CN203053854U

CN203053854U - 一种高精度作物生长信息监测仪

Info

Publication number: CN203053854U
Application number: CN 201220614742
Authority: CN
Inventors: 倪军; 朱艳; 曹卫星; 姚霞; 田永超
Original assignee: Nanjing Agricultural University
Current assignee: Nanjing Agricultural University
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2022-11-20

Abstract

本实用新型公开了一种高精度作物生长信息监测仪，包括光谱传感器（1）、标准反射率白板（13）、信号采集器（5）、屏蔽导线(4)，以及由水平支架（2）、活动支撑杆(3)组成的支架；其中，光谱传感器固定于水平支架的一端，水平支架的另一端与活动支撑杆活动连接，信号采集器紧固于活动支撑杆上位于人眼易于观察的高度；光谱传感器的输出端通过屏蔽导线串接信号采集器；标准反射率白板设置于光谱传感器下方且与光谱传感器垂直。本实用新型能够实时、无损获取作物氮含量、氮积累量、叶面积指数和叶干重多个生长指标，不仅结构简单，而且提高了仪器的稳定性和测量精度。

Description

一种高精度作物生长信息监测仪

技术领域

本实用新型一种高精度作物生长信息监测仪，涉及信息农业中的作物精确诊断，重点针对田间作物信息快速获取，属于作物生长信息智能检测领域。

技术背景

方便快速、准确可靠且低成本地获取农作物生长信息(氮含量、氮积累量、叶面积指数、叶干重)是实施精准农业最基本的问题，是实现作物精确管理调控的关键。长期以来,作物生长信息获取方法是通过田间破坏性采样、室内生化测定，虽然结果较为可靠，但费时费工、污染环境，且在时空尺度上很难满足实时、快速、无损的要求。近年来，基于反射光谱识别物体特征的无损监测技术由于无破坏性，信息获取方便，实时性好等优点,被广泛用于作物生长指标及估产农学机理的研究中，为作物生长信息的快速感知提供了技术支撑。

专利200710019340.9和专利201210214137.8公开了一种以太阳光作为光源的便携式作物生长监测设备，这种设备的光电传感部件由上行光传感器和下行光传感器组成，作物冠层特征光谱反射率值是通过上行光传感器和下行光传感器匹配测量获取的，上行光传感器接收太阳辐射光信息，下行光传感器接收作物冠层反射光信息，在特定的测量环境下，反射率值的稳定性以及误差大小直接与两种传感器相关，任何一种传感器的性能、可靠性都会影响到反射率检测的精度。从原理上说，如果两种传感器的内部结构、参数、元器件性能完全相同，则可以保证测量结果的精度，但实际上难以实现。太阳辐射光与作物冠层反射光各有特征，测量太阳辐射光信息必须要克服太阳高度角变化的影响；测量冠层反射光信息必须要解决视场角与信号强度的矛盾，因此，难以用相同结构的一类传感器获取两种不同特征的光谱信息。即使两种传感器结构相同，但由于加工工艺、公差配给差异，以及内部各元器件性能参数在不同环境下的异样表现都会给测量带来不确定的结果。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中存在的不足，提供了一种使用单个传感器获取作物生长信息的测量装置。由于使用同一个传感器获取太阳辐射光信息和作物冠层反射光信息，器件本身对两种信息的影响是相同的，而且可测可控，能够较高精度地获取作物氮含量、氮积累量、叶面积指数和叶干重等生长信息。

本实用新型为了解决上述结束问题采用以下技术方案：

一种高精度作物生长信息监测仪，包括光谱传感器、标准反射率白板、信号采集器、屏蔽导线，以及由水平支架、活动支撑杆组成的支架；其中，所述光谱传感器固定于水平支架的一端，水平支架的另一端与活动支撑杆活动连接，所述信号采集器紧固于活动支撑杆上位于人眼易于观察的高度；所述光谱传感器的输出端通过屏蔽导线串接信号采集器；所述标准反射率白板设置于光谱传感器下方且与光谱传感器垂直。

作为进一步优化方案，本实用新型的一种高精度作物生长信息监测仪，还包括一个水平仪，所述水平仪紧固于活动支撑杆上位于信号采集器下方的末端处。

作为进一步优化方案，本实用新型的一种高精度作物生长信息监测仪，所述光谱传感器包括光电探测器阵列以及金属外壳；其中：所述光电探测器阵列由一对光电探测器排列组成。

作为进一步优化方案，本实用新型的一种高精度作物生长信息监测仪，所述光电探测器由光电二极管、位于光电二极管外层的光谱滤光片，以及位于光谱滤光片外层的滤波圈组成。

作为进一步优化方案，本实用新型的一种高精度作物生长信息监测仪，在所述金属外壳上还套有保护玻璃。

作为进一步优化方案，本实用新型的一种高精度作物生长信息监测仪，所述光谱滤光片的中心波段为720nm，810nm；所述滤波圈的视场角为25°-30°，孔径为12.8mm。

作为进一步优化方案，本实用新型的一种高精度作物生长信息监测仪，所述信号采集器包括前置放大电路、滤波电路、增益可调电路、模数转换电路、单片微型处理器、控制键盘、液晶屏、电源电路、指示电路；其中：所述前置放大电路依次串接滤波电路、增益可调电路、模数转换电路、单片微型处理器；所述控制键盘连接单片微型处理器；所述单片微型处理器与液晶屏连接；所述电源电路与指示电路相连且向整个装置供电。

作为进一步优化方案，本实用新型的一种高精度作物生长信息监测仪，所述标准反射率白板为边长25cm的矩形板，在720nm处的光谱反射率为99.3%，在810nm处的光谱反射率为99.4%。

本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下技术效果：

本实用新型的一种高精度作物生长信息监测仪，采用同一个传感器获取太阳辐射光信息和作物冠层反射光信息，器件本身（结构与材料）对两种信息的影响是相同的，而且可测可控。克服了以往作物生长监测仪使用两种传感器获取作物生长信息的弊端，不仅结构简单，易实现仪器小型化，降低仪器成本，而且提高了仪器的稳定性和测量精度。

附图说明

图1为本实用新型作物生长监测仪结构图。

图2（a）是本实用新型光谱传感器整体结构示意图；

图2（b）是光电探测器的结构示意图。

图3为本实用新型信号采集器电路模块连接示意图。

图中标号：1.光谱传感器；2.水平支架；3.活动支撑杆；4.屏蔽电缆；5.信号采集器；6.水平仪；7.光电探测器阵列；8.光电探测器；9.光谱滤光片；10.滤波圈、11.金属外壳；12.保护玻璃；13.标准反射率白板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。

参照图1，一种高精度作物生长监测仪，光谱传感器1紧固于水平支架2上，水平支架2连接于活动支撑杆3顶端，信号采集器4紧固于活动支撑杆3人眼易于观察的高度，水平仪6紧固于信号采集器5下方；屏蔽导线4一端连接光谱传感器1，一端连接信号采集器5。

参照图2（a）、图2（b），光谱传感器1包括光电探测器阵列7、光谱滤光片9、滤波圈10、保护玻璃12和金属外壳11；光电探测器阵列7由两个光电二极管8排列而成；光谱滤光片9中心波段为720nm，810nm；滤波圈10视场角为25°-30°，孔径12.8mm。光电探测器阵列7、光谱滤光片9、滤波圈10、保护玻璃12依次间隔排列，并密封于金属外壳11中，屏蔽传输导线4一端连接光电探测器8，另一端连接所述信号采集器5。

参照图3所示的信号采集器5电路模块，光谱传感器1的输出连接前置放大电路，前置放大电路的输出依次串接滤波电路、增益可调电路、模数转换电路、单片微处理器；单片微处理器连接控制键盘、液晶屏；电源电路分别连接指示电路、电流-电压转换电路、单片微处理器、控制键盘、液晶屏和各所述的各个电路并为各个电路提供电源。电源电路采用锂电池供电，采用稳压电路得到系统稳定的电源电压等级DC5V。

单片微处理器选用的是STC89C516单片机，通过数据口采集光谱信息。控制键盘由“复位”、“测量”、“监测”、“诊断”四个键组成，其中“测量”按键用来实时采集光谱信息且对采集到的光谱信息进行处理，并将结果实时显示在液晶屏上；“监测”按键用来中断当前实时测量，捕捉当前值；“诊断”按键用来耦合作物生长模型，反演作物氮含量、氮积累量、叶面积指数和叶干重等生长信息，并将结果显示在液晶屏上，用于评价作物生长状况；“复位”按键用来恢复至初始化状态，并在液晶屏上显示初始化信息。

作物生长信息无损检测方法具体包括以下步骤：

步骤1），选择晴朗、少云、无风天气，将光谱传感器1与水平位置成90°连接于水平支架2下表面；水平支架2通过紧固螺丝固定在活动支撑杆3的顶部；

步骤2），观察水平仪6，调节活动支撑杆3，设置光谱传感器1与水平位置成90°，将标准反射率白板13置于光谱传感器1下方0.2m-0.4m高度左右，且与光谱传感器1垂直，保证光谱传感器1检测视场在标准反射率白板13内。信号采集器5的功能按键切换为“测量”模式，光谱传感器1采集标准反射率白板13在720nm、810nm波段处的反射光信息，并传输至前置放大器、滤波电路、增益可调电路中处理，转换成具有一定幅值的电压信号U_{白板_720}，U_{白板_810}，由于选用的标准反射率白板13在720nm处的反射率值为99.3%，在810nm处的反射率值为99.4%，则根据（1）式，就可以通过测量标准反射率白板13的反射光信息间接获取太阳光720nm、810nm波段处辐射信息：

U_{白板_720}，U_{白板_810}通过模数转换电路输入单片微处理器，单片微型处理器按照式（1）对信号进行处理，得到太阳辐射光在720nm、810nm波段处辐射信息，并实时显示在液晶屏上；信号采集器5的功能按键切换为“监测”模式，单片微处理器屏蔽采样，锁定太阳辐射光信息，并将值存储至内存中；

步骤3），将步骤2）中的光谱传感器1移至作物冠层上方，观察水平仪6，调节活动支撑杆3，设置光谱传感器1与水平位置成90°，且距离作物冠层高度0.7m左右；信号采集器5的功能按键切换为“测量”模式，光谱传感器1采集作物冠层在720nm、810nm波段处的反射光信息，并传输至前置放大器、滤波电路、增益可调电路中处理，转换成具有一定幅值的电压信号U_{冠层_720}，U_{冠层_810}，由反射率公式

综合步骤2）中的式（1），可以得到

U_{冠层_720}，U_{冠层_810}通过模数转换电路输入单片微处理器，单片微型处理器按照式（2）对信号进行处理，调出存在内存中太阳辐射光在720nm、810nm波段处辐射信息，可以得到作物冠层在720nm、810nm处光谱反射率信息ρ_冠层-720、ρ_冠层-810。信号采集器5的功能按键切换为“监测”模式，单片微处理器屏蔽采样，锁定被测冠层光谱反射率；

步骤4）信号采集器5的功能按键切换为“诊断”模式，单片微处理器耦合反射率信息与作物生长模型，反演作物氮含量、氮积累量、叶面积指数、叶干重信息，并通过液晶屏显示；

步骤5）单片机内存设计了三个数据缓冲区，分别存放“太阳辐射光信息”、“作物冠层反射率”和“作物生长指标”。

Claims

1.一种高精度作物生长信息监测仪，其特征在于：包括光谱传感器（1）、标准反射率白板（13）、信号采集器（5）、屏蔽导线(4)，以及由水平支架（2）、活动支撑杆(3)组成的支架；其中，所述光谱传感器（1）固定于水平支架（2）的一端，水平支架（2）的另一端与活动支撑杆活动连接，所述信号采集器（5）紧固于活动支撑杆（3）上位于人眼易于观察的高度；所述光谱传感器（1）的输出端通过屏蔽导线（4）串接信号采集器（5）；所述标准反射率白板（13）设置于光谱传感器（1）下方且与光谱传感器（1）垂直。

2.根据权利要求1所述的一种高精度作物生长信息监测仪，其特征在于：还包括一个水平仪(6)，所述水平仪（6）紧固于活动支撑杆上位于信号采集器（5）下方的末端处。

3.根据权利要求1所述的一种高精度作物生长信息监测仪，其特征在于：所述光谱传感器（1）包括光电探测器阵列（7）以及金属外壳（11）；其中：所述光电探测器阵列（7）由一对光电探测器排列组成。

4.根据权利要求3所述的一种高精度作物生长信息监测仪，其特征在于：所述光电探测器由光电二极管（8）、位于光电二极管外层的光谱滤光片（9），以及位于光谱滤光片（9）外层的滤波圈（10）组成。

5.根据权利要求3所述的一种高精度作物生长信息监测仪，其特征在于：在所述金属外壳（11）上还套有保护玻璃（12）。

6.根据权利要求4所述的一种高精度作物生长信息监测仪，其特征在于：所述光谱滤光片（9）的中心波段为720nm，810nm；所述滤波圈（10）的视场角为25^o-30^o，孔径为12.8mm。

7.根据权利要求1所述的一种高精度作物生长信息监测仪，其特征在于：所述信号采集器（5）包括前置放大电路、滤波电路、增益可调电路、模数转换电路、单片微型处理器、控制键盘、液晶屏、电源电路、指示电路；其中：所述前置放大电路依次串接滤波电路、增益可调电路、模数转换电路、单片微型处理器；所述控制键盘连接单片微型处理器；所述单片微型处理器与液晶屏连接；所述电源电路与指示电路相连且向整个装置供电。

8.根据权利要求1所述的一种高精度作物生长信息监测仪，其特征在于：所述标准反射率白板（13）为边长25cm的矩形板，在720nm处的光谱反射率为99.3%，在810nm处的光谱反射率为99.4%。