CN202024959U - 基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪 - Google Patents

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吴松
杨玮
龙智强
李娇
张栋
董明明
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Abstract

一种基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，包括一组用于测定子结点植物光谱的光电信号探测器，一对接收数据分析处理的归一化植被差异指数数据采集处理模块，一操作控制模块，一U盘存储模块，一对相互无线通讯的ZigBee无线通信模块；各光电信号探测器的输出经信号放大电路及模数转换单元送入归一化植被差异指数数据采集处理模块的信号输入端；操作控制模块及U盘存储模块与归一化植被差异指数数据采集处理模块连接；归一化植被差异指数数据采集处理模块的输出端经数据交换接口与ZigBee终端节点无线通信模块的数据口连接；一供电模块为各单元提供工作电压。用其测得的数据可为科研人员评估不同区域农作物长势及氮肥吸收情况提供了数据基础。

Description

基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪
技术领域
本实用新型属于无线光学仪器领域，特别涉及一种能够测量归一化植被差异指数并且进行无线数据传输的仪器。
背景技术
氮素主要是促进植物根、茎、叶的个体生长，是形成一定品质产品的首要营养元素，对作物产量的形成和品质有非常大的影响。缺氮时会引起叶绿素含量下降，使叶片绿色转淡，严重时呈淡黄色。失绿的叶片色泽均一，一般不出现斑点或花斑。叶细而直，与茎的夹角小，并且茎的绿色也会因缺氮而褪淡。由于氮在植物体内有高度的移动性，能从老叶转移到幼叶，因而缺氮症状从老叶开始，逐渐扩展到上部叶片。氮素过多则会导致叶面积增大，叶色深绿，叶片披散，相互遮掩，影响通风透光，造成贪青迟熟，空秕粒多，产量降低，品质下降等。因而氮素诊断技术的研究非常重要。
归一化植被差异指数是遥感监测地面植物生长和分布的一种方法。当遥感器测量地面反射光谱时，不仅测得地面植物的反射光谱，还测得土壤的反射光谱。当光照射在植物上时，近红外波段的光大部分被植物反射回来，可见光波段的光则大部分被植物吸收，通过对近红外光和红光波段反射率的线性或非线性组合，可以消除土壤光谱的影响，得到的特征指数称为归一化植被差异指数。美国俄克拉荷马州立大学Dr.Marvin Stone等人用便携式光纤光谱仪测量光谱反射率的方法，开展了用NDVI来获取氮利用率NUE(nitrogen use efficiency)和氮肥需要量的研究，并取得成果。归一化植被差异指数NDVI定义为：
NDVI = R IR - R R R IR + R R - - - ( 1 )
式中RIR为某红外光特征波长处的植被反射率，RR为某红光特征波长处植被的反射率。许多学者通过各种统计方法来寻求含氮量与光谱反射率或其衍生量的关系，并建立模型来估算作物的氮素含量。在含氮量与光谱反射率关系的理论研究基础上，科学家尝试用理论来指导变量施肥。
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是近年发展迅速的现代信息技术，它由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。与传统网络相比，WSN是一种以数据为中心的自组织无线网络，集成了监测、控制以及无线通信，具有可快速临时组网、网络拓扑结构可动态变化、抗毁性强、无需架设网络基础设施，无通信费用等诱人的特点。基于以上特点，WSN技术在农业领域也得到越来越广泛的应用。ZigBee是目前众多无线传感器网络技术中的一种主要技术，它是一种近距离、低功耗、低成本、高可靠性的无线传感器网络技术。因此，开发基于ZigBee的归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，它能够将测量的NDVI数值通过ZigBee无线网络进行传输并集中监控和管理，并可提供语音功能进行辅助管理。系统的语音报警功能使用户能够及早而且准确地发现问题，采取有效措施根据作物需要改善土壤养份从而提高农作物的产量。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，借助其可实现测试出测定点归一化植被差异指数并进行无线发送，能够对测试出的归一化植被差异指数进行存储，分析，处理并给出生产指导建议。
为实现上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案：
一种基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，其由NDVI数据采集的终端节点单元和接收ZigBee无线数据传输的协调器控制端单元两部分组成；
其中，所述NDVI数据采集的终端节点单元包括：
一组光电信号探测器，用于测得各测定子结点植物的光谱；
一归一化植被差异指数数据采集处理模块，用于采集测定点的NDVI值，对接收的数据分析处理并输出控制；
一操作控制模块，用于接收并执行操作命令；
一U盘存储模块，用于存储采集到的NDVI数据值；
一ZigBee终端节点无线通信模块，用来将采集到的NDVI数据通过无线网络发送到协调器端；
所述各光电信号探测器的输出经信号放大电路及模数转换单元送入归一化植被差异指数数据采集处理模块的信号输入端；所述操作控制模块及U盘存储模块与归一化植被差异指数数据采集处理模块的输出控制端连接；所述的归一化植被差异指数数据采集处理模块的输出端经数据交换接口与ZigBee终端节点无线通信模块的数据口连接；
一终端节点单元供电模块，为终端节点各单元提供工作电压；
所述接收ZigBee无线数据传输的协调器控制端单元包括：
一ZigBee协调器无线通信模块，用来接收并汇集各测定子结点采集的NDVI数值，与ZigBee终端节点无线通信模块无线通讯；
用于采集、分析和处理NDVI数值的主机，通过数据接口与所述ZigBee协调器节点连接；
一协调器供电模块，为协调器各单元提供工作电压。
还可包括有用于显示NDVI信息的LCD液晶显示屏，其输入端与ZigBee协调器无线通信模块相连。亦可包括用于语音提示指导生产的真人语音发音模块，其输入端与ZigBee协调器无线通信模块相连。
所述的归一化植被差异指数数据采集处理模块采用单片机ARM微处理器。所述的一组光电信号探测器至少有4个，其中，一个为红光入射光信号探测器，另一个为红外植被反射光信号探测器，又一个为红外入射光信号探测器，再一个为红光植被反射光信号探测器。
本实用新型通过一些实施例实现了归一化植被差异指数数据的采集与存储以及无线发送，为科研人员评估不同区域农作物长势及氮肥吸收情况提供了数据基础。
本实用新型的优点是：该测试仪操作简单，便于携带，可在野外使用，结构简单，功能丰富。
附图说明
图1为本实用新型基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪一实施例构成原理示意图。
图2为本实用新型显示模块一实施例的电路原理图。
图3为本实用新型U盘存储模块一实施例电路原理图。
图4为本实用新型实施例的供电模块一实施例电路原理图。
下面通过附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细描述。
具体实施方式
参见图1，本实用新型基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪由两大部分组成，一部分是NDVI数据采集的终端节点100，一部分是接收ZigBee无线数据传输的协调器控制端200。
其中，所述的NDVI数据采集的终端节点100包括：一组用于测各测定子结点植物光谱的光电信号探测器7、8、9和10，该组光电信号探测器的输出经信号放大电路5及模数转换单元6接归一化植被差异指数数据采集处理模块1的信号输入端；归一化植被差异指数数据采集处理模块1用于采集测定点的NDVI值并对接收的数据分析处理并输出控制；用于接收并执行操作命令的操作控制模块11和用于存储采集到的NDVI数据值的U盘存储模块12分别与归一化植被差异指数数据采集处理模块的输出控制端连接；一ZigBee终端节点无线通信模块4，用来将采集到的NDVI数据通过无线网络发送到协调器端；所述的归一化植被差异指数数据采集处理模块的输出端经数据交换接口3与ZigBee终端节点无线通信模块4的数据口连接；终端节点单元供电模块13为终端节点各单元提供工作电压。
所述接收ZigBee无线数据传输的协调器控制端单元200包括：一ZigBee协调器无线通信模块21，用来接收并汇集各测定子结点采集的NDVI数值，与ZigBee终端节点无线通信模块4相互无线通讯；用于采集、分析和处理NDVI数值的主机22，通过数据接口与ZigBee协调器无线通信模块21连接；还可包括有用于显示NDVI信息的LCD液晶显示屏(液晶显示模块23)，其输入端与ZigBee协调器无线通信模块相连。亦可包括用于语音提示指导生产的真人语音发音模块，其输入端与ZigBee协调器无线通信模块相连。一组协调器供电模块24为协调器各单元提供工作电压。
通过本实施例，可以测试、存储以及通过ZigBee无线网络发送NDVI值，以便科研人员分析。
以图1所示实施例举例说明本实用新型基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪的工作原理如下：利用日光作光源，通过四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器7、8、9、10，在近红外和红光两个特定波长处，分别对入射光和植被的反射光进行探测，其中7为红光入射光信号探测器，8为红外植被反射光信号探测器，9为红外入射光信号探测器，10为红光植被反射光信号探测器，测得的四个参数，经测量信号接口5、模数转换芯片6进行模拟-数字转换后(模数转换芯片6为MAX186芯片，可以转换8路0-5V的模拟信号，即该芯片可以实现采集4路光电探测器的光电转换信号)，由单片机ARM微处理器1进行处理得到NDVI值通过ZigBee模块无线发送到协调器端。之后协调器端可将数据上传至上位机进行数据管理以及后续的数据处理等。若仪器测得红光特征波长处的入射光信号为ER、对应波长植被反射光信号为ERR、红外光特征波长处的入射光信号为EIR、对应波长植被反射光信号为EIRR，则有
R IR = k IR E IRR E IR R R = k R E RR E R ; - - - ( 2 )
式中kR和kIR为比例常数，由仪器的光学系统、光电探测器及其适配放大器的特性参数决定。若令kIR＝kRk，就有
NDVI = k R E RR E R - k IR E IRR E IR k R E RR E R + k IR E IRR E IR = E RR E IR - k E IRR E R E RR E IR + k E IRR E R - - - ( 3 )
公式(3)表明：只要确定仪器的待定特征常数k，就可由四个光电探测器测得的信号求得NDVI值。
电平转换芯片2一端与测试仪的单片机ARM微处理器1连接，另一端连接有用于插接外部设备，用于对输入/输出信号进行电平转换。本实施例中电平转换芯片2采用MAX232芯片，完成arm7串行接口的TTL电平和数据交换接口的EIA电平相互转换，实现ARM与ZigBee无线数据传输模块的通讯。
本实施例中的U盘模块与ARM微处理器1连接。通过数据采集人员的操作，ARM微处理器将采集的NDVI信息进行处理，并存储在U盘模块中。当一个地区的数据采集完毕，数据采集人员可以到另一个地区进行数据采集，所有被采集的数据信息都是以NDVI值进行存储。当完成NDVI值及其地理坐标值采集后，可以将U盘模块存储的数据信息输出进行后续的分析处理。图2示出了该U盘模块一实施例电路原理图，其中U17为U盘模块接口。
本实施例中还包括能够直观、方便地显示采集到的数据。显示模块，是位于ZigBee无线网络的协调器端。该显示模块包括一128×64象素的图形液晶显示屏，用于显示仪器的工作状态以及NDVI数据。图3为该显示模块一电路原理图，VO，VR两端外接一电阻，用于亮度调节，D3用于分压，保证液晶进行背光时工作在4.0V～4.4V，起到保护液晶的作用，CON1为液晶屏接口。在本实施例中对液晶采用的操作方式为串行方式。
本实施例中，供电模块包括作为电源的6节1.5V的充电电池，一片7805稳压芯片，以向整个系统提供5V电压。图2示出了供电模块一实施例电路原理图，其中，U19和U20是电压转换模块。
本实施例工作原理如下：4路光电探测器的光电转换信号经包括有AD620高精度仪表放大器的测量信号接口放大后经模数转换电路输入ARM微处理器，同时ARM微处理器的指令经过电平转换芯片MAX232输入ZigBee无线通信模块，控制模块进行无线数据传送，同时ARM微处理器可以对采集到的数据通过U盘模块进行存储，通过ZigBee无线通信模块进行无线传输的数据在ZigBee协调器端通过液晶屏显示模块进行显示，使得用户能够从显示中了解所测参数的具体值，用户可以通过操作控制模块向ARM微处理器发送命令，供电模块向系统中的各个电路模块提供工作电压。
本实施例采用ZigBee无线通讯网络对NDVI数据进行无线传输，在无线网络通讯有效范围内，可分布多点进行数据采集，使分析人员、数据采集人员能够方便、直观的从计算机屏幕或者液晶显示屏上了解土壤肥力状况的分布。

Claims (7)

1.一种基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，其特征在于：其由NDVI数据采集的终端节点单元和接收ZigBee无线数据传输的协调器控制端单元两部分组成；
其中，所述NDVI数据采集的终端节点单元包括：
一组光电信号探测器，用于测得各测定子结点植物的光谱；
一归一化植被差异指数数据采集处理模块，用于采集测定点的NDVI值，对接收的数据分析处理并输出控制；
一操作控制模块，用于接收并执行操作命令；
一U盘存储模块，用于存储采集到的NDVI数据值；
一ZigBee终端节点无线通信模块，用来将采集到的NDVI数据通过无线网络发送到协调器端；
所述各光电信号探测器的输出经信号放大电路及模数转换单元接归一化植被差异指数数据采集处理模块的信号输入端；所述操作控制模块及U盘存储模块与归一化植被差异指数数据采集处理模块的输出控制端连接；所述的归一化植被差异指数数据采集处理模块的输出端经数据交换接口与ZigBee终端节点无线通信模块的数据口连接；
一终端节点单元供电模块，为终端节点各单元提供工作电压；
所述接收ZigBee无线数据传输的协调器控制端单元包括：
一ZigBee协调器无线通信模块，用来接收并汇集各测定子结点采集的NDVI数值，与ZigBee终端节点无线通信模块无线通讯；
用于采集、分析和处理NDVI数值的主机，通过数据接口与所述ZigBee协调器节点连接；
一协调器供电模块，为协调器各单元提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，其特征在于：还包括有用于显示NDVI信息的LCD液晶显示屏，其输入端与ZigBee协调器无线通信模块相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，其特征在于：还包括用于语音提示指导生产的真人语音发音模块，其输入端与ZigBee协调器无线通信模块相连。
4.根据权利要求1或2 所述的基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，其特征在于：所述的归一化植被差异指数数据采集处理模块采用单片机ARM微处理器。
5.根据权利要求3所述的基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，其特征在于：所述的归一化植被差异指数数据采集处理模块采用单片机ARM微处理器。
6.根据权利要求1或2所述的基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，其特征在于：所述的一组光电信号探测器至少有4个，其中，一个为红光入射光信号探测器，另一个为红外植被反射光信号探测器，又一个为红外入射光信号探测器，再一个为红光植被反射光信号探测器。
7.根据权利要求3所述的基于归一化植被差异指数的无线氮素营养检测仪，其特征在于：所述的一组光电信号探测器至少有4个，其中，一个为红光入射光信号探测器，另一个为红外植被反射光信号探测器，又一个为红外入射光信号探测器，再一个为红光植被反射光信号探测器。
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WO2014166131A1 (zh) * 2013-04-11 2014-10-16 深圳市慢性病防治中心 一种基于无线示踪技术的营养调查评估系统
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