CN108872141B - 一种基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率快速无损检测电路、装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率快速无损检测电路、装置及方法。本发明利用光照射水稻叶片表面，光的一部分被叶片反射，另一部分透过叶片。随着光波长的增加，光的透入程度有所变化，透射光携带有叶片水分的特征信息，通过对透射光的光谱进行分析，建立光谱与含水率关系的预测模型，以检测水稻叶片含水率。本发明的基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率无损检测装置及方法可实现水稻叶片含水率快速无损检测，其检测速度快、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及含水率测量领域，更具体涉及基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测。
背景技术
水分是水稻的主要组成成分，水稻的含水率是影响作物生长的重要因素，所以研究水稻含水率及其检测对于水稻具有重要意义。近年来，国内外不少研究人员对作物的含水率检测方法及检测仪器进行了积极的研究与探索。陈香等人利用基于透射光谱测量含水率的方法，实现了玉米叶片的含水率测量；孙俊等人利用植物冠层光谱特性与含水率关系建立了水稻叶片含水率模型，实现了水稻叶片含水率的预测；周超超等人利用基于变介质型电容传感器原理设计了植物叶片含水率检测仪，实现了植物叶片含水率的检测。这些方法或仪器在对植物含水率测量时会对植物造成损伤，并且由于水稻叶片结构的特殊性，这些装置和方法无法很好地运用于水稻叶片的快速无损检测。
发明内容
本发明提供了在不破坏叶片完整性的情况下，对水稻叶片进行基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测装置及方法。现存的许多测量方法破坏了叶片完整性，测量速度慢且复杂难操作，本发明能够很好地弥补这些不足之处。
本发明所提供的检测电路的技术方案为：一种基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测电路，包括用于检测叶片的红外检测模块、数据采集模块和控制及数据处理模块；所述控制及数据处理模块分别和红外检测模块、数据采集模块相连；红外检测模块包括驱动模块、光发送模块和光接收模块；叶片位于光发送模块和光接收模块之间，光发送模块在控制模块的控制下，由驱动模块驱动发出红外光，红外光透过叶片后被光接收模块接收；数据采集模块包括光功率放大模块、低通滤波模块和A/D转换模块，红外检测模块中的光接收模块与数据采集模块的光功率放大模块相连，光功率放大模块输出端连接低通滤波模块，经过滤波器后与A/D转换模块连接；控制及数据处理模块中包含控制模块，数据处理模块，显示模块和按键模块；A/D转换模块的输出与数据处理模块相连，数据处理模块、按键模块和显示模块与控制模块相连。其中的控制及数据处理模块接收数据采集模块发送过来的数据，并对数据进行光谱分析处理，由显示模块进行含水率检测结果显示,按键模块用于人机交互，可选择设备的工作模式和工作状态。
进一步，控制模块选用32位单片机进行系统控制。
进一步，数据处理模块用FPGA系统对采集的高频信号进行处理。
进一步，光接收模块采用光电倍增管接收光信号。
进一步，光发送模块可采用普通红外发光管，经滤光片之后的到想要波长的光。
进一步，滤光片透光波长为650nm，700nm，730nm，760nm，800nm。
本发明的装置的技术方案为：一种基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测装置，包括不透光密封箱、以及基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测电路；
不透光密封箱的一侧面有叶片进口，叶片进口的上端和下端分别设有软滚轮(2)，不透光密封箱的顶面和底面分别固定有光发送模块(6)、光接收模块(7)，水稻叶片经两软滚轮(2)传送到位于箱体中部平行放置的上下两块透明亚克力薄板(16)之间，上亚克力薄板(16)固定有滤光轮(9)，滤光轮(9)在驱动电机(15)的带动下能够水平转动，进而带动滤光轮(9)上的滤光片转动，由光发送模块(6)产生的红外光经过滤光片的滤光得到单一波长的光，透过叶片后被光接收模块(7)接收，通过数据采集模块和控制及数据处理模块实现近红外光谱分析和水稻叶片含水率检测。
进一步，所述软滚轮(2)包括中心转轴(3)、驱动中心转轴(3)转动的电机(4)，以及开在不透光密封箱前后侧面的用于支撑中心转轴(3)、电机(4)的转轴支撑槽(5)。
进一步，所述光发送模块(6)、滤光轮(9)上的滤光片、光接收模块(7)位于同一垂线上。
本发明方法的技术方案为：一种叶片含水率检测方法，包括步骤如下：
步骤1，光发送模块产生的不同波长的光透过待检测叶片，获取不同透射程度的光；
步骤2，将透射光经过数据采集模块进行信号放大、滤波、A/D转换，并发送控制模块和数据处理模块进行光谱分析；
步骤3，基于光谱与水稻叶片含水率的数学模型，获取当前检测水稻叶片含水率；
步骤4，步骤3中的数学模型计算公式为:
y＝-0.933-1.524T800+2.912T730-0.594DVI(760,650)
其中y表示水稻叶片含水率，T730表示在730波段下的光谱透射率，T800表示在800波段下的光谱透射率，DVI(760，650)表示在760和650波段下的差值植被指数。
本发明基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测装置及方法有效弥补了这些缺陷，实现了水稻叶片含水率的快速无损检测。近红外光谱分析技术具有速度快，效率高，样品处理简单等优点，这对近红外光谱分析技术的普及利用具有重要的现实意义。本发明的测量方法充分运用了近红外光谱分析技术的这些优点，用不同波长光照射叶表，光的一部分被叶片反射，另一部分被叶片吸收。随着波长的增加，光的透入程度会有所变化，透射光中携带了水稻叶片的含水率信息，对透射光进行分析，可以得到水稻叶片含水率，根据这一原理设计了水稻叶片的含水率检测装置。
附图说明
图1为本发明基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率无损检测装置的结构框图；
图2为检测模块的装置图；
具体实施方式
以下为结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明所提供的一种基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测装置，其包括用于检测叶片的红外检测模块、数据采集模块和控制及数据处理模块。控制模块选用32位单片机，对整个系统进行控制，并且实现人机交互的功能。如图2所示，当检测装置检测时，叶片位于光发送模块和光接收模块之间。检测模块中光发送模块在控制模块的单片机控制下，由驱动模块驱动发出红外光，红外光透过叶片后被位于正下方的光接收装置接收。光接收装置中采用透光波长为650nm，700nm，730nm，760nm，800nm的滤光片，如图2中的10,11,12,13,14所示。光发送模块可采用普通红外发光管，经滤光片之后的到想要波长的光。为提高精度，光接收模块采用光电倍增管接收光信号。
光接收模块接收到微弱的光信号并发送至光信号采集模块，信号采集模块先对信号进行光放大，然后经过低通滤波器滤除高频干扰信号。当低通滤波器滤去高频干扰信后，高速A/D转换模块对信号进行采样。
采样完成之后，将采样信号发送至控制及数据处理模块进行数据处理。由于单片机的数据处理能力有限，无法对高频信号进行处理，所以采用FPGA对采样信号进行辅助处理，该过程受单片机控制。处理完毕后再通过串口发送给单片机，再由单片机控制显示模块进行显示。通过控制及数据处理模块的按键模块可以选择系统的工作模式和切换显示菜单等。
本发明所设计的检测装置如图2所示，不透光密封箱的一侧面有叶片进口，叶片进口的上端和下端分别设有软滚轮2，不透光密封箱的顶面和底面分别固定有光发送模块6、光接收模块7，水稻叶片经两软滚轮2传送到位于箱体中部平行放置的上下两块透明亚克力薄板16之间，上亚克力薄板16固定有滤光轮9，滤光轮9在驱动电机15的带动下能够水平转动，进而带动滤光轮9上的滤光片转动，由光发送模块6产生的红外光经过滤光片的滤光得到单一波长的光，透过叶片后被光接收模块7接收，通过数据采集模块和控制及数据处理模块实现近红外光谱分析和水稻叶片含水率检测。
具体结构如下：
(1)图中的1为不透光密封箱，能够减少自然光的干扰。
(2)图中的2为软滚轮，水稻叶片经两滚轮传送，能够毫无损坏地到达滤光轮(图2中的9)下边。
(3)图中的3为软滚轮的中心转轴，带动软滚轮转动。
(4)图中的4为安装驱动软滚轮的电机部分，一上一下，在单片机控制下同步反向转动。
(5)图中的5为转轴支撑槽，用于支撑软滚轮中心轴。
(6)图中的6为固定红外发光管的固定板，红外发光管均匀安装在上边。
(7)图中的7为光接收模块的光电倍增管固定装置，位于装置6正下方，光电倍增管均匀安装在上边。
(8)图中的8为挡光罩。
(9)图中的9为滤光轮，由固定在图中16的上层固定板的小电机(图中的15)驱动其转动，以切换滤光片；滤光轮上分布了通带为650nm，700nm，730nm，760nm，800nm的滤光片(如图中10,11,12,13,14)；当发光管发出的光透过滤光片，可得到相应波长的光。
(10)图中15为滤光轮的驱动电机。
(11)图中的16为透明亚克力薄板，其韧性强，透光度好，可固定叶片及滤光轮，同时不干扰光信号传播。整个装置在控制及数据处理模块的单片机控制下进行工作。
综上，本发明的一种基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率快速无损检测装置及方法。本发明利用光照射水稻叶片表面，光的一部分被叶片反射，另一部分透过叶片。随着光波长的增加，光的透入程度有所变化，透射光携带有叶片水分的特征信息，通过对透射光的光谱进行分析，建立光谱与含水率关系的预测模型，以检测水稻叶片含水率。本发明的基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率无损检测装置及方法可实现水稻叶片含水率快速无损检测，其检测速度快、成本低。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测装置，其特征在于，包括不透光密封箱、以及基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测电路；
其中，基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测电路包括用于检测叶片的红外检测模块、数据采集模块、控制及数据处理模块；所述控制及数据处理模块分别和红外检测模块、数据采集模块相连；
红外检测模块包括驱动模块、光发送模块和光接收模块；叶片位于光发送模块和光接收模块之间，光发送模块在控制模块的控制下，由驱动模块驱动发出红外光，红外光透过叶片后被光接收模块接收；
滤光片透光波长为650nm，700nm，730nm，760nm，800nm；
数据采集模块包括光功率放大模块、低通滤波模块和A/D转换模块，红外检测模块中的光接收模块与数据采集模块的光功率放大模块相连，光功率放大模块输出端连接低通滤波模块，经过滤波器后与A/D转换模块连接；
控制及数据处理模块中包含控制模块，数据处理模块，显示模块和按键模块；A/D转换模块的输出与数据处理模块相连，数据处理模块、按键模块和显示模块与控制模块相连,其中的控制及数据处理模块接收数据采集模块发送过来的数据，并对数据进行光谱分析处理，由显示模块进行含水率检测结果显示,按键模块用于人机交互，可选择设备的工作模式和工作状态；
控制模块选用32位单片机进行系统控制；数据处理模块用FPGA系统对采集的高频信号进行处理；光接收模块采用光电倍增管接收光信号；光发送模块采用普通红外发光管，经滤光片之后得到想要波长的光；
不透光密封箱的一侧面有叶片进口，叶片进口的上端和下端分别设有软滚轮(2)，不透光密封箱的顶面和底面分别固定有光发送模块(6)、光接收模块(7)，水稻叶片经两软滚轮(2)传送到位于箱体中部平行放置的上下两块透明亚克力薄板(16)之间，上亚克力薄板(16)固定有滤光轮(9)，滤光轮(9)在驱动电机(15)的带动下能够水平转动，进而带动滤光轮(9)上的滤光片转动，由光发送模块(6)产生的红外光经过滤光片的滤光得到单一波长的光，透过叶片后被光接收模块(7)接收，通过数据采集模块和控制及数据处理模块实现近红外光谱分析和水稻叶片含水率检测；
所述软滚轮(2)包括中心转轴(3)、驱动中心转轴(3)转动的电机(4)，以及开在不透光密封箱前后侧面的用于支撑中心转轴(3)、电机(4)的转轴支撑槽(5)；
所述光发送模块(6)、滤光轮(9)上的滤光片、光接收模块(7)位于同一垂线上。
2.一种根据权利要求1所述的基于近红外光谱分析的水稻叶片含水率检测装置的叶片含水率检测方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1，光发送模块产生的不同波长的光透过待检测叶片，获取不同透射程度的光；
步骤2，将透射光经过数据采集模块进行信号放大、滤波、A/D转换，并发送控制及数据处理模块进行光谱分析；
步骤3，基于光谱与水稻叶片含水率的数学模型，获取当前检测水稻叶片含水率；
步骤4，步骤3中的数学模型计算公式为:
y＝-0.933-1.524T800+2.912T730-0.594DVI(760,650)
其中y表示水稻叶片含水率，T730表示在730波段下的光谱透射率，T800表示在800波段下的光谱透射率，DVI(760，650)表示在760和650波段下的差值植被指数。
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