CN112881310A - 一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智慧农业的柑橘园监测技术领域，具体涉及一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，包括光谱仪主体、镜头、主体电池、光谱传感器、可编程嵌入式平台以及存储器；所述镜头安装在所述光谱仪主体的前端，所述光谱传感器、可编程嵌入式平台以及存储器均设置在所述光谱仪主体的内部，所述光谱传感器位于所述镜头正对的后方，所述光谱仪主体上设置有用于放置所述主体电池的主体电池仓，所述光谱传感器、存储器以及主体电池均与所述可编程嵌入式平台电性连接。本发明的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，简化了检测装置和检测流程，满足了用户不同使用场景的需求，实现了柑橘植株是否感染黄龙病的无损快速实时检测，同时也降低了检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及智慧农业的柑橘园监测技术领域，具体涉及一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪。
背景技术
柑橘是世界上产量最大的水果之一，也是我国南方地区种植规模最大的水果之一。黄龙病被称为柑橘的癌症，防控不到位会导致产量减少甚至绝收，造成当地经济损失惨重等一系列问题。当前柑橘生产管理过程中用到的传统柑橘黄龙病检测方法主要包括：田间症状诊断法、指示作物鉴定法、血清学检测法、电镜观察法、DNA-DNA杂交判别法、PCR检测法等，但都存在着一些缺陷和不足。田间症状诊断法，果农主要凭借经验对柑橘植株进行观察判定是否患有黄龙病，这种方式主观性强、精准程度低，对果农的专业性和经验知识提出了较高的要求和挑战。指示作物鉴定法则所需时间长，不适合大量的样品检测。血清学检测法抗体的制备技术复杂以及检测范围较窄。电镜观察法会因柑橘树体内的病原分布不均匀和电镜观察样品较小，而使其检出率较低，一般在60％-70％之间。DNA-DNA杂交判别法准确率不高。PCR检测需要人工采集样本送检，费时费力，成本较高，面对广袤的柑橘园也很难实行。
针对农业病害的光谱诊断技术研究由来已久，国内外已经有很多研究证实了光谱技术对农业病害检测的有效性。光谱柑橘黄龙病检测技术，由于其具有无损、快速的特点，成为了重点关注和研究对象，其在柑橘黄龙病的检测研究中取得了一些成果，表现出了较好的应用价值。发明人在前期已经对柑橘黄龙病进行了多年遥感研究，进行了大量数据分析与处理，基于柑橘植株叶片光谱，选择出了位于400nm-1000nm波段中针对黄龙病敏感的7-10个波段，通过获取柑橘植株叶片的光谱，得到叶片的物理属性及含氢化学键分子振动信息，并进行定性判定和定量分析，就可以得知样品是否含有黄龙病病原，以此设计了柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪。
发明内容
为了克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供了一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，简化了检测装置和检测流程，满足了用户不同使用场景的需求，实现了柑橘植株是否感染黄龙病的无损快速实时检测，同时也降低了检测成本。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，包括光谱仪主体、镜头、主体电池、光谱传感器、可编程嵌入式平台以及存储器；所述镜头安装在所述光谱仪主体的前端，所述光谱传感器、可编程嵌入式平台以及存储器均设置在所述光谱仪主体的内部，所述光谱传感器位于所述镜头正对的后方，所述光谱仪主体上设置有用于放置所述主体电池的主体电池仓，所述光谱传感器、存储器以及主体电池均与所述可编程嵌入式平台电性连接。
在本发明中，光谱传感器将镜头收集到的光信号转化为数字信号，可编程嵌入式平台对数字信号进行处理分析并存储在存储器中，简化了现有的检测装置以及检测流程，同时也降低了检测成本。
进一步的，还包括外接手柄，所述光谱仪主体通过可拆卸的方式安装在所述外接手柄上，所述外接手柄上设置有手柄电池仓，所述手柄电池仓的内部设置有充电电池组，所述外接手柄与所述光谱仪主体之间设置有用于供电以及数据传输的排线，与光谱仪主体结合，形成一个分体式的设计，满足不同使用场景的需求。
进一步的，所述外接手柄上设置有LCD显示屏、拍摄键、摇杆式方向键以及电源键，所述LCD显示屏、拍摄键、摇杆式方向键以及电源键均通过所述排线与所述可编程嵌入式平台电性连接，通过设置LCD显示屏，用户可以在LCD显示屏访问操作系统进行一系列设置和访问数据，电源键用以开启主动拍摄模式，摇杆式方向键便于用户移动光标对操作系统进行浏览，拍摄键按一次可以主动获取一次光谱数据，使用起来更加方便。
进一步的，所述镜头包括镀膜镜片以及主动光源，所述镀膜镜片以及主动光源均通过可拆卸的方式与所述光谱仪主体连接，其中的镀膜镜片可以针对实际情况进行定制，主动光源可以在阴天或其他外界自然光线不理想的情况下，对于光谱采集不利的情况下模拟自然光条件。
进一步的，所述主动光源由不同色温的LED灯珠组成，所述LED灯珠沿所述镜头的圆周均匀分布，使用效果更好。
进一步的，还包括GPS定位模块，所述GPS定位模块设置在所述光谱仪主体的内部，所述GPS定位模块与所述可编程嵌入式平台电性连接，为光谱仪提供了定位效果。
进一步的，还包括通讯模块，所述光谱仪主体上设置有用于放置所述通讯模块的通讯模块仓，所述通讯模块与所述可编程嵌入式平台电性连接，便于通讯。
进一步的，所述光谱仪主体上设置有与所述可编程嵌入式平台电性连接的USB接口，用于在无线网络通讯状况不好的情况下将数据导出至其他设备。
进一步的，所述可编程嵌入式平台与所述光谱传感器之间通过I2C方式进行通讯。
进一步的，所述光谱仪主体的外形为长方体状且为硬质外壳，所述光谱仪主体为的内部为中空的腔体结构，结构更加坚固，使用寿命长。
在本发明中，光谱仪主体与外接手柄采取分体式设计，可以根据用户需求，对二者进行分离或结合，采取不同的数据获取方式。基于前期研究成果，将筛选出的位于400nm-1000nm间的7-10个光谱波段组合作为参数，对光谱仪程序进行设置，每次拍摄时仅获取这些对黄龙病敏感的波段，降低了数据冗余度，极大减小了数据存储、传输和处理的压力，简化了以往复杂的检测流程，在不破坏植株的前提下，降低了检测成本并节省了检测时间，可广泛应用于柑橘植株的快速实时检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用前期研究得出的柑橘黄龙病检测敏感波段组合，对所述光谱仪进行参数设置，极大降低了数据的冗余，缓解了设备数据存储的压力。简化了检测装置和检测流程，检测装置的分体式设立满足了用户不同使用场景的需求，可实现柑橘植株是否感染黄龙病的无损快速实时检测，同时也降低了检测成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的光谱仪主体的结构示意图；
图2为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的光谱仪主体的主视图；
图3为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的光谱仪主体的侧视图；
图4为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的光谱仪主体的俯视图；
图5为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的光谱仪主体的仰视图；
图6为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的外接手柄的结构示意图；
图7为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的外接手柄的后视图；
图8为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的总体结构示意图；
图9为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的总体结构的侧视图；
图10为本发明的一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪的电子硬件系统架构图；
图11为本发明的实施例一的应用场景示意图。
其中：1、光谱仪主体；2、镜头；3、镀膜镜片；4、主动光源；5、光谱传感器；6、主体电池仓；7、主体电池；8、通讯模块仓；9、通讯模块；10、插针；11、USB接口；12、排线；13、外接手柄；14、LCD显示屏；15、手柄电池仓；16、拍摄键；17、摇杆式方向键；18、电源键；19、排线接口；20、可编程嵌入式平台；21、存储器。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例包括：
实施例一：
如图1-5所示，一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，包括光谱仪主体1、镜头2、主体电池7、光谱传感器5、可编程嵌入式平台20以及存储器21；镜头2安装在光谱仪主体1的前端，光谱传感器5、可编程嵌入式平台20以及存储器21均设置在光谱仪主体1的内部，光谱传感器5位于镜头2正对的后方，光谱仪主体1上设置有用于放置主体电池7的主体电池仓6，光谱传感器5、存储器21以及主体电池7均与可编程嵌入式平台20电性连接，光谱传感器5通过内部编程，利用镜头2仅获取波长在400nm-1000nm间特定7-10个波段组合的柑橘黄龙病检测敏感波段光信号，并将镜头2收集到的光信号转化为数字信号，可编程嵌入式平台20对数字信号进行处理分析并存储在存储器21中，简化了现有的检测装置以及检测流程，同时也降低了检测成本。
在本实施例中，镜头2包括镀膜镜片3以及主动光源4，镀膜镜片3以及主动光源4均通过可拆卸的方式与光谱仪主体1连接，其中的镀膜镜片3可以针对实际情况进行定制，主动光源4可以在阴天或其他外界自然光线不理想的情况下，对于光谱采集不利的情况下模拟自然光条件。
在本实施例中，主动光源4由不同色温的LED灯珠组成，LED灯珠沿镜头2的圆周均匀分布，使用效果更好。
在本实施例中，还包括GPS定位模块，GPS定位模块设置在光谱仪主体1的内部，GPS定位模块与可编程嵌入式平台20电性连接，为光谱仪提供了定位效果。
在本实施例中，还包括通讯模块9，光谱仪主体1上设置有用于放置通讯模块9的通讯模块仓8，通讯模块9与可编程嵌入式平台20电性连接，本实施例中的通讯模块9为可更换通讯模块9，可更换通讯模块9通过插针10与光谱仪主体1连接，可根据用户需求进行插拔更换不同模块，例如NB-IoT、3G/4G、RTK网络，用以将数据上传至云端服务器和边缘计算平台进行分析得出诊断结果，光谱仪主体1上设置有与可编程嵌入式平台20电性连接的USB接口11，用于在无线网络通讯状况不好的情况下将数据导出至其他设备。
在本实施例中，可编程嵌入式平台20和存储器21均设置在光谱仪主体1的内部，具体位于主体电池仓6和通讯模块仓8之间的空间内，可编程嵌入式平台20用于控制光谱仪各个部分工作的运作，并对光谱传感器5得到的光谱数字信号进行处理、分析，如图10所示。
在本实施例中，主体电池仓6和通讯模块仓8的仓门与光谱仪主体1的外壳采取分离式设计，可以通过卡扣开合。
在本实施例中，可编程嵌入式平台20与光谱传感器5之间通过I2C方式进行通讯。
在本实施例中，光谱仪主体1的外形为长方体状且为硬质外壳，光谱仪主体1为的内部为中空的腔体结构，结构更加坚固，使用寿命长。
在本实施例中，对目标区域固定的光谱采集方式工作过程如下：
1、光谱仪主体1单独工作，启动后，主体电池7为光谱仪主体1内的各部分供电；
2、将光谱仪主体1通过定制结构固定于传统相机三脚架上，通过角度调整，将光谱仪的镜头2对准感兴趣的目标叶片区域，如图11所示；
3、在本实施例中，可编程嵌入式平台20内置有RTC时钟，农户可以通过配套上位机软件进行设置，让光谱仪在特定时间对目标区域进行光谱信息获取，例如在中午12点获取光谱信息；
4、由于光谱仪内置可更换的通讯模块9，农户也可以通过通讯网络对光谱仪下发指令进行光谱信息拍摄，其中一种方式是通过手机短信发送指令，外界自然光线不佳的情况下，用户也可以通过远程指令开启光谱仪上的主动光源4；
5、光谱仪获取的每组光谱信息以文本方式存储在本地存储器21中，农户可以通过通讯网络对数据进行远程访问；
6、通过程序预设，光谱仪可以通过通讯网络定期向配套云端服务平台和边缘计算平台发送存储的光谱数据，云端服务器或边缘计算平台对光谱数据内的特定波段组合进行分析后，将分析所得的诊断结果发送给农户，例如目标叶片区域对应的柑橘树是否患有黄龙病，以短信方式告知农户。
实施例二：
本实施例在实施例一的基础上，如图6-9所示，还增加了外接手柄13，光谱仪主体1通过可拆卸的方式安装在外接手柄13上，外接手柄13上设置有手柄电池仓15，手柄电池仓15的内部设置有充电电池组，外接手柄13与光谱仪主体1之间设置有用于供电以及数据传输的排线12，光谱仪上也设置有相应的排线接口19，外接手柄13与光谱仪主体1结合，形成一个分体式的设计，满足不同使用场景的需求。
在本实施例中，外接手柄13上设置有LCD显示屏14、拍摄键16、摇杆式方向键17以及电源键18，LCD显示屏14、拍摄键16、摇杆式方向键17以及电源键18均通过排线12与可编程嵌入式平台20电性连接，通过设置LCD显示屏14，用户可以在LCD显示屏14访问操作系统进行一系列设置和访问数据，电源键18用以开启主动拍摄模式，摇杆式方向键17便于用户移动光标对操作系统进行浏览，拍摄键16按一次可以主动获取一次光谱数据，使用起来更加方便。
在本实施例中，对目标区域固定的光谱采集方式工作过程如下：
1、将光谱仪主体1安装于外接手柄13上，按下电源键18启动光谱仪主动拍摄模式；
2、农户手持光谱仪整体对感兴趣的区域进行光谱数据采集，按下手柄上的拍摄键16即可获取一次光谱数据，自然光照条件不佳时可开启主动光源4；
3、用户可以通过手柄上的摇杆式方向键17对光谱仪进行设置，也可以访问指定的光谱数据；
4、针对后续数据处理方法与实施例一中的步骤5-6相同，用户也可以通过LCD屏幕内的系统界面操作选择自主上传数据。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，包括光谱仪主体、镜头、主体电池、光谱传感器、可编程嵌入式平台以及存储器；所述镜头安装在所述光谱仪主体的前端，所述光谱传感器、可编程嵌入式平台以及存储器均设置在所述光谱仪主体的内部，所述光谱传感器位于所述镜头正对的后方，所述光谱仪主体上设置有用于放置所述主体电池的主体电池仓，所述光谱传感器、存储器以及主体电池均与所述可编程嵌入式平台电性连接。
2.根据权利要求1所述的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，还包括外接手柄，所述光谱仪主体通过可拆卸的方式安装在所述外接手柄上，所述外接手柄上设置有手柄电池仓，所述手柄电池仓的内部设置有充电电池组，所述外接手柄与所述光谱仪主体之间设置有用于供电以及数据传输的排线。
3.根据权利要求2所述的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，所述外接手柄上设置有LCD显示屏、拍摄键、摇杆式方向键以及电源键，所述LCD显示屏、拍摄键、摇杆式方向键以及电源键均通过所述排线与所述可编程嵌入式平台电性连接。
4.根据权利要求1所述的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，所述镜头包括镀膜镜片以及主动光源，所述镀膜镜片以及主动光源均通过可拆卸的方式与所述光谱仪主体连接。
5.根据权利要求4所述的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，所述主动光源由不同色温的LED灯珠组成，所述LED灯珠沿所述镜头的圆周均匀分布。
6.根据权利要求1所述的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，还包括GPS定位模块，所述GPS定位模块设置在所述光谱仪主体的内部，所述GPS定位模块与所述可编程嵌入式平台电性连接。
7.根据权利要求1所述的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，还包括通讯模块，所述光谱仪主体上设置有用于放置所述通讯模块的通讯模块仓，所述通讯模块与所述可编程嵌入式平台电性连接。
8.根据权利要求1所述的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，所述光谱仪主体上设置有与所述可编程嵌入式平台电性连接的USB接口。
9.根据权利要求1所述的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，所述可编程嵌入式平台与所述光谱传感器之间通过I2C方式进行通讯。
10.根据权利要求1至9任一项所述的柑橘黄龙病田间智能早期诊断光谱仪，其特征在于，所述光谱仪主体的外形为长方体状且为硬质外壳，所述光谱仪主体为的内部为中空的腔体结构。
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