CN107389613A - Led脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统，包括传感器、控制器和电源电路三个部分。传感器包括主动光源模块、光学系统模块、信号调理与采样模块，主动光源模块由控制器输出脉冲信号控制，使红光LED组和近红外LED组实现交替发光和脉冲闪烁，以作为主动式LED脉冲光源；控制器包括MCU模块、按键模块、数据存储模块、显示模块。本发明的测定系统功耗低，整体结构实用性强，传感器采用脉冲式光源设计，交替式光源驱动，采用单一探测器，因此光源稳定性好，光学通道集成度高、精简度好，而且本测试系统还设有带通滤波和软件滤波降低数据误差，并采用友好的人机界面，因此特别适合在实际农业生产中进行推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种作物冠层植被指数测定系统，具体是一种LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统，属于农业信息检测工具技术领域。
背景技术
近年来国内外学者对漫反射光谱和相关作物生长信息之间的机理关系的研究表明：利用冠层光谱分析技术可以有效实现作物生长特征和植株营养状况的动态监测，其中差值植被指数（DVI）、归一化植被指数|（NDVI）和比值植被指数（RVI）等光谱指数被广泛应用于对植物的营养状况进行估测。归一化植被指数|（NDVI）是利用可见光和近红外两个波段的反射率归一化比值得到的，它一方面能反映植被光合作用有效辐射吸收情况，另一方面能反映作物群体大小、健康程度等情况。相比于传统的物理和生化方法研究作物的营养状况，冠层光谱分析技术具有快速、便携、无损、不受时空限制等突出优点，因此利用作物冠层漫反射光谱获取作物生长信息是农业信息领域的重要研究方向。目前，将冠层光谱反射信息和作物生长信息之间的机理关系进行工程化实现并应用于田间实时测量和实时指导农业生产是较为薄弱的环节，基本还处于研究阶段和试用化阶段，尚未在实际农业生产中得到有效的应用。
采用冠层反射光谱传感技术来获取作物的生长信息指标的实现形式主要有两种：被动光源式和主动光源式。被动光源式测量仪器采用太阳光作为光源，其最大的局限性是使用受到太阳光照强度、入射角等因素的影响，其测量值会因自然光环境的变化而变化，一般需要在晴好天气且具有较大太阳角时使用，阴雨天则无法使用。主动光源式测量仪器采用自带光源，其可以消除外部光环境的影响，可在任何天气情况下使用，测量结果稳定，是目前的主流形式。目前国外市场上已有商品化的主动光源式测量仪器有：NTech公司研发的GreenSeeker系列手持式光谱仪、Topcon公司生产的CropSpec植物氮含量传感器和HollandScientific公司生产的Crop Circle手持式光谱仪，但国外仪器价格昂贵，操作不便、分析方法复杂等因素限制这些仪器在农业生产方面的应用，多数作为科研院校或机构开展科研项目的工具，很难在实际农业生产中推广使用。
发明内容
要使作物冠层植被指数测量仪器能在实际农业生产中进行推广使用，需要解决以下几个问题：
（1）仪器结构便携性：仪器的体积、重量、电池续航能力等直接影响其在农田环境的可应用性。目前多数无损式测量仪器体积较大，重量较重，续航时间短。
（2）光源稳定性：由于被动光源式采用太阳光作为光源，而太阳光强受时间、天气等因素影响大，为了保持光源的稳定性，一般采用自带光源的主动光源式，但该方式也容易受温度、工作电压、光源排列方式等因素影响。
（3）有效信号与背景信号的分离：仪器的主要应用场所为大田，除了仪器自带的主动光源，将包含信号强度很高的自然光等其他光源，在反射光检测单元处如何有效地对混合信号进行分离，提取有效信号，是需要解决的主要问题之一。
（4）减少光学通道：传统仪器需要为每个波段设计一个光学通道，从而导致光学通道设计的复杂性，也直接导致成本的增加。如何在不影响测量精度的情况下尽可能减少光学通道，简化光学系统设计，也是要解决的又一主要问题。
（5）降低数据随机误差：主动光源式仪器在获取数据的频率较高时，需要降低信号在硬件电路中可能存在的随机误差。
（6）可操作性：一般光谱仪设计复杂，使用步骤繁琐，通常需要专业培训，缺乏设计友好的人机界面及接口，不方便非专业人士快速上手。
（7）低功耗：作为便携式仪器，功耗的要求非常严格。尽可能降低功耗，保证足够的电池续航能力。
为了解决上述问题，本发明提供了一种LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统，该系统对这些问题进行了针对性设计，因此非常适合在实际农业生产中进行推广使用。
本发明的技术方案如下：
一种LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统，包括传感器、控制器和电源电路三个部分。
所述传感器包括主动光源模块、光学系统模块、信号调理与采样模块；主动光源模块设有一组红光LED和一组近红外LED以及脉冲驱动电路，由控制器输出脉冲信号来控制脉冲驱动电路交替驱动红光LED组和近红外LED组，使红光LED组和近红外LED组实现交替发光和脉冲闪烁，以作为主动式LED脉冲光源；光学系统模块包括一个收集光源反射光的凸透镜和一个接收光源反射光并转换成电流信号的光电探测器，光电探测器通过转换电路将其输出的电流信号转换为电压信号向后级的信号调理与采样模块输出；信号调理与采样模块包括滤波电路、放大电路和A/D采样电路，从光学系统模块传来的电压信号依次经滤波、放大和A/D采样后，转换为红光和近红外反射光强的数字信号向外输出至控制器。
所述控制器包括MCU模块、按键模块、数据存储模块、显示模块，其中按键模块、数据存储模块、显示模块均与MCU模块相连接；MCU模块接收传感器信号调理与采样模块的A/D采样电路传来的红光和近红外反射光强的数字信号，根据相应算法计算归一化植被指数（NDVI），将红光和近红外的NDVI值输出至显示模块显示，并根据按键模块的操作将数据存储至数据存储模块，MCU模块还向传感器的主动光源模块的脉冲驱动电路输出脉冲信号；按键控制模块设有系统复位按键、监测开始按键和存储数据按键。
所述电源电路采用锂电池进行供电，并设有电压转换电路，电压转换电路将电池供电转换成5V和3.3V电压以对整个系统进行供电。
所述红光LED和近红外LED分别采用中心波段为650nm的红光LED和中心波段为850nm的近红外LED，所述光电探测器采用LSSPD-3.5光电二极管。
所述控制器的MCU模块输出脉冲频率为100 Hz的脉冲信号至主动光源模块的脉冲驱动电路，并控制脉冲驱动电路对红光及近红外LED以10Hz的频率进行交替驱动。
本发明的测定系统采用高集成度的一体式设计，其将传感器、控制器和电源电路组装成一个一体式测量仪器，其中传感器部分采用一个空心圆柱筒作为外壳进行封装，红光LED和近红外LED交替排列成圆形并均布在外壳底面的圆周上，凸透镜设置在外壳空心筒内的下部，使外壳空心筒与外部隔离，光电探测器设置在外壳空心筒内凸透镜的上方，红光LED和近红外LED脉冲驱动电路和光电探测器的转换电路设置在外壳空心筒内。使用时将传感器部分设置在作物冠层的上方，红光 LED和近红外LED交替照射到作物冠层表面，经作物冠层表面漫反射后，反射光线通过凸透镜收集并照射到光电探测器上，由光电探测器转换成电信号。
本发明的测定系统具有如下优点：
（1）整体结构实用性强：本发明的测定系统由于采用高集成度的一体式设计，将传感器、控制器和电源电路组装成一个一体式测量仪器，保证了数据传输的稳定性，也减少了体积和重量，仪器的便携性大大提高，能更好的应用于田间实验。
（2）光源稳定性好：本发明采用主动光源发光，脉冲驱动电路采用2个LED恒流驱动芯片分别驱动两组LED进行交替发光，两组光源由红光及近红外两种特定波段的LED组成，并交替排列成圆形，保证照射强度、角度和距离的一致性。
（3）光学通道集成度高、精简度好：本发明将LED光源排列在光学通道外圈，光学通道通过凸透镜搜集测量对象反射回来的反射光，再通过光电探测器进行检测，因此光学通道少，并省去了滤光片，有效节约了成本。
（4）采用脉冲式光源设计：为了有效滤除杂散光及背景光，提高测量精度，本发明采用脉冲方式驱动LED光源，使其反射光与太阳光或其他杂散背景光等低频信号形成显著区别，因此，探测器虽然会对太阳光及其他低频或高频背景干扰光一同进行响应，但通过后期滤波方式对信号进行处理后，可方便地提取出LED反射光这一有效信号。
（5）采用交替式光源驱动：光源的脉冲频率设定为100 Hz，红光及近红外LED以10Hz的频率进行交替驱动，即先驱动红光LED发光 5个脉冲，再驱动近红外LED发光5个脉冲。通过分时对两组LED进行驱动，可使两组LED光源的反射信号共用一个信号探测及信号调理部分。10Hz的交替驱动频率可以保证1s内分别实现红光及近红外的反射光强的10次测量，如果转换成NDVI值，1s内可以得到10次测量结果，足够满足农业测量所需。
（6）采用滤波电路设计：光电探测器检测的信号包括有效信号（100Hz的LED反射光）及干扰信号（太阳光等其他背景干扰光线），根据农业的主要应用场所可以预测，背景光一般为缓慢变化的光线，频率为0Hz。因此，本发明在对光电探测器得到的电信号进行中心频率为100 Hz的带通滤波处理，既可滤除低频背景干扰信号，又可滤除高频噪声信号。
（7）采用单一探测器设计：本发明虽然包含红光与近红外两个不同波段的光源，但二者并不同时发光，而是交替发光；且两个波段都在同一光电二极管的光响应范围内。因此本发明的传感部分只需要1只光电二极管即可实现对2个波段处的反射光强进行高频率检测，进一步降低了仪器的成本。
（8）采用软件滤波进一步降低数据误差：为了保证数据获取的准确性及稳定性，本发明在单个波段的单次测量周期内进行了50次重复采样，并在MCU模块中进行删除异常值、取平均值等数据处理的方式，得出最终的测量值，大大减少了测量结果的随机误差，使测量结果更可靠。
（9）友好的人机界面：本发明通过设计简单的按键、外部存储、实时显示等人机友好接口，尽可能降低仪器使用的难度，方便非专业人士快速上手使用。
（10）低功耗：本发明采用低功耗控制模块，具有休眠的功能，放大电路中也采用超低功耗放大器，整个电路供电电压仅3.3V和5V，电池采用可充电扁平锂电池，经济环保，且容量大，供电时间长。
附图说明
图1为本测定系统的系统结构框图。
图2为主动光源模块的电路图。
图3为驱动脉冲信号的波形图。
图4为光电探测器转换电路。
图5为信号调理与采样模块的滤波电路和放大电路。
图6为信号调理与采样模块的A/D采样电路。
图7为控制器结构框图。
图8为MCU模块的电路图。
图9为按键模块的电路图。
图10为数据存储模块的接口电路图。
图11为显示模块的接口电路图。
图12为电源电路的电路图。
图13为本测定系统传感器部分的外形结构剖视图。
图14为图13的仰视图。
图15为本发明测定系统传感器部分的使用示意图。
图16为MCU模块的工作流程图。
图17为本测定系统传感器的A/D采样方法示意图。
图18为本测定系统与ASD光谱仪的测量结果相关性分析图。
在图13和图14中：1-外壳，2-红光LED，3-近红外LED，4-凸透镜，5-光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统包括传感器、控制器和电源电路三个部分，其中传感器包括主动光源模块、光学系统模块、信号调理与采样模块。
主动光源模块设有一组红光LED和一组近红外LED以及脉冲驱动电路，由控制器输出脉冲信号来控制脉冲驱动电路交替驱动红光LED组和近红外LED组，使红光LED组和近红外LED组实现交替发光和脉冲闪烁，以作为主动式LED脉冲光源。主动光源模块的电路图如图2所示，脉冲驱动电路采用2片LED恒流驱动芯片LM3519芯片LM1和LM2分别对红光LED组和近红外LED组进行驱动；由中心波段为650nm的红光LED D2～D5正向串接形成一个红光LED组，红光LED组的负极接LM1芯片的3脚，红光LED组的正极接LM1芯片的4脚，LM1芯片的1脚“En”端通过插口input1接收控制器传来的脉冲信号；由中心波段为850nm的近红外LED D6～D9正向串接形成一个近红外LED组，近红外LED组的负极接LM2芯片的3脚，近红外LED组的正极接LM2芯片的4脚，LM2芯片的1脚“En”端通过插口input2接收控制器传来脉冲信号。LM3519芯片是一款高频升压同时还可以进行高速PWM亮度控制的高效率、小贴片封装芯片，其发光稳定，符合本传感器的设计要求。通过控制器输出的脉冲信号控制其“En”引脚实现光源的交替发光和脉冲闪烁，相对于独立高频调制电路设计更简单，更符合便携需求。本发明LED发光驱动脉冲信号的频率为100Hz，对红光及近红外LED以10Hz的频率进行交替驱动，即先驱动红光LED发光 5个脉冲，再驱动近红外LED发光5个脉冲。红光LED和近红外LED分别经较短延时后间隔发光，5个脉冲信号为一个循环，驱动脉冲信号如图3所示。
光学系统模块包括一个收集光源反射光的凸透镜和一个接收光源反射光并转换成电流信号的光电探测器，光电探测器通过转换电路将其输出的电流信号转换为电压信号向后级的信号调理与采样模块输出。光电探测器采用LSSPD-3.5光电二极管，光电探测器转换电路如图4所示，LSSPD-3.5光电二极管VD1的N极接可调电阻R1的调节端，可调电阻R1的一端接VCC电源，另一端接模拟地AGND；光电二极管VD1的GND极接模拟地AGND；光电二极管VD1的P极串接电阻R2后接模拟地AGND，电阻R2的两端电压通过接口Vout向后级的信号调理与采样模块输出。LSSPD-3.5光电二极管为北京敏光科技有限公司生产的一款硅光电二极管，其响应波段范围为400～1100nm，可对650nm的红光反射光和850nm的近红外反射光进行响应。为提高硅光电二极管对脉冲光的响应灵敏度，需要给光电二极管VD1加一个反向电压，电压大小为0.5～1.0V，可根据实际的需要调节可调电阻R1的阻值来调节反向电压。电阻R2是为了将光电二极管VD1输出的电流信号转换为电压信号。光电二极管VD1输出的电流信号较小，所以电阻R2也不能太大，需在后面的电路中进一步放大。
信号调理与采样模块包括滤波电路、放大电路和A/D采样电路，从光学系统模块传来的电压信号依次经滤波、放大和A/D采样后，转换为红光和近红外反射光强的数字信号向外输出至控制器。由于光电二极管VD1的响应波长较宽，在响应主动光源反射光的同时，也响应太阳光。虽然太阳光的强度受天气和时间的影响很不稳定，但在短时间内太阳光变化不大，而主动光源采用脉冲式发光，因此可以采用带通滤波电路将太阳光滤除。滤波后电路输出信号电压幅值依然很小，为方便A/D采样电路的数据采集，还需要对信号进行放大。滤波电路和放大电路如图5所示，滤波电路采用一个带通滤波电路，输入信号Vi连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接电容C15、C16和电阻R8的一端，电容C15的另一端接地GND，电容C16的另一端接电阻R10的一端和OPA333运放芯片OP1的3脚，电阻R8的另一端接OP1芯片的1脚，电阻R10的另一端接地GND，OP1芯片的4脚串接电阻R13后接地GND，OP1芯片的4脚还接可调电阻Rx2的一端和调节端，可调电阻Rx2的另一端接OP1芯片的1脚，OP1芯片的1脚还作为滤波输出端，调节可调电阻Rx2的阻值可调节带通滤波电路的通带范围；在放大电路中，滤波输出端接入OPA333运放芯片OP2的3脚，OP2芯片的4脚串接电阻R12后接地GND，OP2芯片的4脚还接可调电阻Rx1的一端和调节端，可调电阻Rx1的另一端接OP2芯片的1脚，OP2芯片的1脚还作为放大输出端，调节可调电阻Rx1的阻值可调节放大电路的放大倍数。A/D采样电路采用12位串行模数转换芯片TLC2543芯片，如图6所示，放大电路传来的模拟量信号从TLC2543芯片的1、2、3脚输入，转换成数字信号后从16脚输出至控制器的MCU模块。
所述控制器包括MCU模块、按键模块、数据存储模块、显示模块，如图7所示，按键模块、数据存储模块、显示模块均与MCU模块相连接，MCU模块接收传感器信号调理与采样模块的A/D采样电路传来的红光和近红外反射光强的数字信号，根据相应算法计算归一化植被指数（NDVI），将红光和近红外的NDVI值输出至显示模块显示，并根据按键模块的操作将数据存储至数据存储模块，MCU模块还向传感器的主动光源模块的脉冲驱动电路输出脉冲信号；按键控制模块设有系统复位按键、监测开始按键和存储数据按键。
MCU模块采用MSP430单片机，MCU模块的电路如图8所示，MSP430单片机的21、22、23、24脚分别接A/D采样电路TLC2543芯片的18、16、17、15脚，MSP430单片机的14、15脚分别通过插口input1、input2向主动光源模块的LED恒流驱动芯片LM3519芯片LM1和LM2发送脉冲信号。MSP430单片机具有超低功耗、高集成度的特点，能支持物理尺寸较小的解决方案，超低功耗可实现长时间续航，满足本发明对便携和续航时间长的需求。
按键模块的系统复位按键用于当系统工作不正常时进行复位，监测开始按键用于控制营养状况监测工作的开始，存储数据按键用于控制将数据存储至数据存储模块。按键模块的电路如图9所示，5V电源接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接MSP430单片机的6脚REST端和电容C14的一端，电容C14的另一端接地GND，系统复位按键k3并联在电容C14两端；5V电源接电阻R6和R7的一端，电阻R7的另一端接MSP430单片机的12脚KEY1端和监测开始按键k2的一端，电阻R6的另一端接MSP430单片机的13脚KEY2端和存储数据按键k1的一端，监测开始按键k2的另一端和存储数据按键k1的另一端共同接地GND。
数据存储模块采用SD卡进行存储，并设有相应的接口电路，数据存储模块的接口电路如图10所示，SD卡接口P3的3、5、7、9脚分别与MSP430单片机的30、31、29、28脚相连接，MSP430单片机采用SPI模式对SD卡进行读写。
显示模块采用带字库的液晶显示模块LCD_12864，显示模块的接口电路如图11所示，LCD_12864接口的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、17脚分别与MSP430单片机的49、50、51、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45脚相连接。液晶显示模块LCD_12864工作电压为+5V±10%，全屏幕点阵，点阵数为128（列）×64（行），可显示8×4个汉字，操作指令简单，具有内部数据锁存器。显示模块用于显示传感器测量的红光和近红外的NDVI值，可以同时显示多个测量结果。
所述电源电路采用锂电池进行供电，并设有电压转换电路，电压转换电路将电池供电转换成5V和3.3V电压以对整个系统进行供电。如图12所示，电源电路采用两片稳压调节芯片SP6201分别将输入的电池电压转换为5V和3.3V电压以对整个系统进行供电，在电池电压的输入电路上还串接有一个滑动开关P1作为供电开关。
本发明的测定系统采用高集成度的一体式设计，其将传感器、控制器和电源电路组装成一个一体式测量仪器，其中传感器部分如图13和图14所示，传感器采用一个空心圆柱筒作为外壳1进行封装，红光LED2和近红外LED3交替排列成圆形并均布在外壳1底面的圆周上，凸透镜4设置在外壳1空心筒内的下部，使外壳1空心筒与外部隔离，光电探测器5设置在外壳1空心筒内凸透镜4的上方，红光LED2和近红外LED3的脉冲驱动电路和光电探测器5的转换电路设置在外壳1空心筒内。使用时将传感器部分如图15所示设置在作物冠层的上方，红光 LED2和近红外LED3交替照射到作物冠层表面，经作物冠层表面漫反射后，反射光线通过凸透镜4收集并照射到光电探测器5上，由光电探测器5转换成电信号。
本LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统的MCU模块的工作流程如图16所示，包括以下步骤：
S1、系统上电后进行初始化；
S2、开中断；
S3、检测监测开始按键是否按下，如果检测到没有按下则继续检测，如果检测到已按下则转至下一步；
S4、向主动光源模块发送脉冲信号，点亮红光LED，并通过传感器采集红光LED的反射光强数据ERR；
S5、向主动光源模块发送脉冲信号，点亮近红外LED，并通过传感器采集近红外LED的反射光强数据EIRR；
S6、根据相应算法代入步骤S4和S5采集的数据计算NDVI值，并通过显示模块显示结果；
S7、检测存储数据按键是否按下，如果检测到没有按下则直接结束，如果检测到已按下则将步骤S6计算的NDVI值存入数据存储模块后结束。
上述步骤S1的初始化包括关闭看门狗、显示模块初始化、数据存储模块初始化、按键模块初始化、其他参数初始化。由于设有手动的系统复位按键，如出现死机现象或程序出错现象，可以进行手动复位，不需要系统看门狗，关闭MCU模块内部自带看门狗定时器可降低功耗。为保证采样精度，单独设有A/D采样电路，不采用MCU模块内部A/D芯片，不需要A/D初始化。显示模块初始化可使显示模块处于待机状态，降低功耗。数据存储模块初始化使SD卡可随时进行数据保存。按键中断响应函数的初始化及端口设置。
本LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统的传感器的A/D采样方法如下：
为了同时满足移动测量的要求，本系统传感器采用1秒内测量10次（即10Hz）的测量频率，1次测量包含红光及近红外波段的两组反射光强数据；为了降低数据测量误差，每次测量时将分别对每个波段连续采集5个近似方波脉冲周期，在每个近似方波的峰值期间再进行10次采样，如图17所示。也就是说，1次测量将在每个波段处各采集50个电压值取平均作为最终的测量值。A/D采样的起始点由MCU模块发出的LED脉冲驱动指令来直接控制，当MCU模块给LED驱动芯片发出驱动信号后，延时1ms开始进行AD采样。
本LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统的传感器的标定方法如下：
计算归一化植被指数公式为：
其中，RIR、RR分别代表近红外、红光反射率，因此计算作物NDVI值，要分别采集850nm近红外入射光强信号EIR与对应的反射光强信号EIRR，采集650nm红光入射光强信号ER与对应的反射光强信号ERR，带入公式计算反射率，反射率计算公式：
比例常数是由传感器本身决定的，受其自身的光学系统、光电探测器和运算放大电路等因素影响。
令
全部带入NDVI公式则有：
因此确定传感器主动光源入射光强度ER、EIR和传感器特征常数k，即可完成传感器标定。ER和EIR的值可用标准白板的射光作为入射光在测量距离d下的基准值。特征常数k可用标定试验中传感器测得的初步NDVI值和光谱仪测得的NDVI值进行线性拟合求出特征常数k。
本LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统的传感器的标定结果如下：
试验以64张不同颜色的色卡作为实验对象，以ASD地物光谱仪作为参照仪器。选择天气晴朗、光条件好的中午进行试验测量，并对两者的测量结果进行了相关性分析，结果如图18所示。可以看出，红光650nm处的决定系数R2为：0.9957，近红外850nm处的决定系数R2为：0.9951。结果表示传感器测量结果与光谱相关系数很高，具有较高的精度。
上述图例仅为本发明的典型实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改或等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LED脉冲光源式作物冠层植被指数测定系统，其特征是：包括传感器、控制器和电源电路三个部分；
所述传感器包括主动光源模块、光学系统模块、信号调理与采样模块；主动光源模块设有一组红光LED和一组近红外LED以及脉冲驱动电路，由控制器输出脉冲信号来控制脉冲驱动电路交替驱动红光LED组和近红外LED组，使红光LED组和近红外LED组实现交替发光和脉冲闪烁，以作为主动式LED脉冲光源；光学系统模块包括一个收集光源反射光的凸透镜和一个接收光源反射光并转换成电流信号的光电探测器，光电探测器通过转换电路将其输出的电流信号转换为电压信号向后级的信号调理与采样模块输出；信号调理与采样模块包括滤波电路、放大电路和A/D采样电路，从光学系统模块传来的电压信号依次经滤波、放大和A/D采样后，转换为红光和近红外反射光强的数字信号向外输出至控制器；
所述控制器包括MCU模块、按键模块、数据存储模块、显示模块，其中按键模块、数据存储模块、显示模块均与MCU模块相连接；MCU模块接收传感器信号调理与采样模块的A/D采样电路传来的红光和近红外反射光强的数字信号，根据相应算法计算归一化植被指数（NDVI），将红光和近红外的NDVI值输出至显示模块显示，并根据按键模块的操作将数据存储至数据存储模块，MCU模块还向传感器的主动光源模块的脉冲驱动电路输出脉冲信号；按键控制模块设有系统复位按键、监测开始按键和存储数据按键；
所述电源电路采用锂电池进行供电，并设有电压转换电路，电压转换电路将电池供电转换成5V和3.3V电压以对整个系统进行供电。
2.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是：所述红光LED和近红外LED分别采用中心波段为650nm的红光LED和中心波段为850nm的近红外LED，所述光电探测器采用LSSPD-3.5光电二极管。
3.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是：所述控制器的MCU模块输出脉冲频率为100 Hz的脉冲信号至主动光源模块的脉冲驱动电路，并控制脉冲驱动电路对红光及近红外LED以10Hz的频率进行交替驱动。
4.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是：本测定系统将传感器、控制器和电源电路组装成一个一体式测量仪器，其中传感器部分采用一个空心圆柱筒作为外壳进行封装，红光LED和近红外LED交替排列成圆形并均布在外壳底面的圆周上，凸透镜设置在外壳空心筒内的下部，使外壳空心筒与外部隔离，光电探测器设置在外壳空心筒内凸透镜的上方，红光LED和近红外LED脉冲驱动电路和光电探测器的转换电路设置在外壳空心筒内。
5.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是：在主动光源模块的电路中，脉冲驱动电路采用2片LED恒流驱动芯片LM3519芯片LM1和LM2分别对红光LED组和近红外LED组进行驱动；由中心波段为650nm的红光LED D2～D5正向串接形成一个红光LED组，红光LED组的负极接LM1芯片的3脚，红光LED组的正极接LM1芯片的4脚，LM1芯片的1脚“En”端通过插口input1接收控制器传来的脉冲信号；由中心波段为850nm的近红外LED D6～D9正向串接形成一个近红外LED组，近红外LED组的负极接LM2芯片的3脚，近红外LED组的正极接LM2芯片的4脚，LM2芯片的1脚“En”端通过插口input2接收控制器传来脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是：在光学系统模块的电路中，光电探测器采用LSSPD-3.5光电二极管，LSSPD-3.5光电二极管VD1的N极接可调电阻R1的调节端，可调电阻R1的一端接VCC电源，另一端接模拟地AGND；光电二极管VD1的GND极接模拟地AGND；光电二极管VD1的P极串接电阻R2后接模拟地AGND，电阻R2的两端电压通过接口Vout向后级的信号调理与采样模块输出。
7.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是：在所述信号调理与采样模块的电路中，滤波电路采用一个带通滤波电路，输入信号Vi连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接电容C15、C16和电阻R8的一端，电容C15的另一端接地GND，电容C16的另一端接电阻R10的一端和OPA333运放芯片OP1的3脚，电阻R8的另一端接OP1芯片的1脚，电阻R10的另一端接地GND，OP1芯片的4脚串接电阻R13后接地GND，OP1芯片的4脚还接可调电阻Rx2的一端和调节端，可调电阻Rx2的另一端接OP1芯片的1脚，OP1芯片的1脚还作为滤波输出端；在放大电路中，滤波输出端接入OPA333运放芯片OP2的3脚，OP2芯片的4脚串接电阻R12后接地GND，OP2芯片的4脚还接可调电阻Rx1的一端和调节端，可调电阻Rx1的另一端接OP2芯片的1脚，OP2芯片的1脚还作为放大输出端；A/D采样电路采用12位串行模数转换芯片TLC2543芯片，放大电路传来的模拟量信号从TLC2543芯片的1、2、3脚输入，转换成数字信号后从16脚输出至控制器的MCU模块。
8.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是：在所述控制器的电路中，MCU模块采用MSP430单片机，MSP430单片机的21、22、23、24脚分别接A/D采样电路TLC2543芯片的18、16、17、15脚，MSP430单片机的14、15脚分别通过插口input1、input2向主动光源模块的LED恒流驱动芯片LM3519芯片LM1和LM2发送脉冲信号；按键模块的电路为，5V电源接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接MSP430单片机的6脚REST端和电容C14的一端，电容C14的另一端接地GND，系统复位按键k3并联在电容C14两端；5V电源接电阻R6和R7的一端，电阻R7的另一端接MSP430单片机的12脚KEY1端和监测开始按键k2的一端，电阻R6的另一端接MSP430单片机的13脚KEY2端和存储数据按键k1的一端，监测开始按键k2的另一端和存储数据按键k1的另一端共同接地GND；数据存储模块采用SD卡进行存储，并设有相应的接口电路，数据存储模块SD卡接口P3的3、5、7、9脚分别与MSP430单片机的30、31、29、28脚相连接，MSP430单片机采用SPI模式对SD卡进行读写；显示模块采用带字库的液晶显示模块LCD_12864，LCD_12864接口的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、17脚分别与MSP430单片机的49、50、51、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45脚相连接。
9.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是：所述MCU模块的工作流程包括以下步骤：
S1、系统上电后进行初始化；
S2、开中断；
S3、检测营养状况监测开始按键是否按下，如果检测到没有按下则继续检测，如果检测到已按下则转至下一步；
S4、向主动光源模块发送脉冲信号，点亮红光LED，并通过传感器采集红光LED的反射光强数据r；
S5、向主动光源模块发送脉冲信号，点亮近红外LED，并通过传感器采集近红外LED的反射光强数据ir；
S6、根据相应算法代入步骤S4和S5采集的数据计算NDVI值，并通过显示模块显示结果；
S7、检测存储数据按键是否按下，如果检测到没有按下则直接结束，如果检测到已按下则将步骤S6计算的NDVI值存入数据存储模块后结束。
10.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是：所述传感器的A/D采样方法如下：
传感器采用1秒内测量10次的测量频率，1次测量包含红光及近红外波段的两组反射光强数据，每次测量时将分别对每个波段连续采集5个近似方波脉冲周期，在每个近似方波的峰值期间再进行10次采样。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20171124 |