CN111189795B - 一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置，其包括发光模块、光谱采集模块和控制电路模块，所述发光模块包括近红外LED光源和全息光束整形扩散膜，所述近红外LED光源安装在灯筒的顶部四周，在灯筒的底部开设有检测窗，全息光束整形扩散膜设于检测窗的内部或下方，所述光谱采集模块包括光电探测器及菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜安装在检测窗的正上方，光电探测器安装在菲涅尔透镜的上方，同时光电探测器与所述控制电路模块连接，所述控制电路模块以无线或有线通信的方式将采集的数据信息发送到接收显示装置。本发明实现了在农机作业过程中谷物品质信息和地理位置信息的实时获取，及谷物品质田间分布图的绘制。
Description
技术领域
本发明涉及精确农业领域，特别涉及一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置。
背景技术
谷物品质指标是收获运输及农田管理等的重要参考信息。谷物的水分含量与其产量有着密切关联，田间谷物产量的正确估算为谷物的收获运输提供了重要参考信息。谷物的蛋白质含量与农田施肥等管理措施休戚相关，谷物的蛋白质含量田间分布图为农田管理决策提供了重要参考信息。传统的谷物品质指标获取方法是在室内使用化学方法来定量分析谷物品质含量，这些方法通常需要制样与检测，费时费力，难以满足现代农业对谷物品质指标的快速高效、实时准确获取的要求。基于近红外光谱的谷物品质农机在线检测装置使用近红外光谱分析检测技术能够无损绿色的在线分析获取谷物的水分和蛋白质含量信息。同时，结合地理位置信息可以绘制谷物品质田间分布图，为精确农业管理提供依据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，结合近红外光谱分析技术与GPS/北斗定位技术，提供了一种基于近红外光谱的谷物品质农机在线检测装置。该装置搭载在农机上跟随农机作业，通过近红外光谱检测装置在线采集谷物的近红外光谱并实时分析谷物的水分和蛋白质含量等信息，通过控制电路模块的GPS/北斗定位单元获取地理位置信息，简化了传统化学分析方法需要田间取样、破坏性制样及化学分析实验来获取谷物品质信息的繁杂过程，减少了需要人工标记取样位置来绘制谷物品质分布图对人力物力的消耗，同时实现了谷物品质检测信息和地理位置信息的快速高效获取及谷物品质田间分布图的绘制。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置，其包括发光模块、光谱采集模块和控制电路模块，所述发光模块包括近红外LED光源和全息光束整形扩散膜，所述近红外LED光源安装在灯筒的顶部四周，在灯筒的底部开设有检测窗，全息光束整形扩散膜设于检测窗的内部或下方，所述光谱采集模块包括光电探测器及菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜安装在检测窗的正上方，光电探测器安装在菲涅尔透镜的上方，同时光电探测器与所述控制电路模块连接，所述控制电路模块以无线或有线通信的方式将采集的数据信息发送到接收显示装置。
进一步的，所述灯筒的顶部四周开有均匀分布的若干LED光源安装孔，每个LED光源安装孔中安装一个近红外LED光源。
进一步的，所述灯筒内部设置为光束发射及反射的光通道；所述近红外LED光源呈45°朝向检测窗位置设置。
进一步的，所述检测窗的下方设有下基座，下基座上安装有全息光束整形扩散膜及检测窗法兰，其中全息光束整形扩散膜用于对多个LED光源光束进行准直，然后透过检测窗法兰照射样品，检测窗法兰用于隔离谷物与光通道。
进一步的，所述灯筒的顶部开有光电检测器安装孔，光电检测器安装孔内安装有所述光电探测器，光电检测器安装孔下设置有上基座，所述上基座开设有安装菲涅尔透镜的安装孔。
进一步的，所述灯筒通过灯筒卡座安装在下壳体上，下壳体与上壳体通过固定柱相互固定连接。
进一步的，所述控制电路模块包括微控制单元、光源驱动单元，光谱采集单元，语音控制与输出单元、GPS/北斗定位单元及无线通信单元。
更进一步的，所述光源驱动单元采用Maxim的MAX3766芯片实现自动光功率控制驱动，通过微控制单元的主控芯片IO口的高低电平控制模拟开关控制多个近红外LED光源分时驱动；所述光谱采集单元采用滨松S2386光电探测器采集光信号，其通过电流电压转换电路及四阶巴特沃斯带通滤波器将微弱光信号转换为电信号；所述语音控制与输出单元采用科大讯飞XFS5152CE语音合成芯片与微控制单元通过串口通讯实现语音控制与输出；所述GPS/北斗定位单元采用S1216F8-BD模组获取地理位置信息通过串口通信传输至微控制单元的主控芯片；所述无线通信单元采用NRF24L01与微控制单元通过SPI通信，向显示单元传输谷物反射光谱信息、谷物品质检测信息及地理位置信息，并接受控制显示单元的命令信号。
进一步的，所述接收显示装置包括显示屏、无线通信模块、语音控制输出模块；所述显示屏用于显示谷物品质检测信息、地理位置信息及谷物品质分布信息，所述无线通信模块采用NRF24L01实现，接收微控制单元传输的谷物反射光谱信息、谷物品质检测信息及地理位置信息，并向微控制单元发送控制指令，所述语音控制输出模块采用XFS5152CE语音合成芯片实现，接收语音转化成控制指令控制光谱采集，接收谷物品质信息转化成语音信号输出。
一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置的在线检测方法，农机作业时，定时采集谷物近红外反射光谱信息，预测谷物品质信息，同时通过控制电路模块的GPS/北斗定位单元获取当前地理位置信息；完成农机作业后，可获取多点的谷物品质信息及其对应的地理位置信息，由此可生成谷物品质分布图。
本发明的有益效果是：采用了近红外光谱分析技术和GPS/北斗定位技术相结合的在线检测方法，通过近红外光谱分析技术简化了化学分析方法获取谷物品质信息的繁杂过程，通过GPS/北斗定位技术减少人工定位的人力资源消耗；同时实现了在农机作业过程中谷物品质信息和地理位置信息的实时获取，及谷物品质田间分布图的绘制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的侧视图；
图4为图1的剖面视图；
图5为光路示意图。
图中标记为：1-近红外光源安装孔，2-近红外LED光源，3-光电探测器安装孔，4-光电探测器，5-灯筒，6-检测窗，7-下基座，8-全息光束整形扩散膜，9-检测窗法兰，10-上基座，11-菲涅尔透镜，12-控制电路模块，13-GPS/北斗定位模块，14-灯筒卡座，15-控制电路板固定柱，16-电池卡槽，17-可充电电池，18-下壳体固定柱，19-上壳体固定柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1至4所示，一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置，其包括发光模块、光谱采集模块和控制电路模块。所述发光模块包括近红外LED光源2和全息光束整形扩散膜8，所述光谱采集模块包括光电探测器4及菲涅尔透镜11，所述控制电路模块包括微控制单元、光源驱动单元，光谱采集单元，语音控制与输出单元、GPS/北斗定位单元及无线通信单元。光谱采集模块将采集的信号发送给光控制电路模块，控制电路模块以无线或有线通信的方式将采集的数据信息发送到接收显示装置。
本发明中，近红外LED光源2以45°均匀斜插在灯筒5顶部的近红外光源安装孔1中，光电探测器4垂直向下安装在灯筒5顶部的光电探测器安装孔3。光电探测器4正下方设有上基座10，上基座可安装菲涅尔透镜11。透镜正下方，灯筒底部开设检测窗6以及下基座7，下基座安装全息光束整形扩散膜8及检测窗法兰9。控制电路模块12通过控制电路模块固定柱15由螺丝固定。灯筒5通过灯筒卡座中14安装在下壳体上。GPS/北斗定位模块13集成安装在控制电路模块12上。上壳体与下壳体由上壳体固定19柱及下壳体固定柱18通过螺丝固定。
本发明中，所述发光模块和光谱采集模块通过控制电路模块连接，并通过控制电路模块以无线通信的方式将采集的光谱信息、品质信息及地理位置等数据信息发送到接收显示装置，所述的接收显示装置实时显示谷物品质信息，地理位置信息及谷物品质分布信息。
本发明中，所述光源驱动单元的采用Maxim的MAX3766芯片实现自动光功率控制驱动，通过微控制单元的主控芯片IO口的高低电平控制模拟开关控制多个近红外LED光源分时驱动。所述光谱采集单元的采用滨松的S2386光电探测器采集光信号，通过电流电压转换电路及四阶巴特沃斯带通滤波器将微弱光信号转换为电信号。所述语音控制与输出单元采用科大讯飞的XFS5152CE语音合成芯片与微控制单元通过串口通讯实现语音控制与输出。所述GPS/北斗定位单元采用S1216F8-BD模组获取地理位置信息通过串口通信传输至微控制单元的主控芯片。所述无线通信单元采用NRF24L01与微控制单元通过SPI通信，向显示单元传输谷物反射光谱信息、谷物品质检测信息及地理位置信息，并接受控制显示单元的命令信号。
本发明中，所述接收显示装置包括显示屏、无线通信模块、语音控制输出模块。所述的显示屏用于显示谷物品质检测信息、地理位置信息及谷物品质分布信息。所述的无线通信模块采用NRF24L01实现，接收微控制单元传输的谷物反射光谱信息、谷物品质检测信息及地理位置信息，并向微控制单元发送控制指令。所述的语音控制输出模块采用XFS5152CE语音合成芯片实现，接收语音转化成控制指令控制光谱采集，接收谷物品质信息转化成语音信号输出。
本发明中，多个LED光源1在灯筒5顶部呈圆周分布，光源呈45°朝向检测窗6位置，减少光束照射检测窗时产生的镜面反射对反射光谱的贡献，提高反射光谱的信噪比。多LED光束照射到圆形检测窗上形成大小一致直径为10mm的圆形光斑，光斑透过全息光束整形扩散膜8形成方向垂直向下的分布均匀、大小一致光束，降低多点光源光路差异造成的反射光谱差异，提高采集光谱的准确性。近红LED外光源1位置固定，测量过程中不受农业作业产生的振动、灰尘等的影响。
本发明中，菲涅尔透镜11安装灯筒底部检测窗的正上方，在保证不遮挡近红外入射光束的情况下，与检测窗的距离最近以保证将最多的发射光汇聚到光电探测器4的感光区域上，有效的降低了光谱信号噪声，提高了光谱信号的信噪比。
如图5所示，所述近红外LED光源2与检测窗6中心的夹角α为45°以减少镜面反射对反射光谱的贡献。所述检测窗6的大小及位置，与多个近红外LED光源2的在半值角β内的光束在检测窗6所在平面形成圆形重叠光斑的大小与位置一致。所述的近红外LED光源2的位置，根据夹角α、夹角β及检测窗的半径可以计算得到其距离检测窗6的水平距离及垂直距离，多个LED在同一平面呈均匀分布。所述的光电探测器4的感光部分处于检测窗6中心的正上方以接收全部反射光，且与近红外LED光源处于同一高度。所述的菲涅尔透镜11为14mm的圆形与检测窗相同，以汇聚全部的反射光。所述的菲涅尔透镜11与检测窗6距离，为在保证近红外LED光源2的半值角内光束能够完全照射检测窗平面的情况下的最小距离。
本发明中，所述灯筒根据近红外谷物品质农机在线检测装置对近红外光斑大小的要求在灯筒顶部的42mm的圆周上开设多个LED光源孔，根据光斑的大小开设了直径为14mm的圆形检测窗，在检测窗下设置了20mm*20mm的正方形基座用以安装全息光束整形扩散膜及检测窗法兰。在顶部开设直径14mm的圆形基座用以安装菲涅尔透镜。
本发明中，采集谷物近红外反射光谱时，控制电路模块12控制发光模块的多个近红外LED光源2分时发光，光束照射到直径14mm的圆形检测窗6上，形成直径14mm的圆形光斑，圆形光斑经过全息光束整形扩散膜8形成垂直的均匀分布的光束，透过检测窗法兰9照射到谷物上，经过与谷物的内部组成成分的充分接触，产生携带谷物组成成分信息的近红外反射光谱，反射光谱透过检测窗法兰9，经过全息光束整形扩散膜8准直成垂直光束，垂直光束经过菲涅尔透镜11汇聚全部到光电探测器4的感光部分上。光电探测器4将光信号转换成光电流，光电流经过控制电路模块12的光谱采集单元采集光谱信号。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置，其特征在于：包括发光模块、光谱采集模块和控制电路模块，所述发光模块包括近红外LED光源和全息光束整形扩散膜，所述近红外LED光源安装在灯筒的顶部四周，在灯筒的底部开设有检测窗，全息光束整形扩散膜设于检测窗的内部或下方，所述光谱采集模块包括光电探测器及菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜安装在检测窗的正上方，光电探测器安装在菲涅尔透镜的上方，同时光电探测器与所述控制电路模块连接，所述控制电路模块以无线或有线通信的方式将采集的数据信息发送到接收显示装置；所述灯筒的顶部四周开有均匀分布的若干LED光源安装孔，每个LED光源安装孔中安装一个近红外LED光源；所述灯筒内部设置为光束发射及反射的光通道；所述近红外LED光源呈45°朝向检测窗位置设置；所述检测窗的下方设有下基座，下基座上安装有全息光束整形扩散膜及检测窗法兰，其中全息光束整形扩散膜用于对多个LED光源光束进行准直，然后透过检测窗法兰照射样品，检测窗法兰用于隔离谷物与光通道；所述控制电路模块包括微控制单元、光源驱动单元，光谱采集单元，语音控制与输出单元、GPS/北斗定位单元及无线通信单元；所述光源驱动单元采用Maxim的MAX3766芯片实现自动光功率控制驱动，通过微控制单元的主控芯片IO口的高低电平控制模拟开关控制多个近红外LED光源分时驱动；所述光谱采集单元采用滨松S2386光电探测器采集光信号，其通过电流电压转换电路及四阶巴特沃斯带通滤波器将微弱光信号转换为电信号；所述语音控制与输出单元采用科大讯飞XFS5152CE语音合成芯片与微控制单元通过串口通讯实现语音控制与输出；所述GPS/北斗定位单元采用S1216F8-BD模组获取地理位置信息通过串口通信传输至微控制单元的主控芯片；所述无线通信单元采用NRF24L01与微控制单元通过SPI通信，向显示单元传输谷物反射光谱信息、谷物品质检测信息及地理位置信息，并接受控制显示单元的命令信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置，其特征在于：所述灯筒的顶部开有光电检测器安装孔，光电检测器安装孔内安装有所述光电探测器，光电检测器安装孔下设置有上基座，所述上基座开设有安装菲涅尔透镜的安装孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置，其特征在于：所述灯筒通过灯筒卡座安装在下壳体上，下壳体与上壳体通过固定柱相互固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置，其特征在于：所述接收显示装置包括显示屏、无线通信模块、语音控制输出模块；所述显示屏用于显示谷物品质检测信息、地理位置信息及谷物品质分布信息，所述无线通信模块采用NRF24L01实现，接收微控制单元传输的谷物反射光谱信息、谷物品质检测信息及地理位置信息，并向微控制单元发送控制指令，所述语音控制输出模块采用XFS5152CE语音合成芯片实现，接收语音转化成控制指令控制光谱采集，接收谷物品质信息转化成语音信号输出。
5.根据权利要求1至4任一项所述一种基于近红外光谱的便携式谷物品质在线检测装置的在线检测方法，其特征在于：农机作业时，定时采集谷物近红外反射光谱信息，预测谷物品质信息，同时通过控制电路模块的GPS/北斗定位单元获取当前地理位置信息；完成农机作业后，可获取多点的谷物品质信息及其对应的地理位置信息，由此可生成谷物品质分布图。
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