CN201780267U - 一种基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测系统，包括X、Y、Z方向安装的第一、第二和第三丝杆，三个丝杆上分别套有带螺纹孔的滑块，由步进电机驱动可实现在三维空间任意点的移动。其中在一个丝杆上设置摄像头和反射探头，另有一个丝杆上设置近红外光源、光谱仪、工控机和继电器。该监测系统结合反射光谱与图像信息，在远程计算机控制下自动调节反射探头的空间位置，基于作物冠层可见光/近红外反射光谱，计算叶面积指数、水分含量、叶绿素含量等多种指标，从而分析作物的生长状况，为作物生长管理提供参考。整个系统结构简单、成本低廉、自动化水平高，实现了快速、无损、全方位、多指标、动态监测作物生长状况的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及作物生长状况监测系统，具体的说是一种用于大棚作物生长状况自动监测的近红外光谱系统。
背景技术
精细农业除了要求能精确掌握气候和土壤信息外，需要对农作物生长进行实时全方位的监控，使之能通过肥料、施药等栽培管理手段，进行高效的农业经营与管理，并减少由农业所产生的污染，进而达到提高生产利润、保护生态环境的目标，使农业得以持续、健康的发展。为此，需要对农作物长势(生长状况)进行实时监测，并分析产生不良状况的原因，以便采取相应的措施。作物长势是指作物生长发育过程中的形态相，其强弱一般通过观测植株的叶面积、叶色、叶倾角、株高和茎粗等形态变化进行衡量。在不同的时段或不同的光、温度、水份、CO2和土壤的生长条件下，作物的长势差别显著。
作物的长势监测技术涉及土壤和杂草背景识别、叶面积和株高测量、叶片的形态识别、作物营养信息分析四个方面，而目前对大棚作物长势情况实时监测技术主要包括：机器视觉和光谱技术。机器视觉技术是利用图像传感器获取物体图像后，将图像转换成数字图像，利用计算机模拟人的判别准则进行处理，并且加以理解，达到分析图像和提取被监测物体特征的目的，最终用于实际监测和控制。作物在营养状况发生改变时，植株的高度、直立度以及叶片的颜色、纹理会有一定的变化。这些变化所体现出的信息可以通过摄像机采集，并用计算机进行处理，与正常状态下的数据进行匹配，从而给出监测结果。然而，目前的机器视觉技术在背景识别研究上并没有取得很大的进展，大部分停留在人为环境下的实验，在实际作物复杂背景下，此项技术还不能满足实际生产的要求。
光谱分析技术在作物生长信息获取上的应用越来越多，主要采用近红外光谱和高光谱技术等。高光谱技术已开始用于大田的植被叶绿素含量评价，除了光谱仪自身信噪比不理想外，植被自身物理参数的确定也存在许多困难；另外，所建立的评价模型受植被类型、农作物品种、生育阶段、生长条件以及测量环境等诸多因素的影响，只能适用于特殊的场合。此外，高光谱检测仪器大都从国外引进，价格昂贵。目前，国内多家单位已在研制作物长势光谱信息监测仪样机，但这些监测仪或者功能单一，只能监测单一作物的一种营养状况(如水稻的氮营养)，或者是便携式仪器，需要人工在现场操作，无法方便地对作物进行实时全方位的监测。
为适应精细农业的实际需求，研制出我国自己的价廉物美、简单实用、可以应用于小规模种植作物的实时动态监测系统，并实现对作物叶面积指数、水分、叶绿素密度等参数的全方位监测，将具有十分重要的意义。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种低成本、简单实用的基于反射光谱自动进行无损监测大棚农作物生长状况的系统，通过获取作物冠层反射光谱和图片信息，了解作物生长状况和为作物管理提供依据。
本实用新型的基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测系统，X、Y、Z方向安装的第一丝杆、第二丝杆和第三丝杆，第一丝杆设置在轨道槽中，第一丝杆的一端与第一步进电机的转轴相连，在第一丝杆上套有带螺纹孔的第一滑块，第一滑块与设备箱底部固定，在设备箱的上表面固定第二步进电机，第二步进电机的转轴与竖立的第二丝杆的一端相连，第二丝杆另一端的支撑架上安装照明灯，第二丝杆上套有带螺纹孔的第二滑块，在第二滑块上固定第三步进电机，第三步进电机的转轴与水平的第三丝杆的一端相连，在第三丝杆另一端的支撑架上安装摄像头，第三丝杆上套有带螺纹孔的第三滑块，在第三滑块上固定反射探头，上述设备箱内设有电源、近红外光源、光谱仪、工控机和继电器，反射探头通过光纤接口与光谱仪的输入端以及近红外光源相连，工控机的一个信号端与光谱仪的输出端以及近红外光源相连，工控机的另一个信号端经通讯口与远程计算机相连，工控机的一个输出端与继电器的输入端连接，继电器的输出端与摄像头和照明灯连接，工控机的另一个输出端经步进电机驱动器分别与第一、第二和第三步进电机相连。
在远程计算机里设定好本自动监测系统在水平平面坐标x，y上的检测路线以及移动步长，保证监测点能覆盖作物冠层的整个平面。摄像头照射在目标检测点区域，远程计算机向工控机发送控制第一和第三步进电机的运行信号，使反射探头移到设定路线的检测位置，摄像头从大棚现场向远程计算机传回图像信息并在计算机上显示，远程计算机从这些图像中提取对应坐标的信息，确定该坐标下的目标检测物为作物而不是土壤，然后向工控机发送控制第二步进电机的运行转动信号，推动水平横杆向下移动，使反射探头到达合适的检测位置。接着，远程控制计算机发送信号通过继电器关闭照明灯，近红外光源发射出包含可见光(400～700nm)和近红外(700～1000nm)出射光，经过光纤由反射探头照射到目标检测物，检测物的反射光由反射探头接收并经光纤传输送入光谱仪，光谱仪对光信号进行分光、转变为电信号通过工控机发送到远程计算机，计算机对获取的光谱数据进行显示、保存并在分析系统软件进行数据预处理和定性/定量分析。三个步进电机保证了监测系统可以在三维空间中对作物区进行任意点检测。
本实用新型的优点在于：操作简单，测量直接在作物叶片表面完成，通过获取作物冠层反射光谱和图片信息，了解作物生长状况的多种指标(叶面积指数、水分含量和叶绿素密度)，实现了快速无损监测作物生长的目的；系统结构简单，成本低廉，使得其可以在国内大棚的作物生长状况监测中大量推广；系统自动化水平高，采用摄像头就能识别背景差异很大的土壤和作物，然后结合反射光谱识别确定目标检测物和合适的反射探头检测高度，克服了单纯采用机器视觉或光谱方法监测作物生长状况的局限性，提高了监测的准确性与可靠性。
附图说明
图1是本实用新型构成示意图；
图2是第一步进电机连接示意图；
图中：1-轨道，2-摄像头，3-照明灯，4-第一步进电机，5-第二步进电机，6-第三步进电机，7设备箱，8-远程计算机，9-反射探头，10-第一丝杆，11-第二丝杆，12-第三丝杆，13-第一滑块，14-第二滑块，15-第三滑块，70-电源，71-近红外光源，72-光谱仪，73-工控机，74-继电器，75-光纤接口，76-通讯口，77-步进电机驱动器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型。
参照图1、图2，本实用新型的基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测系统，包括X、Y、Z方向安装的第一丝杆10、第二丝杆11和第三丝杆12，第一丝杆10设置在轨道1槽中，第一丝杆10的一端与第一步进电机4的转轴相连，在第一丝杆10上套有带螺纹孔的第一滑块13，第一滑块13与设备箱7底部固定，在设备箱7的上表面固定第二步进电机5，第二步进电机5的转轴与竖立的第二丝杆11的一端相连，第二丝杆11另一端的支撑架上安装照明灯3，第二丝杆11上套有带螺纹孔的第二滑块14，在第二滑块14上固定第三步进电机6，第三步进电机6的转轴与水平的第三丝杆12的一端相连，在第三丝杆12另一端的支撑架上安装摄像头2，第三丝杆12上套有带螺纹孔的第三滑块15，在第三滑块15上固定反射探头9，上述设备箱7内设有电源70、近红外光源71、光谱仪72、工控机73和继电器74，反射探头9通过光纤接口75与光谱仪72的输入端以及近红外光源71相连，工控机73的一个信号端与光谱仪72的输出端以及近红外光源71相连，工控机73的另一个信号端经通讯口76与远程计算机8相连，工控机73的一个输出端与继电器74的输入端连接，继电器74的输出端与摄像头2和照明灯3连接，工控机73的另一个输出端经步进电机驱动器77分别与第一、第二和第三步进电机4、5和6相连。
工控机可采用研华公司的UNO-2170工控机。
Claims (1)
1.一种基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测系统，其特征是包括X、Y、Z方向安装的第一丝杆(10)、第二丝杆(11)和第三丝杆(12)，第一丝杆(10)设置在轨道(1)槽中，第一丝杆(10)的一端与第一步进电机(4)的转轴相连，在第一丝杆(10)上套有带螺纹孔的第一滑块(13)，第一滑块(13)与设备箱(7)底部固定，在设备箱(7)的上表面固定第二步进电机(5)，第二步进电机(5)的转轴与竖立的第二丝杆(11)的一端相连，第二丝杆(11)另一端的支撑架上安装照明灯(3)，第二丝杆(11)上套有带螺纹孔的第二滑块(14)，在第二滑块(14)上固定第三步进电机(6)，第三步进电机(6)的转轴与水平的第三丝杆(12)的一端相连，在第三丝杆(12)另一端的支撑架上安装摄像头(2)，第三丝杆(12)上套有带螺纹孔的第三滑块(15)，在第三滑块(15)上固定反射探头(9)，上述设备箱(7)内设有电源(70)、近红外光源(71)、光谱仪(72)、工控机(73)和继电器(74)，反射探头(9)通过光纤接口(75)与光谱仪(72)的输入端以及近红外光源(71)相连，工控机(73)的一个信号端与光谱仪(72)的输出端以及近红外光源(71)相连，工控机(73)的另一个信号端经通讯口(76)与远程计算机(8)相连，工控机(73)的一个输出端与继电器(74)的输入端连接，继电器(74)的输出端与摄像头(2)和照明灯(3)连接，工控机(73)的另一个输出端经步进电机驱动器(77)分别与第一、第二和第三步进电机(4、5、6)相连。
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