CN114902947B - 白菜糖度在线监测装置及采用该装置实现的滴灌调控系统 - Google Patents
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Abstract
白菜糖度在线监测装置及采用该装置实现的滴灌调控系统，涉及蔬菜种植过程中含糖度在线监测领域。本发明解决了对白菜滴灌调控种植过程中，如何实现在线、无损、同步测量白菜含糖度的问题。本发明糖度测量探头包括插固式菜心探头、插固式菜帮探头和夹持式菜叶探头，可对菜心、菜帮和菜叶同步在线测量，嵌入式主板用于依次通过导光玻璃纤维束和糖度测量探头向白菜相应监测位置发送近红外探测光，近红外探测光包括两种波长的光；近红外探测光入射至白菜相应监测位置后，从白菜相应监测位置出射的近红外探测光依次由糖度测量探头和导光玻璃纤维束原路返回至嵌入式主板计算糖度。本发明主要用于东北酸菜专用白菜的糖度监测。
Description
技术领域
本发明涉及蔬菜种植过程中含糖度在线监测领域。
背景技术
东北酸菜是以新鲜、营养丰富的白菜为主要原料，在低浓度食盐条件下，由乳酸菌发酵酸渍而成，具有口感鲜脆、色泽金黄、酸味浓郁醇厚的特点。酸菜的发酵机理主要是通过乳酸菌的代谢作用将白菜中的还原糖转化成乳酸，当充分发酵时酸菜中的还原糖含量从3％降至百分之零点几，说明白菜的含糖量对乳酸发酵进程起到至关重要的作用，同时含糖量也是鲜白菜最重要的感官品质和营养品质，提升白菜的含糖度可为乳酸发酵提供足够的还原糖，使酸渍产酸速度快、加速发酵进程、抑制杂菌滋生，并对优化和固化酸菜的独特风味有重要作用。东北酸菜是白菜深加工的重要形式，目前白菜酸渍加工正向产业化、标准化方向快速发展，由于鲜白菜的品质优劣直接影响着酸菜的最终品质，因此，规格化高品质的白菜对东北酸菜产业具有极为重要的意义。
在白菜传统种植方式中，盲目的“大水大肥”，不仅浪费宝贵的水资源和肥料，还导致白菜风味降低、品质变差。通过水肥一体化肥料调控可提高白菜的品质，但目前水肥滴灌主要目标是节水和节肥，尚未从东北酸菜的发酵机理出发种植含糖度高的专用白菜，而且现有的滴灌系统中采用的氮、磷、钾传感器主要用于土壤养分监测，缺少农田现场使用的白菜含糖度在线定量监测手段，无法对白菜的养分吸收和糖度转换效果进行在线监测，使现有的白菜水肥滴灌无法形成真正的“闭环”调控，需要针对缺失的环节实现在线监测，才能针对东北酸菜产业的实际需求进行精准调控种植。
目前对白菜含糖度测量主要采用红外吸收光谱仪器，这类台式精密仪器价格昂贵，只适于实验室内使用。由于白菜体积较大无法直接测量，需要制作白菜不同部位的待测试样，置于近红外吸收光谱仪中进行测试，属于非在线有损测试。由于糖度在白菜的菜帮、菜叶、菜心部分的含糖度各不相同，应用手持式近红外糖度仪也无法对靠内部的菜帮和菜心位置的糖度有效测试，如何实现低成本、在线、无损、同步测量白菜的含糖度，是结球期白菜含糖度调控的最关键环节，故以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决对白菜滴灌调控种植过程中，如何实现在线、无损、同步测量白菜含糖度的问题，本发明提供了一种白菜糖度在线监测装置及采用该装置实现的滴灌调控系统。
白菜糖度在线监测装置，包括嵌入式主板、导光玻璃纤维束、糖度测量探头、土壤氮磷钾养分传感器、土壤pH值传感器、土壤温度及含水率传感器、支撑杆、太阳能电池板、无线网络天线和云平台；
糖度测量探头设置在白菜相应监测位置上；白菜相应监测位置包括白菜的菜心、菜帮和菜叶；所述糖度测量探头包括插固式菜心探头、插固式菜帮探头和夹持式菜叶探头；
嵌入式主板通过支撑杆固定于距地面预设高度的位置；支撑杆的底部安装有土壤氮磷钾养分传感器、土壤pH值传感器和土壤温度及含水率传感器；
土壤氮磷钾养分传感器，用于采集土壤养分发送至嵌入式主板后，通过无线网络天线传输至云平台；
土壤pH值传感器，用于采集土壤pH值并发送至嵌入式主板后，通过无线网络天线传输至云平台；
土壤温度及含水率传感器，用于采集土壤温度和土壤含水率并发送至嵌入式主板后，通过无线网络天线传输至云平台；
太阳能电池板固定在支撑杆上，用于给嵌入式主板、土壤氮磷钾养分传感器、土壤pH值传感器、土壤温度及含水率传感器和无线网络天线进行供电；
嵌入式主板用于依次通过导光玻璃纤维束和糖度测量探头向白菜相应监测位置发送近红外探测光，近红外探测光入射至白菜相应监测位置后，从白菜相应监测位置出射的近红外探测光依次由糖度测量探头和导光玻璃纤维束原路返回至嵌入式主板；近红外探测光包括两种波长的光，其中，一种波长的光作为测量光，另一种波长的光作为参考光；
嵌入式主板用于对从白菜相应监测位置出射的近红外探测光中的参考光和测量光进行处理，从而获得白菜相应监测位置的糖度；还用于将白菜相应监测位置的糖度通过无线网络天线传输至云平台。
优选的是，嵌入式主板用于对从白菜相应监测位置出射的近红外探测光中的参考光和测量光进行处理，从而获得白菜相应监测位置的糖度的实现方式为：
首先、对从白菜相应监测位置出射的近红外探测光中的参考光和测量光进行光电转化后，分别获得测量光强度I(λ1)和参考光强度I(λ2)；
其次、对测量光强度I(λ1)与参考光强度I(λ2)的比值取对数，获得比值结果
再次、根据比值结果M与预设糖度标定曲线间的对应关系，获得该比值结果M所对应的糖度；其中，预设糖度标定曲线上的每个点横、纵坐标分别为比值结果M的值和该比值结果M的值所对应的糖度。
优选的是，嵌入式主板包括控制器、驱动电路、近红外LED光源、光路耦合分束模块、测量光探测转换电路、参考光探测转换电路；
控制器通过驱动电路对近红外LED光源进行驱动控制，使近红外LED光源生成的一束近红外探测光送至光路耦合分束模块进行分束后，送至相应的糖度测量探头；
光路耦合分束模块还用于对糖度测量探头所接收的从相应探测位置出射的近红外探测光中的测量光和参考光进行分离，将测量光送至测量光探测转换电路进行光电转化后，获得的测量光强度I(λ1)送至控制器，同时还将参考光送至参考光探测转换电路进行光电转化后，获得的参考光强度I(λ2)送至控制器；
控制器还用于根据从相应探测位置出射的近红外探测光中的测量光强度I(λ1)和参考光强度I(λ2)，获得相应探测位置的糖度。
优选的是，控制器还用于根据从相应探测位置出射的近红外探测光中的测量光强度I(λ1)和参考光强度I(λ2)，获得相应探测位置的糖度的实现方式为：
先对测量光强度I(λ1)与参考光强度I(λ2)的比值取对数，获得比值结果
再根据比值结果M与预设糖度标定曲线间的对应关系，获得该比值结果M所对应的糖度；其中，预设糖度标定曲线上的每个点横、纵坐标分别为比值结果M的值和该比值结果M的值所对应的糖度。
优选的是，夹持式菜叶探头包括夹固式固定夹和1号直角反射棱镜；
夹固式固定夹的上、下夹板的夹持面上均覆有第一硅胶；
夹固式固定夹的上、下夹板的夹持面上均设有一个1号直角反射棱镜，且上、下夹板上的1号直角反射棱镜相对设置；
导光玻璃纤维束的探测端同时与两个导光连接件的一端连接，两个导光连接件的另一端分别固定在夹固式固定夹的上、下夹板的夹持面上，且两个导光连接件的另一端分别与其对应的1号直角反射棱镜间存在间隙；
夹固式固定夹的上、下夹板间夹持白菜的菜叶；
从导光玻璃纤维束出射的近红外探测光经夹固式固定夹的上夹板上的1号直角反射棱镜反射后，入射至夹持白菜的菜叶，又经夹持白菜的菜叶透射后，入射至夹固式固定夹的下夹板上的1号直角反射棱镜后，返回至导光玻璃纤维束。
优选的是，插固式菜帮探头插固在白菜的相邻菜帮间的间隙内；
插固式菜帮探头包括菜帮探片和2号直角反射棱镜；
菜帮探片的探测面上覆有第二硅胶；
菜帮探片的探测面上设置有一个2号直角反射棱镜，导光玻璃纤维束的探测端固定在菜帮探片的探测面上，且与2号直角反射棱镜间存在间隙；
从导光玻璃纤维束出射的近红外探测光经过2号直角反射棱镜入射至白菜的菜帮，经菜帮漫反射后通过2号直角反射棱镜返回至导光玻璃纤维束。
优选的是，插固式菜心探头用于插固在白菜的菜心处；
插固式菜心探头包括空心探柄和3号直角反射棱镜，3号直角反射棱镜固定在空心探柄的空心筒出口处，导光玻璃纤维束的探测端插固在空心探柄的空心筒内，并与3号直角反射棱镜间存在间隙；
从导光玻璃纤维束出射的近红外探测光经过3号直角反射棱镜入射至白菜的菜心，经菜心漫反射后通过3号直角反射棱镜返回至导光玻璃纤维束。
优选的是，测量光波长871nm，参考光886nm。
采用所述的白菜糖度在线监测装置实现的滴灌调控系统，所述滴灌调控系统还包括水肥滴灌种植系统；
白菜糖度在线监测装置中的云平台，用于根据白菜相应监测位置的糖度通过水肥滴灌种植系统对土壤的养分、土壤中pH值、土壤温度和土壤含水率进行调节。
优选的是，水肥滴灌种植系统包括水泵机井、配电柜、过滤器、施肥机、水肥罐、混合管路、气象站和灌溉管路；
配电柜用于对水泵机井和施肥机进行供电；
气象站用于进行气象监测，并将监测结果通过以太网送至云平台；
水泵机井用于泵出灌溉水，并送至过滤器进行过滤，过滤后的灌溉水送至水肥罐，并与水肥罐内的肥料进行混后形成肥液，通过施肥机将水肥罐内的肥液送至混合管路后，再通过灌溉管路送至灌溉带进行灌溉。
原理分析：
本发明所述的白菜糖度在线监测装置是一种东北酸菜专用的滴灌调控种植过程糖度监测装置，以导光玻璃纤维束传输近红外探测光，通过近红外探测光探测白菜的菜叶、菜心、菜帮的含糖度。所述的白菜糖度在线监测装置布设于水肥一体化滴灌种植白菜地的分布监测点，通过对白菜的糖度和土壤钾肥养分变化的同步测量，实时表征白菜的养分吸收和糖度转换效果。
本发明带来的有益效果是：为实现东北酸菜用高品质白菜的规格化种植目标，本发明提出一种在滴灌系统中增加白菜糖度在线监测装置及采用该装置实现的滴灌调控系统，利用近红外探测光无损在线监测，补齐缺失的闭环滴灌调控环节，依据白菜的吸肥规律，在关键的结球生长期，采用智能算法精准调控钾肥施用量，提升白菜的含糖度，为东北酸菜产业提供高品质的白菜食材。
本发明所述的白菜糖度在线监测装置，可同时对白菜的菜心、菜帮和菜叶的糖度以无损的方式进行监测，采用双波长方法消除杂光、环境和光功率波动的干扰，传感探头采用软硅胶的方式探测，不会对叶面造成机械损伤，同时具有密封防尘防水功能，避免灰尘等环境因素影响近红外测量信号；每种监测位置对应不同的监测探头结构，且各种监测探头结构紧凑、便于操作，在种植过程中采用近红外探测光实时对白菜相应监测位置无损含糖度测量，可以实现真正的在线闭环调控种植。
本发明所述的白菜糖度在线监测装置可对白菜在种植过程中的含糖度实现在线定量监测，同步采集土壤养分变化和菜叶中还原糖生化转换的过程数据，弥补传统滴灌缺失的糖度传感监测环节，建立钾肥调控策略，实现真正的闭环调控，使调控过程更精细，并可根据降雨情况调整施肥量，减少雨水冲刷对钾肥调控带来的不利影响。
本发明所述的白菜糖度在线监测装置采用双波长波段的近红外探测光进行糖度探测，且在传输近红外探测光中的测量光和参考光的过程中，无需昂贵的宽谱光源及精密扫描设备提取微弱的糖度信号，将体积大、价格昂贵的红外吸收光谱低成本模块化，为白菜含糖度田间实时在线监测提供测量手段。
附图说明
图1是白菜糖度在线监测装置的布设示意图；
图2是白菜糖度在线监测装置的原理示意图；
图3是夹持式菜叶探头的三维结构示意图；
图4是夹持式菜叶探头的主视图；
图5是夹持式菜叶探头的光路示意图；
图6是插固式菜帮探头的结构示意图；
图7是插固式菜帮探头的主视图；
图8是插固式菜帮探头的光路示意图；
图9是插固式菜心探头的三维结构示意图；
图10为水肥滴灌种植系统的原理示意图；
图11为灌溉管路与灌溉带的相对位置关系图；
图12是水肥滴灌调控种植的水肥滴灌氮磷钾总体变化曲线；其中，Y-M-D表示年-月-日；
图13是水肥滴灌调控种植的水肥滴灌氮磷钾变化局部曲线；
图14是水肥滴灌调控种植与传统种植的白菜乳酸发酵过程中pH变化曲线。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
参见图1说明本实施例1，本实施例1所述的白菜糖度在线监测装置，包括嵌入式主板1、导光玻璃纤维束2和糖度测量探头3、土壤氮磷钾养分传感器5、土壤pH值传感器6、土壤温度及含水率传感器7、支撑杆8、太阳能电池板9、无线网络天线10和云平台；
糖度测量探头3设置在白菜4相应监测位置上；白菜4相应监测位置包括白菜4的菜心、菜帮和菜叶；所述糖度测量探头3包括插固式菜心探头31、插固式菜帮探头32和夹持式菜叶探头33；
嵌入式主板1通过支撑杆8固定于距地面预设高度的位置；支撑杆8的底部安装有土壤氮磷钾养分传感器5、土壤pH值传感器6、土壤温度及含水率传感器7；
土壤氮磷钾养分传感器5，用于采集土壤养分发送至嵌入式主板1后，通过无线网络天线10传输至云平台；
土壤pH值传感器6，用于采集土壤pH值并发送至嵌入式主板1后，通过无线网络天线10传输至云平台；
土壤温度及含水率传感器7，用于采集土壤温度和土壤含水率并发送至嵌入式主板1后，通过无线网络天线10传输至云平台；
太阳能电池板9固定在支撑杆8上，用于给嵌入式主板1、土壤氮磷钾养分传感器5、土壤pH值传感器6、土壤温度及含水率传感器7和无线网络天线10进行供电；
嵌入式主板1用于依次通过导光玻璃纤维束2和糖度测量探头3向白菜4相应监测位置发送近红外探测光，近红外探测光入射至白菜4相应监测位置后，从白菜4相应监测位置出射的近红外探测光依次由糖度测量探头3和导光玻璃纤维束2原路返回至嵌入式主板1；近红外探测光包括两种波长的光，其中，一种波长的光作为测量光，另一种波长的光作为参考光；
嵌入式主板1用于对从白菜4相应监测位置出射的近红外探测光中的参考光和测量光进行处理，从而获得白菜4相应监测位置的糖度；还用于将白菜4相应监测位置的糖度通过无线网络天线10传输至云平台。
本实施例提供了白菜糖度在线监测装置的一种具体结构，可同时对白菜4的菜心、菜帮和菜叶的糖度进行监测，在种植过程中采用近红外探测光实时对白菜4相应监测位置无损含糖度测量，可以实现真正的在线闭环调控种植，具体应用时，测量光波长可采用871nm，参考光波长可采用886nm，支撑杆8固定于距地面预设高度的最佳高度可为0.5m。
所述的白菜糖度在线监测装置为生产东北酸菜专用的糖度监测装置，在白菜滴灌调控种植过程中对糖度进行在线监测。
应用时，白菜糖度在线监测装置布设在白菜地的监控位置，在幼苗期、莲座期、结球期连续监测土壤的氮磷钾养分、pH值、温度、土壤水含量，将数据通过无线网络发送至云平台，云平台实时采集存储监测信息，可根据连续监测的土壤养分和理化参数进行神经网络训练，形成精准滴灌策略，并对异常进行判断并可通过智能移动终端进行发布，云平台的相应功能均可通过现有技术实现。所述云平台采用神经网络算法建立钾肥施用量与糖度变化的调控规律，结合白菜4实际含糖度、土壤钾肥含量、糖度调控目标值和降雨因素，在收获前关键的两周“窗口期”精细调整钾肥施用量，进而使白菜4的含糖度调控到最佳效果。
白菜糖度在线监测装置布设于水肥一体化滴灌种植白菜地的分布监测点，通过对白菜的糖度和土壤钾肥养分变化的同步测量，实时表征白菜的养分吸收和糖度转换效果。
进一步的，参见图1，嵌入式主板1用于对从白菜4相应监测位置出射的近红外探测光中的参考光和测量光进行处理，从而获得白菜4相应监测位置的糖度的实现方式为：
首先、对从白菜4相应监测位置出射的近红外探测光中的参考光和测量光进行光电转化后，分别获得测量光强度I(λ1)和参考光强度I(λ2)；
其次、对测量光强度I(λ1)与参考光强度I(λ2)的比值取对数，获得比值结果
再次、根据比值结果M与预设糖度标定曲线间的对应关系，获得该比值结果M所对应的糖度；其中，预设糖度标定曲线上的每个点横、纵坐标分别为比值结果M的值和该比值结果M的值所对应的糖度。
本优选实施方式提供了获得白菜4相应监测位置的糖度的具体实现方式，该获得过程简单、便于实现，且应用时为提高糖度测量准确度，在糖度测量探头3安装布设在白菜上之前，可采用标准糖浓度参比液对预设糖度标定曲线进行校准，修正预设糖度标定曲线，标准糖浓度参比液优选4％含糖度的葡萄糖标准液，且其采用材质为透明密封的石英玻璃槽进行密封。
更进一步的，具体参见图2，嵌入式主板1包括控制器11、驱动电路12、近红外LED光源13、光路耦合分束模块14、测量光探测转换电路15和参考光探测转换电路16；
控制器11通过驱动电路12对近红外LED光源13进行驱动控制，使近红外LED光源13生成的一束近红外探测光送至光路耦合分束模块14进行分束后，送至相应的糖度测量探头3；
光路耦合分束模块14还用于对糖度测量探头3所接收的从相应探测位置出射的近红外探测光中的测量光和参考光进行分离，将测量光送至测量光探测转换电路15进行光电转化后，获得的测量光强度I(λ1)送至控制器11，同时还将参考光送至参考光探测转换电路16进行光电转化后，获得的参考光强度I(λ2)送至控制器11；
控制器11还用于根据从相应探测位置出射的近红外探测光中的测量光强度I(λ1)和参考光强度I(λ2)，获得相应探测位置的糖度。
具体应用时，近红外LED光源13包括双通道滤色片和LED发光二极管，该双通道滤色片选通近红外探测光中的两种波长的光通过，带宽±2nm，近红外探测光经双通道滤色片之后通过光路耦合分束模块14进入导光玻璃纤维束2，近红外探测光经导光玻璃纤维束2被传导到至白菜4的相应监测位置，所选LED发光二极管的直径可为4.8mm，优选导光玻璃纤维束2的直径为5mm至10mm，便于光源的低损耗耦合和增加白菜4的红外吸收面积。
利用低成本大功率的近红外LED光源13和导光玻璃纤维束2传输近红外探测光中的测量光和参考光，无需昂贵的宽谱光源及精密扫描设备提取微弱的糖度信号，将体积大、价格昂贵的红外吸收光谱低成本模块化，为白菜4含糖度田间实时在线监测提供测量手段。
更进一步的，具体参见图3，控制器11还用于根据从相应探测位置出射的近红外探测光中的测量光强度I(λ1)和参考光强度I(λ2)，获得相应探测位置的糖度的实现方式为：
先对测量光强度I(λ1)与参考光强度I(λ2)的比值取对数，获得比值结果
再根据比值结果M与预设糖度标定曲线间的对应关系，获得该比值结果M所对应的糖度；其中，预设糖度标定曲线上的每个点横、纵坐标分别为比值结果M的值和该比值结果M的值所对应的糖度。
更进一步的，具体参见图3至图5，夹持式菜叶探头33包括夹固式固定夹331和1号直角反射棱镜332；
夹固式固定夹331的上、下夹板的夹持面上均覆有第一硅胶333；
夹固式固定夹331的上、下夹板的夹持面上均设有一个1号直角反射棱镜332，且上、下夹板上的1号直角反射棱镜332相对设置；
导光玻璃纤维束2的探测端同时与两个导光连接件的一端连接，两个导光连接件的另一端分别固定在夹固式固定夹331的上、下夹板的夹持面上，且两个导光连接件的另一端分别与其对应的1号直角反射棱镜332间存在间隙；
夹固式固定夹331的上、下夹板间夹持白菜4的菜叶；
从导光玻璃纤维束2出射的近红外探测光经夹固式固定夹331的上夹板上的1号直角反射棱镜332反射后，入射至夹持白菜4的菜叶，又经夹持白菜4的菜叶透射后，入射至夹固式固定夹331的下夹板上的1号直角反射棱镜332后，返回至导光玻璃纤维束2。
具体应用时，夹固式固定夹331的上、下夹板为圆形夹片，圆形夹片与白菜4接触的部位采用第一硅胶333，该第一硅胶333为柔软材质，避免损伤菜叶；从导光玻璃纤维束2出射的近红外探测光依次经夹固式固定夹331的上夹板上的1号直角反射棱镜332反射后，入射至白菜4的菜叶，又经白菜4的菜叶透射后，入射至夹固式固定夹331的下夹板上的1号直角反射棱镜332后，通过导光玻璃纤维束2送至嵌入式主板1计算分析糖度含量。
更进一步的，具体参见图6至图8，插固式菜帮探头32插固在白菜4的相邻菜帮间的间隙内；
插固式菜帮探头32包括菜帮探片321和2号直角反射棱镜322；
菜帮探片321的探测面上覆有第二硅胶323；
菜帮探片321的探测面上设置有一个2号直角反射棱镜322，导光玻璃纤维束2的探测端固定在菜帮探片321的探测面上，且与2号直角反射棱镜322间存在间隙；
从导光玻璃纤维束2出射的近红外探测光经过2号直角反射棱镜322入射至白菜4的菜帮，经菜帮漫反射后通过2号直角反射棱镜322返回至导光玻璃纤维束2。
本优选实施方式给出了插固式菜帮探头32的一种具体结构，该种结构简单，具体应用时，菜帮探片321可为圆形结构，第二硅胶323为圆环形结构，且在与白菜4接触的部位采用第二硅胶323，该第二硅胶323为柔软材质，避免损伤菜帮；由嵌入式主板1计算分析糖度含量，计算糖度的过程中糖度变化引起近红外测量光的强度变化。
更进一步的，具体参见图9，插固式菜心探头31用于插固在白菜4的菜心处；
插固式菜心探头31包括空心探柄311和3号直角反射棱镜312，3号直角反射棱镜312固定在空心探柄311的空心筒出口处，导光玻璃纤维束2的探测端插固在空心探柄311的空心筒内，并与3号直角反射棱镜312间存在间隙；
从导光玻璃纤维束2出射的近红外探测光经过3号直角反射棱镜312入射至白菜4的菜心，经菜心漫反射后通过3号直角反射棱镜312返回至导光玻璃纤维束2。
本优选实施中，提供了插固式菜心探头31的具体结构，空心探柄311的结构便于插入白菜4的菜心。
实施例2：
参见图1和图10说明本实施例2，本实施例2所述的采用所述的白菜糖度在线监测装置实现的滴灌调控系统，所述滴灌调控系统还包括水肥滴灌种植系统；
白菜糖度在线监测装置中的云平台，用于根据白菜4相应监测位置的糖度通过水肥滴灌种植系统对土壤的养分、土壤中pH值、土壤温度和土壤含水率进行调节。
进一步的，参见图10和图11，水肥滴灌种植系统包括水泵机井111、配电柜112、过滤器113、施肥机114、水肥罐115、混合管路116、气象站117和灌溉管路118；
配电柜112用于对水泵机井111和施肥机114进行供电；
气象站117用于进行气象监测，并将监测结果通过以太网送至云平台；
水泵机井111用于泵出灌溉水，并送至过滤器113进行过滤，过滤后的灌溉水送至水肥罐115，并与水肥罐115内的肥料进行混后形成肥液，通过施肥机114将水肥罐115内的肥液送至混合管路116后，再通过灌溉管路118送至灌溉带进行灌溉。
本滴灌调控系统中使用的白菜糖度在线监测装置为生产东北酸菜专用的糖度监测装置，对白菜滴灌调控种植过程中糖度进行在线监测，且采用白菜糖度在线监测装置与水肥滴灌种植系统、土壤氮磷钾养分传感器5、土壤pH值传感器6、土壤温度及含水率传感器7、太阳能电池板9、无线网络天线10和云平台联合调控白菜含糖度的实现方式，具体参见图1和图10。
在白菜的滴灌调控种植过程中，首先开展测土配方，根据土壤的养分情况确定氮磷钾的分阶段配比，开展4次水肥滴灌分别在幼苗期、莲座期、结球期和收获前2周糖度调控期进行，根据白菜4在不同生长时期的吸肥规律和土壤的养分信息，对幼苗期、莲座期、结球期进行水肥一体化滴灌。
具体地，根据白菜4的不同生长周期配比不同的氮磷钾肥料配比，并结合土壤水含量信息配合不同的水量，灌溉用水由水泵机井111泵出注入过滤器113，水泵机井111由配电柜112供电，水和肥料先在水肥罐115中混合，再由施肥机114及灌溉管路118送至灌溉带进行灌溉。通过施肥机114将水肥罐115内的肥液送至混合管路116后，再通过灌溉管路118送至灌溉带进行白菜4根部的灌溉。
白菜4的结球期是糖度调控的最关键阶段，采用本发明所述的白菜糖度在线监测装置对白菜4的菜叶、菜帮和菜心进行糖度在线监测，同步监测土壤中的钾肥含量，根据水肥滴灌过程建立的土壤养分吸收和输运规律，精确调控钾肥的施用量，促进白菜4的叶绿素含量、气孔导度、蒸腾强度和净光合作用速率，促进白菜4叶内糖类合成和积累，实现含糖度的精准闭环调控，通常白菜4的含糖度在2％至4％，水肥调控目标值应超过4％，并达到5％至6％，在白菜糖度在线监测装置中优选4％含糖度作为调控阈值，如果在糖度调控期出现雨水，为避免钾肥的浓度降低，滴灌系统会根据白菜4的含糖度和土壤的钾肥含量进行精确判断，避免出现盲目追施钾肥的情况。
将水肥滴灌种植系统和传统的粗放种植进行对比，水肥滴灌氮磷钾监测数据如图12至图14所示，其中，图12采用水肥滴灌监测云平台结合多参量传感器监测土壤氮、磷、钾养分数据的变化，监测起止时间为2021年8月8日至2021年9月27日，2021年10月1日收获白菜。
图12的监测数据是土壤中的氮磷钾参数的变化趋势，由于数据较多，表中仅列出每3天抽样的数据，其中“对比”氮磷钾数据为传统种植(非滴灌)的监测数据。从图12可以看出在钾和磷变化曲线中养分均呈递减趋势，其中，钾元素的变化率最大，符合白菜是喜钾作物的特征。从图12还可以看出水肥滴灌组的氮磷钾含量均比传统种植组高，通过少量的根部滴灌就能够使土壤养分超过大面积施放基肥的效果，充分说明滴灌不但节约肥料而且利用率非常高。
图12是土壤养分的总体趋势，由于间隔3天采样，所以看不出滴灌后的土壤养分变化细节，具体细节如图13所示。
图13为2021年8月22日滴灌前后一段时间内土壤养分变化曲线的局部细节，揭示水肥滴灌过程中土壤养分的动态变化过程和滴灌效果。实施滴灌后，具体在图13中横坐标数据采集序号13至35之间时，土壤中的氮磷钾含量有一个明显的提升，然后经过在土壤中的扩散和白菜吸收等过程，养分数值逐渐下降，该图中每个数据点为30分钟采集一次的实测值。氮磷钾监测数据的比例和滴灌肥料的配比一致。这些精细的监测过程是“闭环调控”白菜含糖度必备条件，通过实时监测滴灌施肥量和白菜叶片中的含糖度，制订最优调控策略，使白菜的含糖度达到最优。
在酸菜的发酵效果方面，将对比种植的白菜在酸菜厂家做了生产性试验验证。经厂家的酸菜发酵专业技术人员测试，滴灌种植的白菜在乳酸发酵过程中产酸速度快，对应的酸菜出菜率提高2.5％，具体发酵过程中的pH值变化如图14曲线所示，自乳酸发酵开始至第14天，滴灌种植白菜的产酸速度一直高于传统种植的对照组，之后由于发酵罐补充液体，对pH值有一定的扰动，但此时酸菜发酵已基本完成，后期pH的略微波动不影响分析乳酸发酵的效果。经品质检验确定，滴灌种植的白菜相较于对照组提前24小时达到发酵成熟，把现有酸菜发酵工艺总体发酵周期(30天-35天)压缩了3％左右，有助于提高生产效率、降低能耗，同时也从酸菜发酵的生化反应角度验证了水肥滴灌种植效提升了白菜的含糖度，为酸菜发酵过程提供了更多的还原糖，加速了发酵进程。
对比不同种植方式下白菜的外观对比如表1所示，可以看出滴灌种植的白菜4在感官品质上符合东北酸菜选菜标准：外观绿色、白心或黄心、大小适中、菜心紧实、无腐烂、无病害，而且规格均匀，调控种植白菜4的含糖度相对传统种植平均提高了20.6％。
表1不同种植方式白菜的外观对比
在东北酸菜的发酵效果方面，将对比种植的白菜4在酸菜厂家做了生产性试验验证，滴灌种植的白菜4在乳酸发酵过程中产酸速度快，对应的酸菜出菜率提高2.5％，具体发酵过程中的pH值变化如图14曲线所示，滴灌种植的白菜4相较于对照组提前24小时达到发酵成熟，把现有酸菜发酵工艺总体发酵周期(30天-35天)压缩了3％左右，有助于提高生产效率、降低能耗，同时也从酸菜发酵的生化反应角度验证了水肥滴灌种植效提升了白菜4的含糖度，为酸菜发酵过程提供了更多的还原糖，加速了发酵进程。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.白菜糖度在线监测装置，其特征在于，包括嵌入式主板(1)、导光玻璃纤维束(2)、糖度测量探头(3)、土壤氮磷钾养分传感器(5)、土壤pH值传感器(6)、土壤温度及含水率传感器(7)、支撑杆(8)、太阳能电池板(9)、无线网络天线(10)和云平台；
糖度测量探头(3)设置在白菜(4)相应监测位置上；白菜(4)相应监测位置包括白菜(4)的菜心、菜帮和菜叶；所述糖度测量探头(3)包括插固式菜心探头(31)、插固式菜帮探头(32)和夹持式菜叶探头(33)；
嵌入式主板(1)通过支撑杆(8)固定于距地面预设高度的位置；支撑杆(8)的底部安装有土壤氮磷钾养分传感器(5)、土壤pH值传感器(6)、土壤温度及含水率传感器(7)；
土壤氮磷钾养分传感器(5)，用于采集土壤养分发送至嵌入式主板(1)后，通过无线网络天线(10)传输至云平台；
土壤pH值传感器(6)，用于采集土壤pH值并发送至嵌入式主板(1)后，通过无线网络天线(10)传输至云平台；
土壤温度及含水率传感器(7)，用于采集土壤温度和土壤含水率并发送至嵌入式主板(1)后，通过无线网络天线(10)传输至云平台；
太阳能电池板(9)固定在支撑杆(8)上，用于给嵌入式主板(1)、土壤氮磷钾养分传感器(5)、土壤pH值传感器(6)、土壤温度及含水率传感器(7)和无线网络天线(10)进行供电；
嵌入式主板(1)用于依次通过导光玻璃纤维束(2)和糖度测量探头(3)向白菜(4)相应监测位置发送近红外探测光，近红外探测光入射至白菜(4)相应监测位置后，从白菜(4)相应监测位置出射的近红外探测光依次由糖度测量探头(3)和导光玻璃纤维束(2)原路返回至嵌入式主板(1)；近红外探测光包括两种波长的光，其中，一种波长的光作为测量光，另一种波长的光作为参考光；
嵌入式主板(1)用于对从白菜(4)相应监测位置出射的近红外探测光中的参考光和测量光进行处理，从而获得白菜(4)相应监测位置的糖度；还用于将白菜(4)相应监测位置的糖度通过无线网络天线(10)传输至云平台；
云平台，用于根据白菜(4)相应监测位置的糖度对土壤的养分、土壤中pH值、土壤温度和土壤含水率进行调节。
2.根据权利要求1所述的白菜糖度在线监测装置，其特征在于，嵌入式主板(1)用于对从白菜(4)相应监测位置出射的近红外探测光中的参考光和测量光进行处理，从而获得白菜(4)相应监测位置的糖度的实现方式为：
首先、对从白菜(4)相应监测位置出射的近红外探测光中的参考光和测量光进行光电转化后，分别获得测量光强度I(λ1)和参考光强度I(λ2)；
其次、对测量光强度I(λ1)与参考光强度I(λ2)的比值取对数，获得比值结果
再次、根据比值结果M与预设糖度标定曲线间的对应关系，获得该比值结果M所对应的糖度；其中，预设糖度标定曲线上的每个点横、纵坐标分别为比值结果M的值和该比值结果M的值所对应的糖度。
3.根据权利要求1所述的白菜糖度在线监测装置，其特征在于，嵌入式主板(1)包括控制器(11)、驱动电路(12)、近红外LED光源(13)、光路耦合分束模块(14)、测量光探测转换电路(15)和参考光探测转换电路(16)；
控制器(11)通过驱动电路(12)对近红外LED光源(13)进行驱动控制，使近红外LED光源(13)生成的一束近红外探测光送至光路耦合分束模块(14)进行分束后，送至相应的糖度测量探头(3)；
光路耦合分束模块(14)还用于对糖度测量探头(3)所接收的从相应探测位置出射的近红外探测光中的测量光和参考光进行分离，将测量光送至测量光探测转换电路(15)进行光电转化后，获得的测量光强度I(λ1)送至控制器(11)，同时还将参考光送至参考光探测转换电路(16)进行光电转化后，获得的参考光强度I(λ2)送至控制器(11)；
控制器(11)还用于根据从相应探测位置出射的近红外探测光中的测量光强度I(λ1)和参考光强度I(λ2)，获得相应探测位置的糖度。
4.根据权利要求3所述的白菜糖度在线监测装置，其特征在于，控制器(11)还用于根据从相应探测位置出射的近红外探测光中的测量光强度I(λ1)和参考光强度I(λ2)，获得相应探测位置的糖度的实现方式为：
先对测量光强度I(λ1)与参考光强度I(λ2)的比值取对数，获得比值结果
再根据比值结果M与预设糖度标定曲线间的对应关系，获得该比值结果M所对应的糖度；其中，预设糖度标定曲线上的每个点横、纵坐标分别为比值结果M的值和该比值结果M的值所对应的糖度。
5.根据权利要求1所述的白菜糖度在线监测装置，其特征在于，夹持式菜叶探头(33)包括夹固式固定夹(331)和1号直角反射棱镜(332)；
夹固式固定夹(331)的上、下夹板的夹持面上均覆有第一硅胶(333)；
夹固式固定夹(331)的上、下夹板的夹持面上均设有一个1号直角反射棱镜(332)，且上、下夹板上的1号直角反射棱镜(332)相对设置；
导光玻璃纤维束(2)的探测端同时与两个导光连接件的一端连接，两个导光连接件的另一端分别固定在夹固式固定夹(331)的上、下夹板的夹持面上，且两个导光连接件的另一端分别与其对应的1号直角反射棱镜(332)间存在间隙；
夹固式固定夹(331)的上、下夹板间夹持白菜(4)的菜叶；
从导光玻璃纤维束(2)出射的近红外探测光经夹固式固定夹(331)的上夹板上的1号直角反射棱镜(332)反射后，入射至夹持白菜(4)的菜叶，又经夹持白菜(4)的菜叶透射后，入射至夹固式固定夹(331)的下夹板上的1号直角反射棱镜(332)后，返回至导光玻璃纤维束(2)。
6.根据权利要求1所述的白菜糖度在线监测装置，其特征在于，插固式菜帮探头(32)插固在白菜(4)的相邻菜帮间的间隙内；
插固式菜帮探头(32)包括菜帮探片(321)和2号直角反射棱镜(322)；
菜帮探片(321)的探测面上覆有第二硅胶(323)；
菜帮探片(321)的探测面上设置有一个2号直角反射棱镜(322)，导光玻璃纤维束(2)的探测端固定在菜帮探片(321)的探测面上，且与2号直角反射棱镜(322)间存在间隙；
从导光玻璃纤维束(2)出射的近红外探测光经过2号直角反射棱镜(322)入射至白菜(4)的菜帮，经菜帮漫反射后通过2号直角反射棱镜(322)返回至导光玻璃纤维束(2)。
7.根据权利要求1所述的白菜糖度在线监测装置，其特征在于，插固式菜心探头(31)用于插固在白菜(4)的菜心处；
插固式菜心探头(31)包括空心探柄(311)和3号直角反射棱镜(312)，3号直角反射棱镜(312)固定在空心探柄(311)的空心筒出口处，导光玻璃纤维束(2)的探测端插固在空心探柄(311)的空心筒内，并与3号直角反射棱镜(312)间存在间隙；
从导光玻璃纤维束(2)出射的近红外探测光经过3号直角反射棱镜(312)入射至白菜(4)的菜心，经菜心漫反射后通过3号直角反射棱镜(312)返回至导光玻璃纤维束(2)。
8.根据权利要求1所述的白菜糖度在线监测装置，其特征在于，测量光波长871nm，参考光886nm。
9.采用权利要求1所述的白菜糖度在线监测装置实现的滴灌调控系统，其特征在于，所述滴灌调控系统还包括水肥滴灌种植系统；
白菜糖度在线监测装置中的云平台，用于根据白菜(4)相应监测位置的糖度通过水肥滴灌种植系统对土壤的养分、土壤中pH值、土壤温度和土壤含水率进行调节。
10.根据权利要求9所述的采用白菜糖度在线监测装置实现的滴灌调控系统，其特征在于，水肥滴灌种植系统包括水泵机井(111)、配电柜(112)、过滤器(113)、施肥机(114)、水肥罐(115)、混合管路(116)、气象站(117)和灌溉管路(118)；
配电柜(112)用于对水泵机井(111)和施肥机(114)进行供电；
气象站(117)用于进行气象监测，并将监测结果通过以太网送至云平台；
水泵机井(111)用于泵出灌溉水，并送至过滤器(113)进行过滤，过滤后的灌溉水送至水肥罐(115)，并与水肥罐(115)内的肥料进行混后形成肥液，通过施肥机(114)将水肥罐(115)内的肥液送至混合管路(116)后，再通过灌溉管路(118)送至灌溉带进行灌溉。
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