CN112268877A - 一种基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备与方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备，包括主体框架、外壳、流通池、全波段氙灯光源、微型光纤光谱仪、运算控制模块、核心处理模块、电源模块以及人机交互模块等。全波段氙灯光源可以发出200‑2500nm的光，照射流通池内经显色处理后的待测营养液，微型光纤光谱仪接收到透射光信号后，传递光谱信息给核心处理模块，核心处理模块对光谱数据进行处理运算后调用数学模型计算得出营养液中各成分浓度并通过显示器反馈给用户，运算控制模块控制液体输送模块向流通池内输送待测营养液和试剂，电源模块为设备供电，以上所用模块均安装于主体框架上。本发明可用于检测植物工厂中使用常用营养液配方配制后的营养液中的大量元素离子。
Description
技术领域
本发明属于智能农业装备技术领域，涉及一种营养液浓度检测设备特别涉及一种基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备与方法。
背景技术
植物工厂是新兴起的现代设施农业的高级形式，能够实现作物周年连续生产的高效农业系统，目前我国植物工厂主要使用营养液栽培的方式进行作物的培养。营养液水培技术的核心是营养液，它可以直接影响作物的生长，是影响作物质量和产量的重要因素。目前的营养液检测主要有两种方法，一是TDS(总固体溶解度)测定仪配合pH计和EC计对营养液浓度进行估测，该方法检测精度低，效率低，不能适应植物工厂的快速化、精准化作业；二是取营养液样本，使用离子色谱仪对营养液中各组分的浓度进行检测，该方法的检测仪器昂贵且不能在线检测，费时费力，不能适应植物工厂的高效化、智能化作业。
随着智能控制技术的发展以及人们对作物质量和产量要求的提高，自动化、智能化系统在作物的生产领域变得越来越具有竞争力。运用智能控制技术完成植物工厂营养液的检测过程，不仅能实现生产过程营养液浓度检测的自动化，促进植物生长，提高营养成分的利用率和工作效率，还能促进营养液的循环利用，减少营养液废液的排放，减少浪费，减少生产废液对环境的污染，提高植物工厂生产作物的产量和质量。因此，研发一种检测精度高、自动化程度高、可实现实时在线检测的营养液浓度检测设备很有必要。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备与方法，以期高精度、高自动化的在线检测，可用于检测植物工厂中常用营养液配方中的大量元素离子，即硝酸根离子(NO3 - )、铵根离子(NH4 +)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)、钾离子(K+)以及总磷含量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备，包括：
全波段氙灯光源，发出200-2500nm的光，其出射口连接发射光纤；
微型光纤光谱仪，其连接有信号采集光纤，所述信号采集光纤的采集端与所述发射光纤的发射端位于同一直线上并具有间距；
流通池，有若干个，分别承载经显色处理后的待测营养液，呈周向阵列分布设置于一个转盘上，每个流通池设置有对称的入射口和出射口，所述入射口与所述发射光纤的发射端相对，所述出射口与所述信号采集光纤的采集端相对；
电机组件，连接所述转盘带动其转动，使得每个流通池的入射口和出射口依次对应位于所述发射光纤的发射端与所述信号采集光纤的采集端之间的检测光路上；
运算控制模块，控制液体输送模块将去离子水、待测营养液和试剂输送至流通池，控制电机组件转动，将各流通池旋至检测光路，接所述微型光纤光谱仪，计算待测营养液的多光谱吸光度A；
核心处理模块，采用偏最小二乘回归算法计算待测营养液的各成分浓度，计算公式：Y＝K·A+c，式中Y是输出值，即是各成分浓度，K是系数，c是常数项；K和c通过配置各成分标准溶液的不同比例、不同梯度混合液样本，用偏最小二乘回归算法根据混合液样本的透射光谱吸光度和计算浓度值计算获取；
人机交互模块，接所述核心处理模块并显示计算结果；
电源模块，连接各用电模块进行供电。
所述流通池通过液体输送模块的软管连接试剂瓶，所述流通池、全波段氙灯光源、微型光纤光谱仪、液体输送模块均固定在主体框架上，便于安装；所述运算控制模块、核心处理模块、电源模块、人机交互模块均固定在主体框架的外壳上，便于用户操作、调试以及查看检测结果；所述电机组件、液体输送模块通过电缆与所述运算控制模块相连，所述全波段氙灯光源、微型光纤光谱仪、运算控制模块通过电缆与所述核心处理模块相连；所述运算控制模块、全波段氙灯光源、微型光纤光谱仪、核心处理模块通过电缆与所述电源模块相连；所述电源模块通过电缆与220V市电或380V工业用电相连，为设备供电。
所述流通池为石英材质，且能通过190nm-2500nm光。
所述待测营养液的各成分为：硝酸根离子(NO3 -)、铵根离子(NH4 +)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)、钾离子(K+)以及总磷含量。
所述微型光纤光谱仪包括近红外微型光谱仪和紫外/可见光微型光谱仪。
本发明还提供了基于所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备的检测方法，步骤如下：
(1)设备开机上电：完成设备初始化；
(2)预热：全波段氙灯光源打开，预热20分钟以上；
(3)开机自清洗：液体输送模块从水箱中泵取去离子水清洗管路与流通池；
(4)待测营养液进行显色处理：液体输送模块将待测营养液输送至各流通池中，分别加入对应的显色剂和掩蔽剂，反应一段时间；
(5)设置参考光谱：在清洗流通池，且流通池中装满去离子水时，熄灭全波段氙灯光源，采集并设置暗参考Id，然后打开全波段氙灯光源，采集并设置白参考Iw；
(6)采集待测营养液的透射光谱：电机组件转动带动转盘，将各流通池依次旋至检测光路后停止，采集透射光谱IR，计算待测营养液的多光谱吸光度 A，
多光谱吸光度A波长范围为220nm-1750nm；
(7)采用偏最小二乘回归算法计算营养液中各成分浓度：
Y＝K·A+c
(8)待所有流通池内营养液均采集光谱完成后，排出废液，并清洗管路；
(9)显示检测结果。
所述系数K和常数项c的确定方法包括以下步骤：
a.数据采集：配制各成分标准溶液，按不同比例、不同梯度混合，取混合液样本大于100个，用所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备采集其透射光谱吸光度；
b.确定系数K和常数项c：以混合液样本的透射光谱吸光度和配制液的计算浓度值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出数K和常数项c。
所述待测营养液的各成分为硝酸根离子(NO3 -)、铵根离子(NH4 +)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)、钾离子(K+)以及总磷含量，检测建模光谱范围依次为220-275nm、390-410nm、530-600nm、540-650nm、1670-1740nm 以及690-710nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
a.本发明采用微型光纤光谱仪和全波段氙灯光源采集营养液的透射光谱，检测速度快、检测精度高。
b.本发明能直接安装在植物工厂的生产环境中进行使用，即能够完成营养液中大量元素成分的检测，且检测具有较高的精度和速度。
c.本发明具有结构简单、适应性强的优点，能够较大提高营养液浓度检测的智能化程度，且提高营养液的利用率，减少资源浪费。同时，对作物生长过程中对养分需求量的研究有较大帮助。
附图说明
图1是本发明基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备的机械结构图。
图2是本发明基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备的局部视图。
图3是本发明基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备的流通池部分截面图。
图4是本发明的营养液浓度检测软件的主界面。
附图标记：1、试剂瓶；2、LCD显示屏；3、设备控制盒；4、流通池；5、外壳；6、软管；7、主体框架；8、水箱；9、废液桶；10、电机组件；11、电磁阀；12、转盘；13、排阀；14、蠕动泵；15、发射光纤；16、近红外微型光谱仪；17、紫外/可见光微型光谱仪；18、全波段氙灯光源；19、信号采集光纤； 401、注液漏斗；402、光学流通池；403、流通池外壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2和图3所示，本发明一种基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备，包括附图标记：试剂瓶1、LCD显示屏2、设备控制盒3、流通池4、外壳5、软管6、主体框架7、水箱8、废液桶9、电机组件10、电磁阀11、转盘12、排阀13、蠕动泵14、发射光纤15、近红外微型光谱仪16、紫外/可见光微型光谱仪17、全波段氙灯光源18、信号采集光纤19等。
其中：
主体框架7为多层框架结构，外壳6为多层框架结构外部的壳体，外壳6 内部粘贴有黑色遮光幕布，以减少外界光干扰。试剂瓶1安装在多层框架结构的最上方，LCD显示屏2和设备控制盒3固定在外壳6外部侧面，便于用户操作、调试以及查看检测结果。
全波段氙灯光源18位于设备控制盒3中，可发出200-2500nm的光，其出射口连接发射光纤19。
微型光纤光谱仪，包括近红外微型光谱仪16和紫外/可见光微型光谱仪17，位于设备控制盒3中。其连接有信号采集光纤15，信号采集光纤15的采集端与发射光纤19的发射端位于同一直线上并具有间距，该直线为检测光路，信号采集光纤15采用Y型光纤。
流通池4，有若干个，分别承载经显色处理后的待测营养液，呈周向阵列分布设置于一个转盘12上，参考图3，流通池4包括光学流通池402，光学流通池402外包裹流通池外壳403，顶部设置注液漏斗401，光学流通池402采用石英材质，光程10mm，可以通过190nm-2500nm光，其外部的流通池外壳403 为3D打印的黑色尼龙外壳，减少外界光干扰的同时保护光学流通池402，注液漏斗401方便为光学流通池402注入液体。流通池4通过软管6连接试剂瓶 1，软管6上可设置排阀13和蠕动泵14，排阀13和蠕动泵14可固定在主体框架7上。流通池外壳403上设置有对称的入射口和出射口，入射口与发射光纤19的发射端相对，出射口与信号采集光纤1159的采集端相对，即，令一个流通池4(具体为光学流通池402)处于检测光路上。
电机组件10，固定在主体框架7上，连接转盘12带动其转动，使得每个流通池4的入射口和出射口依次对应位于发射光纤15的发射端与信号采集光纤 19的采集端之间的检测光路上；
运算控制模块，位于设备控制盒3中，采用STM32F103VET6单片机，控制液体输送模块将去离子水、待测营养液和试剂输送至流通池4，控制电机组件4转动，将各流通池4旋至检测光路，接微型光纤光谱仪，计算待测营养液的多光谱吸光度A。
核心处理模块，位于设备控制盒3中，通过电缆与运算控制模块相连，采用树莓派4B+，采用偏最小二乘回归算法计算待测营养液的各成分浓度，计算公式：Y＝K·A+c，式中Y是输出值，即是各成分浓度，K是系数，c是常数项；K和c通过配置各成分标准溶液的不同比例、不同梯度混合液样本，用偏最小二乘回归算法根据混合液样本的透射光谱吸光度和计算浓度值计算获取。
人机交互模块，即LCD显示屏2，安装在外壳5的外侧面，接核心处理模块并显示计算结果。
电源模块，位于设备控制盒3中，通过电缆与220V市电或380V工业用电相连，为各用电模块供电。
水箱8和废液桶9设置在多层框架结构的最底层，水箱8通过软管6连接至流通池，可完成输送管路的清洗。各流通池4的出口通过带电磁阀11的出液管连接废液桶9，将完成检测的待测营养液排出。
本实施例中，流通池4的数量为6个，相应地，电磁阀11的数量也为6个。蠕动泵14的数量为12个，其中10个是设置在试剂瓶1与流通池4相连的管路上，1个设置于水箱8和排阀13之间，1个设置于排阀13与营养液输入口之间。
本发明还提供了基于所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备的检测方法的检测方法，可自动测量经显色处理的待测营养液的透射光谱吸光度，并计算出其给离子浓度含量。全波段氙灯光源18发出200-2500nm的光，经光纤19传输后光近似于平行光射入流通池，照射经显色处理后的待测营养液，出射光经Y型光纤15传输至近红外微型光谱仪16和紫外/可见光微型光谱仪 17，微型光谱仪将采集的光谱信息传输至核心处理模块，核心处理模块调用离子浓度预测模型，计算得出待测营养液中各成分浓度，并通过人机交互模块的显示器反馈给用户。其具体步骤如下：
(1)设备开机上电：完成设备初始化；
(2)预热：全波段氙灯光源打开，预热20分钟以上；
(3)开机自清洗：液体输送模块从水箱中泵取去离子水清洗管路与流通池；
(4)待测营养液进行显色处理：输送管路将待测营养液输送至各流通池4 中，分别加入对应的显色剂和掩蔽剂，反应一段时间；所用的显色剂有：酸性铬蓝K、钙指示剂、钒钼酸铵、次氯钠、水杨酸、18-冠醚-6、硝普钠；所用的掩蔽剂有：三乙醇胺、邻菲啰啉、氨水。
(5)设置参考光谱：在清洗流通池，且流通池中装满去离子水时，熄灭全波段氙灯光源，采集并设置暗参考Id，然后打开全波段氙灯光源，采集并设置白参考Iw；
(6)采集待测营养液的透射光谱：电机转动带动转盘，将各流通池依次旋至检测光路后停止，采集透射光谱IR，计算待测营养液的多光谱吸光度A，
多光谱吸光度A波长范围为220nm-1750nm；
(7)采用偏最小二乘回归算法计算营养液中各成分浓度：
Y＝K·A+c
其中系数K和常数项c的确定方法包括以下步骤：
a.数据采集：配制各成分标准溶液，按不同比例、不同梯度混合，取混合液样本大于100个，用所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备采集其透射光谱吸光度；
b.确定系数K和常数项c：以混合液样本的透射光谱吸光度和配制液的计算浓度值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出数K和常数项c，建立偏最小二乘回归建立的定量模型。
(8)待所有流通池内营养液均采集光谱完成后，排出废液，并清洗管路；
(9)显示检测结果。
本发明的检测原理是：
朗伯—比尔定律，当一束平行单色光通过一均匀溶液时，光的一部分被样品室反射回来，一部分被溶液吸收，一部分则透过溶液通常情况下，分光光度法测量的是透射光强度，透射光强度的改变与溶液的浓度c，透光厚度L有关，其数学表达式如下:
式中，
——吸光度，用A表示，K——比例常数，它仅和入射光波长及物质的性质有关，与其他参数无关。
硝酸根离子在紫外光220nm波长处的吸收，且溶解的有机物在220nm波长处也有吸收，而硝酸盐在275nm处没有吸收。因此，在275nm处作一次测量，以校正有机物对硝酸盐测定的影响。以△A＝A220-A275，对硝酸盐含量进行拟合，测量硝酸根离子含量。该法测量硝酸根最低检出浓度为0.2mg/L，测定范围为0.4-10mg/L。
在酸性条件下磷与钒钼酸铵生成黄色的钒钼黄络合物。在波长410±15nm 下测定试样溶液中钒钼黄的吸光度值，钒钼黄的吸光度值与总磷的浓度成正比。该法测量总磷含量的最低检出浓度为0.05mg/L，测定范围为0.1-0.75mg/L.
在碱性介质中，铵根离子与次氯酸盐、水杨酸反应生成一种稳定的蓝色化合物，可于波长700±10nm处进行光度测定。试样中共存离子对铵盐的测定没有干扰。该法最低检出铵根离子浓度为0.01mg/L，测定范围为0.02-1.2mg/L。
在碱性缓冲溶液(pH＞9)的条件下，钙指示剂与钙离子生成可溶的酒红色络合物，而与镁离子则无此反应。酸性铬蓝K溶液可与钙离子和镁离子同时发生显色反应，生成可溶的酒红色络合物。可于波长530-650nm处分别进行光度测定，可测得钙离子含量在0～2.4mg/L，镁离子含量在0～1.3mg/L。
18-冠醚-6通过偶极离子作用可以与钾离子形成具有一定稳定性的配合物, 于1700±40nm经近红外光谱分析，钾离子的检测范围为0.0406-0.8628g/L。
图4是本发明的营养液浓度检测软件主界面，该软件能够显示已检测出的待测营养液中各组分浓度。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的；本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (8)
1.一种基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备，其特征在于，包括：
全波段氙灯光源，发出200-2500nm的光，其出射口连接发射光纤；
微型光纤光谱仪，其连接有信号采集光纤，所述信号采集光纤的采集端与所述发射光纤的发射端位于同一直线上并具有间距；
流通池，有若干个，分别承载经显色处理后的待测营养液，呈周向阵列分布设置于一个转盘上，每个流通池设置有对称的入射口和出射口，所述入射口与所述发射光纤的发射端相对，所述出射口与所述信号采集光纤的采集端相对；
电机组件，连接所述转盘带动其转动，使得每个流通池的入射口和出射口依次对应位于所述发射光纤的发射端与所述信号采集光纤的采集端之间的检测光路上；
运算控制模块，控制液体输送模块将去离子水、待测营养液和试剂输送至流通池，控制电机组件转动，将各流通池旋至检测光路，接所述微型光纤光谱仪，计算待测营养液的多光谱吸光度A；
核心处理模块，采用偏最小二乘回归算法计算待测营养液的各成分浓度，计算公式：Y＝K·A+c，式中Y是输出值，即是各成分浓度，K是系数，c是常数项；K和c通过配置各成分标准溶液的不同比例、不同梯度混合液样本，用偏最小二乘回归算法根据混合液样本的透射光谱吸光度和计算浓度值计算获取；
人机交互模块，接所述核心处理模块并显示计算结果；
电源模块，连接各用电模块进行供电。
2.根据权利要求1所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备，其特征在于，所述流通池通过液体输送模块的软管连接试剂瓶，所述流通池、全波段氙灯光源、微型光纤光谱仪、液体输送模块均固定在主体框架上，便于安装；所述运算控制模块、核心处理模块、电源模块、人机交互模块均固定在主体框架的外壳上，便于用户操作、调试以及查看检测结果；所述电机组件、液体输送模块通过电缆与所述运算控制模块相连，所述全波段氙灯光源、微型光纤光谱仪、运算控制模块通过电缆与所述核心处理模块相连；所述运算控制模块、全波段氙灯光源、微型光纤光谱仪、核心处理模块通过电缆与所述电源模块相连；所述电源模块通过电缆与220V市电或380V工业用电相连，为设备供电。
3.根据权利要求1所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备，其特征在于，所述流通池为石英材质，且能通过190nm-2500nm光。
4.根据权利要求1所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备，其特征在于，所述待测营养液的各成分为：硝酸根离子(NO3 -)、铵根离子(NH4 +)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)、钾离子(K+)以及总磷含量。
5.根据权利要求1所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备，其特征在于，所述微型光纤光谱仪包括近红外微型光谱仪和紫外/可见光微型光谱仪。
6.基于权利要求1所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备的检测方法，其特征在于，步骤如下：
(1)设备开机上电：完成设备初始化；
(2)预热：全波段氙灯光源打开，预热20分钟以上；
(3)开机自清洗：液体输送模块从水箱中泵取去离子水清洗管路与流通池；
(4)待测营养液进行显色处理：液体输送模块将待测营养液输送至各流通池中，分别加入对应的显色剂和掩蔽剂，反应一段时间；
(5)设置参考光谱：在清洗流通池，且流通池中装满去离子水时，熄灭全波段氙灯光源，采集并设置暗参考Id，然后打开全波段氙灯光源，采集并设置白参考Iw；
(6)采集待测营养液的透射光谱：电机组件转动带动转盘，将各流通池依次旋至检测光路后停止，采集透射光谱IR，计算待测营养液的多光谱吸光度A，
多光谱吸光度A波长范围为220nm-1750nm；
(7)采用偏最小二乘回归算法计算营养液中各成分浓度：
Y＝K·A+c
(8)待所有流通池内营养液均采集光谱完成后，排出废液，并清洗管路；
(9)显示检测结果。
7.根据权利要求6所述检测方法，其特征在于，所述系数K和常数项c的确定方法包括以下步骤：
a.数据采集：配制各成分标准溶液，按不同比例、不同梯度混合，取混合液样本大于100个，用所述基于微型光谱仪的营养液浓度精准检测设备采集其透射光谱吸光度；
b.确定系数K和常数项c：以混合液样本的透射光谱吸光度和配制液的计算浓度值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出数K和常数项c。
8.根据权利要求6所述检测方法，其特征在于，所述待测营养液的各成分为硝酸根离子(NO3 -)、铵根离子(NH4 +)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)、钾离子(K+)以及总磷含量，检测建模光谱范围依次为220-275nm、390-410nm、530-600nm、540-650nm、1670-1740nm以及690-710nm。
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