CN113008372A - 一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，包括：观测装置、无线传输装置和物联网数据采集传输模块；观测装置与无线传输装置连接；无线传输装置与物联网数据采集传输模块之间进行无线传输；观测装置包括调整角度模块、采集模块、主控制器；调整角度模块和采集模块均与主控制器连接；调整角度模块用于调整观测角度；采集模块用于采集原始灰度值；主控制器用于控制调整角度模块进行角度调整；主控制器还用于控制采集周期，以及上行辐射光线采集通道和下行辐射光线采集通道的切换；无线传输装置用于将观测装置采集的原始灰度值上传至物联网数据采集传输模块。本发明实现了自动观测以及远程长时间周期的数据观测。
Description
技术领域
本发明涉及多角度观测系统领域，特别是涉及一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统。
背景技术
在农业表型数据研究中，由于日光诱导叶绿素与植被的光合作用之间存在着密切的联系，常被称作是“光合作用探针”，其在干旱监测、陆地蒸散、病害胁迫等研究中都有一定的应用。对日光诱导叶绿素荧光的连续监测可以动态地表征植被在一天中不同时段的光合生理状态。因此，越来越多的科研工作者的研究需要日光诱导叶绿素荧光数据。
一方面，由于陆表二向反射效应的存在，植被在接收到太阳辐射后，向各个方向发出的反射辐射强度不一，单一角度的垂直观测使冠层上部的信息占据主导，而冠层中下部的信息无法反映在观测结果中，使观测结果无法全面反映植被的真实光合生理状态。现存的多角度观测系统通过观测人员的手动改变天顶角和方位角，达到多角度观测的效果，然而该方法自动化程度较低，对植被进行全天候观测时，会耗费大量人力资源。
另一方面，传统的日光诱导叶绿素荧光观测设备使用的是现场观测原始数据，并由数据观测人员使用人工操作的方式将原始数据通过数据线传输到PC机中，并在PC机中完成日光诱导叶绿素荧光的计算后使用。此类观测设备同样自动化程度较低，需要数据观测人员来到数据观测现场，无法实现远程长时间周期的数据观测。
发明内容
本发明的目的是提供一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，以解决现有技术中的观测设备自动化程度低，无法实现远程长时间周期的数据观测的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，包括：观测装置、无线传输装置和物联网数据采集传输模块；所述观测装置与所述无线传输装置连接；所述无线传输装置与所述物联网数据采集传输模块之间进行无线传输；
所述观测装置包括调整角度模块、采集模块、主控制器；所述调整角度模块和所述采集模块均与所述主控制器连接；所述调整角度模块用于调整观测角度；所述观测角度包括天顶角和方位角；所述采集模块用于采集原始灰度值；所述原始灰度值包括上行辐射光线的原始灰度值和下行辐射光线的原始灰度值；所述主控制器用于控制所述调整角度模块进行角度调整；所述主控制器还用于控制采集周期，以及上行辐射光线采集通道和下行辐射光线采集通道的切换；
所述无线传输装置用于将所述观测装置采集的所述原始灰度值上传至所述物联网数据采集传输模块；
所述主控制器通过预设观测角度控制所述调整角度模块调整所述观测角度达到所述预设观测角度，所述主控制器控制所述采集模块采集所述原始灰度值，所述采集模块通过所述无线传输装置将所述原始灰度值上传至所述物联网数据采集传输模块中，所述物联网数据采集传输模块对所述原始灰度值进行处理，得到日光诱导叶绿素荧光值。
可选的，所述角度调整模块具体包括：伺服电机、谐波减速器、圆弧滑轨和滑块；
所述伺服电机的一端与所述主控制器连接，所述伺服电机的另一端通过所述谐波减速器与所述圆弧滑轨连接；所述滑块设于所述圆弧滑轨上，所述滑块与所述主控制器连接；所述滑块用于调整所述天顶角，所述圆弧滑轨用于调整所述方位角。
可选的，所述采集模块具体包括：光谱仪、光纤、第一余弦矫正器、第二余弦矫正器、Y型光纤和TTL双通道光路切换开关；
所述光谱仪的一端与所述主控制器连接，所述光谱仪的另一端通过所述光纤与所述TTL双通道光路切换开关连接；所述TTL双通道光路切换开关通过所述Y型光纤分别与所述第一余弦矫正器和所述第二余弦矫正器连接；所述第一余弦矫正器设于太阳能发电装置的上方；所述第一余弦矫正器用于采集下行辐射光线；所述第二余弦矫正器设于所述滑块上；所述第二余弦矫正器用于采集上行辐射光线；所述TTL双通道光路切换开关用于切换所述上行辐射光线采集通道和所述下行辐射光线采集通道；所述光谱仪用于对所述上行辐射光线和所述下行辐射光线进行光谱分析，得到所述原始灰度值。
可选的，所述物联网数据采集传输模块具体包括：物联网云平台、第一云数据库、云服务器和第二云数据库；
所述物联网云平台的一端与所述无线发射装置连接，所述物联网云平台的另一端与所述第一云数据库连接，所述第一云数据库与所述云服务器连接，所述云服务器与所述第二云数据库连接；所述物联网云平台用于解析所述原始灰度值；所述第一云数据库用于储存解析后的原始灰度值；所述云服务器主动读取所述解析后的原始灰度值，通过日光诱导叶绿素荧光算法计算日光诱导叶绿素荧光值；所述第二云数据库用于储存所述日光诱导叶绿素荧光值。
可选的，所述多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统还包括：立杆、底盘车架和车轮；
所述底盘车架下方装有四个所述车轮，所述底盘车架上方通过螺栓连接所述立杆。
可选的，所述立杆包括第一立杆和第二立杆；
所述第一立杆为L形；所述第一立杆的下端与所述第二立杆的上端滑动连接，所述立杆用于调节所述观测装置的高度；
所述第一立杆的尾端与所述伺服电机连接。
可选的，所述多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统还包括：供电装置；
所述光谱仪、所述主控制器、所述伺服电机、所述TTL双通道光路切换开关均与所述供电装置连接；所述供电装置埋设于地面，所述供电装置用于为所述光谱仪、所述主控制器、所述伺服电机和所述TTL双通道光路切换开关提供电源。
可选的，所述多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统还包括：防水防尘设备箱；
所述防水防尘设备箱设于所述第一立杆的上方；所述防水防尘设备箱用于安装所述光谱仪、所述主控制器、所述无线传输装置和所述TTL双通道光路控制开关。
可选的，所述太阳能发电装置设于所述第一立杆的顶部；所述太阳能发电装置与所述供电装置连接；所述太阳能发电装置用于为所述供电装置充电。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及的多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，主控制器通过预设观测角度控制所述调整角度模块调整观测角度达到所述预设观测角度，所述主控制器控制所述采集模块采集所述原始灰度值，所述采集模块通过所述无线传输装置将所述原始灰度值上传至所述物联网数据采集传输模块中，在所述物联网数据采集传输模块对所述原始灰度值进行处理，得到日光诱导叶绿素荧光值。本发明通过调整角度模块自动调整观测角度，实现了自动观测；主控制器通过控制采集周期，实现了远程长时间周期的数据观测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明多角度日光诱导叶绿素荧荧光自动观测系统的结构图；
图2为本发明多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统的俯视图；
图3为本发明多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统的硬件连接与数据传输示意图；
图4为本发明多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统主控制器的程序流程图。
符号说明：1-谐波减速器；2-第一立杆；3-第二立杆；4-圆弧滑轨；5-车轮；6-底盘车架；7-地面；8-供电装置；9-第一余弦校正器；10-滑块；11-伺服电机；12-防水防尘设备箱；13-第二余弦校正器；14-太阳能发电装置；15-Y型光纤。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，以解决现有技术中的观测设备自动化程度低，无法实现远程长时间周期的数据观测的问题。
计算机自动控制系统可以通过将输出信号与输入信号的误差传递到自动观测系统当中，并通过算法调整自动观测系统的参数，以达到精确控制自动观测系统的目的。云平台是分布式计算平台，通过网络，可以将较大的数据计算处理程序部署在云平台中，通过多部服务器组成的系统完成这些计算，得到结果并可供全部用户查看。因此，使用计算机控制理论可以完成多角度日光诱导叶绿素荧光的采集自动化，使用云平台技术可以实现日光诱导叶绿素荧光数据的远程采集，以及数据的自动连续观测，有效解决数据观测时过程繁琐的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统的结构图，图2为本发明多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统的俯视图，如图1和图2所示，多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统包括：观测装置、无线传输装置和物联网数据采集传输模块；所述观测装置与所述无线传输装置连接；所述无线传输装置与所述物联网数据采集传输模块之间进行无线传输。
所述观测装置包括调整角度模块、采集模块、主控制器；所述调整角度模块和所述采集模块均与所述主控制器连接；所述调整角度模块用于调整观测角度；所述观测角度包括天顶角和方位角；所述采集模块用于采集原始灰度值；所述原始灰度值包括上行辐射光线的原始灰度值和下行辐射光线的原始灰度值；所述主控制器用于控制所述调整角度模块进行角度调整；所述主控制器还用于控制采集周期，以及上行辐射光线采集通道和下行辐射光线采集通道的切换。
所述无线传输装置用于将所述观测装置采集的所述原始灰度值上传至所述物联网数据采集传输模块。
所述主控制器通过预设观测角度控制所述调整角度模块调整所述观测角度达到所述预设观测角度，主控制器发出指令，伺服电机11和谐波减速器1带动圆弧滑轨4转动，通过PID控制算法使其到达预设方位角后停止；主控制器通过PID算法控制滑块10在圆弧滑轨4上移动，达到预设天顶角后停止。所述主控制器控制所述采集模块采集所述原始灰度值，图3为本发明多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统的硬件连接与数据传输示意图，如图3所示，主控制器通过USB传输的方式读取光谱仪所采集的原始灰度值，通过所述无线传输装置将所述原始灰度值上传至所述物联网数据采集传输模块中，所述物联网数据采集传输模块对所述原始灰度值进行处理，得到日光诱导叶绿素荧光值。
作为一种可选的实施方式，所述角度调整模块具体包括：伺服电机11、谐波减速器1、圆弧滑轨4和滑块10。
所述伺服电机11的一端与所述主控制器连接，所述伺服电机11的另一端通过所述谐波减速器1与所述圆弧滑轨4连接，所述伺服电机11控制所述圆弧滑轨4在360°的范围内往复旋转，以满足观测方位角；所述滑块10设于所述圆弧滑轨4上，所述滑块10与所述主控制器连接；所述滑块10用于调整所述天顶角，所述圆弧滑轨4用于调整所述方位角。
作为一种可选的实施方式，所述采集模块具体包括：光谱仪、光纤、第一余弦校正器9、第二余弦矫正器13、Y型光纤15和TTL双通道光路切换开关。TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑集成电路)。
所述光谱仪的一端与所述主控制器连接，所述光谱仪的另一端通过所述光纤与所述TTL双通道光路切换开关连接；所述TTL双通道光路切换开关通过所述Y型光纤15分别与所述第一余弦校正器9和所述第二余弦矫正器13连接；所述第一余弦校正器9设于太阳能发电装置14的上方；所述第一余弦校正器9用于采集下行辐射光线；所述第二余弦矫正器13设于所述滑块10上；所述第二余弦矫正器13用于采集上行辐射光线；所述TTL双通道光路切换开关用于切换所述上行辐射光线采集通道和所述下行辐射光线采集通道；所述光谱仪用于对所述上行辐射光线和所述下行辐射光线进行光谱分析，得到所述原始灰度值。
如图3所示，所述物联网数据采集传输模块具体包括：物联网云平台、第一云数据库、云服务器和第二云数据库。
所述物联网云平台的一端与所述无线传输装置连接，所述物联网云平台的另一端与所述第一云数据库连接，所述第一云数据库与所述云服务器连接，所述云服务器与所述第二云数据库连接；所述物联网云平台用于解析所述原始灰度值；所述第一云数据库用于储存解析后的原始灰度值；所述云服务器主动读取所述解析后的原始灰度值，通过日光诱导叶绿素荧光算法计算日光诱导叶绿素荧光值；所述第二云数据库用于储存所述日光诱导叶绿素荧光值。
作为一种可选的实施方式，所述多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统还包括：立杆、底盘车架6和车轮5；所述底盘车架6下方装有四个所述车轮5，所述底盘车架6上方通过螺栓连接所述立杆。
作为一种可选的实施方式，所述立杆包括第一立杆2和第二立杆3；所述第一立杆2为L形；所述第一立杆2的下端与所述第二立杆3的上端滑动连接，所述立杆用于调节所述观测装置的高度，以满足不同高度观测对象的日光诱导叶绿素荧光观测；所述第一立杆2的尾端与所述伺服电机11连接。
作为一种可选的实施方式，所述多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统还包括：供电装置8；所述光谱仪、所述主控制器、所述伺服电机11、所述TTL双通道光路切换开关均与所述供电装置8连接；所述供电装置8埋设于地面7，所述供电装置8用于为所述光谱仪、所述主控制器、所述伺服电机11和所述TTL双通道光路切换开关提供电源。
作为一种可选的实施方式，所述多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统还包括：防水防尘设备箱12；所述防水防尘设备箱12设于所述第一立杆2的上方；所述防水防尘设备箱12用于安装所述光谱仪、所述主控制器、所述无线传输装置和所述TTL双通道光路切换开关。通过自动控制的方法确保防水防尘设备箱12的温度和湿度在适合光谱仪工作的范围内。
作为一种可选的实施方式，所述太阳能发电装置14设于所述第一立杆2的顶部；所述太阳能发电装置14与所述供电装置8连接；所述太阳能发电装置14用于为所述供电装置8充电。
本实施例的工作过程如下：
图4为本发明多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统主控制器的程序流程图，如图4所示，根据数据采集人员的需求将预设天顶角和方位角写入主控制器，主控制器首先读取CPU温度；而后由主控制器通过PID控制算法控制伺服电机11运动，伺服电机11通过谐波减速器1与圆弧滑轨4相连接，当圆弧滑轨4运动到满足条件的方位角后停止。之后主控制器控制安装在圆弧滑轨4上的滑块10运动，使滑块10运动到满足观测条件的天顶角后停止。
当圆弧滑轨4和滑块10运动到预定位置之后，然后主控制器发出信号给TTL双通道光路切换开关，使其开启下行辐射光线采集通道，即第二余弦校正器13所在的光路，通过USB传输的方式读取光谱仪采集的下行辐射光线的原始灰度值和下行暗电流，存储在主控制器的变量空间中；存储完成后主控制器再次发出信号控制TTL双通道光路切换开关，打开上行辐射光线采集通道，即第一余弦校正器9所在的光路，通过USB传输的方式读取光谱仪采集上行辐射光线的原始灰度值和上行暗电流，同样存储在主控制器的变量空间中；而后构建由上行辐射光线的原始灰度值、下行辐射光线的原始灰度值、暗电流数据以及主控制器的CPU温度数据组成的数据包，并通过无线传输装置，将其发送至物联网云平台。
如图3所示，物联网云平台接收到数据之后，将原始灰度值以及暗电流解析到与第一云数据库中；使用部署在云服务器的程序自动读取第一云数据库中的原始灰度值以及暗电流数据，结合辐射定标系数计算上下辐射，通过特定的日光诱导叶绿素荧光算法计算日光诱导绿素荧光值；最后将计算结果存储至第二云数据库中，供用户下载和查看。
整个工作过程通过埋在地面7下方的供电装置8为光谱仪、主控制器、伺服电机11、TTL双通道光路切换开关提供电源，并通过太阳能发电装置14将太阳能转化为电能为供电装置8充电，保证工作过程的连续可靠。
本发明提供了一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，可以根据观测人员要求，控制圆弧滑轨4和滑块10运动到预设位置后，测量上行辐射光线的原始灰度值和下行辐射光线的原始灰度值，并通过无线传输装置将数据上传至第一云数据库中，然后使用过云服务器读取原始数据，并通过特定的算法对原始数据进行处理，得到日光诱导叶绿素荧光值，存储在第二云数据库中，以便用户远程访问数据和下载查看。能够简化用户获取日光诱导叶绿素荧光观测数据的过程，提高采集稳定性和自动化程度。
本发明所提供的一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统通过计算机控制技术和云平台技术，解决了传统的设备中用户需要到现场才能收集终端采集到的数据以及无法长时间自动采集多角度数据的问题，提高了日光诱导叶绿素荧光采集的自动化程度，简化了采集者工作流程。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，其特征在于，包括：观测装置、无线传输装置和物联网数据采集传输模块；所述观测装置与所述无线传输装置连接；所述无线传输装置与所述物联网数据采集传输模块之间进行无线传输；
所述观测装置包括调整角度模块、采集模块、主控制器；所述调整角度模块和所述采集模块均与所述主控制器连接；所述调整角度模块用于调整观测角度；所述观测角度包括天顶角和方位角；所述采集模块用于采集原始灰度值；所述原始灰度值包括上行辐射光线的原始灰度值和下行辐射光线的原始灰度值；所述主控制器用于控制所述调整角度模块进行角度调整；所述主控制器还用于控制采集周期，以及上行辐射光线采集通道和下行辐射光线采集通道的切换；
所述无线传输装置用于将所述观测装置采集的所述原始灰度值上传至所述物联网数据采集传输模块；
所述主控制器通过预设观测角度控制所述调整角度模块调整所述观测角度达到所述预设观测角度，所述主控制器控制所述采集模块采集所述原始灰度值，所述采集模块通过所述无线传输装置将所述原始灰度值上传至所述物联网数据采集传输模块中，所述物联网数据采集传输模块对所述原始灰度值进行处理，得到日光诱导叶绿素荧光值。
2.根据权利要求1所述的多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，其特征在于，所述角度调整模块具体包括：伺服电机、谐波减速器、圆弧滑轨和滑块；
所述伺服电机的一端与所述主控制器连接，所述伺服电机的另一端通过所述谐波减速器与所述圆弧滑轨连接；所述滑块设于所述圆弧滑轨上，所述滑块与所述主控制器连接；所述滑块用于调整所述天顶角，所述圆弧滑轨用于调整所述方位角。
3.根据权利要求2所述的多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，其特征在于，所述采集模块具体包括：光谱仪、光纤、第一余弦校正器、第二余弦矫正器、Y型光纤和TTL双通道光路切换开关；
所述光谱仪的一端与所述主控制器连接，所述光谱仪的另一端通过所述光纤与所述TTL双通道光路切换开关连接；所述TTL双通道光路切换开关通过所述Y型光纤分别与所述第一余弦矫正器和所述第二余弦矫正器连接；所述第一余弦矫正器设于太阳能发电装置的上方；所述第一余弦矫正器用于采集下行辐射光线；所述第二余弦矫正器设于所述滑块上；所述第二余弦矫正器用于采集上行辐射光线；所述TTL双通道光路切换开关用于切换所述上行辐射光线采集通道和所述下行辐射光线采集通道；所述光谱仪用于对所述上行辐射光线和所述下行辐射光线进行光谱分析，得到所述原始灰度值。
4.根据权利要求3所述的多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，其特征在于，所述物联网数据采集传输模块具体包括：物联网云平台、第一云数据库、云服务器和第二云数据库；
所述物联网云平台的一端与所述无线发射装置连接，所述物联网云平台的另一端与所述第一云数据库连接，所述第一云数据库与所述云服务器连接，所述云服务器与所述第二云数据库连接；所述物联网云平台用于解析所述原始灰度值；所述第一云数据库用于储存解析后的原始灰度值；所述云服务器主动读取所述解析后的原始灰度值，通过日光诱导叶绿素荧光算法计算日光诱导叶绿素荧光值；所述第二云数据库用于储存所述日光诱导叶绿素荧光值。
5.根据权利要求4所述的多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，其特征在于，所述多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统还包括：立杆、底盘车架和车轮；
所述底盘车架下方装有四个所述车轮，所述底盘车架上方通过螺栓连接所述立杆。
6.根据权利要求5所述的多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，其特征在于，所述立杆包括第一立杆和第二立杆；
所述第一立杆为L形；所述第一立杆的下端与所述第二立杆的上端滑动连接，所述立杆用于调节所述观测装置的高度；
所述第一立杆的尾端与所述伺服电机连接。
7.根据权利要求6所述的多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，其特征在于，所述多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统还包括：供电装置；
所述光谱仪、所述主控制器、所述伺服电机、所述TTL双通道光路切换开关均与所述供电装置连接；所述供电装置埋设于地面，所述供电装置用于为所述光谱仪、所述主控制器、所述伺服电机和所述TTL双通道光路切换开关提供电源。
8.根据权利要求7所述的多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，其特征在于，所述多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统还包括：防水防尘设备箱；
所述防水防尘设备箱设于所述第一立杆的上方；所述防水防尘设备箱用于安装所述光谱仪、所述主控制器、所述无线传输装置和所述TTL双通道光路控制开关。
9.根据权利要求8所述的多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统，其特征在于，所述太阳能发电装置设于所述第一立杆的顶部；所述太阳能发电装置与所述供电装置连接；所述太阳能发电装置用于为所述供电装置充电。
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| CN202110248641.9A CN113008372A (zh) | 2021-03-08 | 2021-03-08 | 一种多角度日光诱导叶绿素荧光自动观测系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2021-03-08 CN CN202110248641.9A patent/CN113008372A/zh active Pending
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