手柄；7-LED阵列；8-盒子；9-二氧化硅层；10-二氧化钛层；11-智能移动终端；12-远程云共享服务器。

具体实施方式

如图1所示，一种便携式智能植物生理状态检测系统包括：照明模块1、通信和控制模块2、支架3、变焦距镜头4、CCD工业相机5、手柄6组成。

支架3是为了实现照明模块1、通信和控制模块2、变焦距镜头4和CCD工业相机5的固定，将多个元部件组装成一体结构，方便携带；手柄6是方便使用者检测，用于人手的持握。

如图2所示为一种照明模块1的示意图。该模块由优化排布的LED阵列7、优化设计的多层介质的光学薄膜、一个正方体的盒子8组成。LED嵌在盒子8的顶面A1B1C1D1内壁，盒子8的顶面A1B1C1D设有一个与变焦距镜头4外口径大小相同的圆形孔；盒子8的底面ABCD用于夹持待测植物的叶子；光学薄紧贴在盒子8其余四个内侧壁，对待测植物提供光照的同时，对植物荧光图提供较暗的背景；。变焦距镜头4由多个非球面透镜组成的畸变较小的变焦距镜头，且变焦距镜头最外端夹持一个透射波长大于640nm的光波的滤光片。

LED阵列7中包括至少一个红光LED和若干个蓝光LED，优化排布的LED阵列7中，保证蓝光LED对盒子8的底面ABCD实现均匀照明。红光LED一般设置一个。

如图3所示为一种对植物荧光弱反射和LED光强反射的光学薄膜的结构示意图。该光学薄膜为多层介质的光学薄膜，其以加硬防划处理的PC板为基底，基底上铺设有多层光学介质，多层光学介质由二氧化硅层9和二氧化钛层10交替组成，靠近基底的一层为二氧化硅层9。实现了对植物荧光的弱反射(反射率小于5％)和LED光的强反射(反射率大于95％)。

二氧化硅层9和二氧化钛层10的厚度需要满足蓝光高反射，红光吸收或透射要求。以满足对200nm至550nm的波段的光高反射，对550nm至1600nm的光低反射的条件为设计目标函数，二氧化硅和二氧化钛的层数及厚度，由麦克斯韦方程组求解得到。

本实施例中，二氧化硅层9和二氧化钛层10的各六层(图中省略两层)，以基底为准，由近及远，六层二氧化硅层9的厚度分别为64.65nm、68.17nm、79.79nm、75.40nm、77.87nm、93.47nm；六层二氧化钛层10的厚度分别为30.72nm、44.84nm、44.92nm、41.58nm、48.41nm、16.05nm。

如图4所示为一种实现对叶绿素荧光数据和图像实现智能分析的系统示意图。其中通信和控制模块2包含FPGA(现场可编程门阵列)、蓝牙通信模块、USB通信模块、WIFI通信模块。整个数据智能分析系统还包括一个智能移动终端11、一个含有多种植物生理状态数据库的远程云共享服务器12。通过通信和控制模块2可实现对LED阵列7、CCD工业相机5的控制，同时接收CCD工业相机5产生的图像数据。智能移动终端11用于向通信和控制模块2发出指令，同时接收通信和控制模块2发送的图像数据；智能移动终端11将接收的图像数据与远程云共享服务器12的多种植物生理状态数据库中的数据信息进行对比。

本发明还提供了一种便携式智能叶绿素荧光检测的方法。具体方法如下：

测量前将待测植物叶片夹持在盒子底部的载物台上；测量者通过智能移动终端11向通信和控制模块2发送激活信号，通过通信和控制模块2激活LED阵列7中的红光LED，让植物叶片进入暗适应阶段；暗适应完毕，通信和控制模块2激活LED阵列7中的蓝光LED，由智能移动终端11，通过蓝牙模块或者WIFI模块，发送调制测量光的时序信号到通信和控制模块2；通信和控制模块2根据智能移动终端11发送过来的时序信号控制LED阵列7的蓝光LED不同时刻发光功率，并控制CCD工业相机5按照时序信号的要求进行荧光图像的采集；CCD工业相机5采集的植物叶片的荧光图像通过通信和控制模块2中的USB通信模块传送给智能移动终端11。

智能移动终端11接受到按时序信号采集回来的植物叶片的荧光图像后，软件将实时绘制待测植物的叶绿素荧光动力曲线，并计算各类荧光参数及荧光参数所对应的荧光图像。计算完毕，智能移动终端11即可将特征荧光值和特征荧光图像与远程云共享服务器12中的植物数据库中各种植物生理状态进行匹配，分析当前所测植物叶片的生理状态。同时，当前所测的植物叶片的特征荧光参数、特征荧光图像和其对应的植物生理状态将作为新的样本，被存在远程云共享数据平台中的植物数据库中，并被机器学习的程序记录。

Claims (10)

1.一种便携式智能植物生理状态检测系统，包括照明模块以及用于对待测植物进行荧光图像采集的摄像单元，其特征在于，所述照明模块包括：提供激发光照明的LED阵列以及设置在LED阵列发光侧的光学薄膜，该光学薄膜对待测植物荧光的反射率小于5％，该光学薄膜对LED光的反射率大于95％。

2.根据权利要求1所述的便携式智能植物生理状态检测系统，其特征在于，所述光学薄膜包括：

基底；

依次交替设置在基底上的二氧化硅层和二氧化钛层，其中最靠近基底的一层为二氧化硅层。

3.根据权利要求1或2所述的便携式智能植物生理状态检测系统，其特征在于，所述照明模块还包括立方体盒子；所述立方体盒子一侧设有与所述摄像单元采集端对应的避让孔，该侧内壁均匀布置有所述的LED阵列；所述立方体盒子与LED阵列正对的一侧用于放置待检测植物；所述立方体盒子的其余内壁上贴覆有所述的光学薄膜。

4.根据权利要求3所述的便携式智能植物生理状态检测系统，其特征在于，所述LED阵列包括至少一个红光LED以及多个蓝光LED。

5.根据权利要求3所述的便携式智能植物生理状态检测系统，其特征在于，还包括用于控制照明模块同时用于接收摄像单元荧光图像信息的通信和控制模块，该通信和控制模块包含FPGA、蓝牙通信模块、USB通信模块、WIFI通信模块。

6.根据权利要求5所述的便携式智能植物生理状态检测系统，其特征在于，还包括：

用于与所述通信和控制模块进行信号互动的智能移动终端；

用于与智能移动终端进行信息交互的远程云共享服务器，该远程云共享服务器中预存有多种植物生理状态的数据库。

7.一种利用权利要求1-2任一权利要求所述便携式智能植物生理状态检测系统进行植物生理状态检测的方法，其特征在于，包括将待测植物叶子固定在照明模块照明区域，通过摄像单元进行植物荧光图像的采集。

8.一种利用权利要求3-5任一权利要求所述便携式智能植物生理状态检测系统进行植物生理状态检测的方法，其特征在于，包括：将待测植物叶子固定在立方体盒子的放置待检测植物的区域，通过摄像单元进行植物荧光图像的采集。

9.一种利用权利要求6所述便携式智能植物生理状态检测系统进行植物生理状态检测的方法，其特征在于，包括：

(1)将待测植物叶子固定在立方体盒子的放置待检测植物的区域；

(2)智能移动终端通过通信和控制模块向LED阵列和摄像单元发送时序信号，LED阵列根据接收的时序信号调整不同时刻的发光功率，同时摄像单元按照时序信号的要求进行植物荧光图像的采集；

(3)摄像单元将采集的植物荧光图像信息通过通信和控制模块发送至智能移动终端；

(4)智能移动终端将接收的植物荧光图像信息进行分析拟合，并将分析拟合的结果与远程云共享服务器终端的数据库信息进行对比，得出植物生理状态结果。

10.根据权利要求9所述的进行植物生理状态检测的方法，其特征在于，智能移动终端同时将拟合结果和植物生理状态结果发送至远程云共享服务器终端，作为数据信息保存在数据库中。