CN203502345U - 群体叶绿素实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及植物监测领域，尤其涉及一种群体叶绿素实时监测系统，其包括入射光模块、反射光模块、主控芯片、无线通讯模块和上位机，所述入射光模块、反射光模块均与主控芯片连接，所述主控芯片通过无线通讯模块与上位机连接。本方案通过无线通讯模块将入射光模块和反射光模块所采集的作物信息实时传送至用户中心的上位机，用户可以在设定的测量时间范围内对植物叶绿素进行实时监测，功耗低、成本低、响应快、精度高，实现对远程大面积田间作物的实时监测，为精细农业标准化提供坚实基础。
Description
技术领域
本实用新型涉及植物监测领域，尤其涉及一种群体叶绿素实时监测系统。
背景技术
叶绿素是绿色植物进行光合作用的物质基础，是研究植物生长、生理代谢以及营养状况的重要指标，叶绿素含量的检测技术的研究在农林业生产与研究等方面有着至关重要的意义。传统的分光度法耗时长、破坏叶片、不便于野外测量和连续测量。目前国内外也陆续研制并推出一系列便携式叶绿素检测仪，其中以日本的SPAD502为代表的点测试叶绿素检测仪得到广泛应用，但该种仪器检测范围小，只适用于叶片的局部检测；而CM1000作为便携式群体叶绿素检测仪在区域面积的植物叶绿素检测工作中作用显著，但该仪器为手持式，对于大面积田间实时监测可使用性不强，同时仪器造价昂贵，在农业实际发展中推广难度大，无法在中国农林业发展中作为基础工具进行广泛使用。
实用新型内容
（一）要解决的技术问题
本实用新型要解决的技术问题是现有设备无法实现对大面积田间作物进行实时监测的问题以及人工操作在实际测量中带来较大误差的问题。
（二）技术方案
为达上述目的，本实用新型提供一种群体叶绿素实时监测系统，其包括入射光模块、反射光模块、主控芯片、无线通讯模块和上位机，所述入射光模块、反射光模块均与主控芯片连接，所述主控芯片通过 无线通讯模块与上位机连接。
其中，所述入射光模块包括依次叠加的第一散光片、第一滤光片、第一光电传感器，以及依次叠加的第二散光片、第二滤光片、第二光电传感器；所述反射光模块包括依次叠加的平凸透镜、分光镜，以及过滤所述分光镜分离出的光线的第三滤光片和第四滤光片，第三滤光片与第三光电传感器连接，第四滤光片与第四光电传感器连接；所述第一滤光片和第三滤光片均为320～760nm滤光片，所述第二滤光片和第四滤光片均为780～3000nm滤光片；所述第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器和第四光电传感器分别与主控芯片连接。
其中，所述第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器和第四光电传感器均为OPT101光电传感器。
其中，所述监测系统还包括分别与主控芯片连接的时钟电路、晶振电路、复位电路、温湿度传感器和电源电路。
其中，所述监测系统还包括分别与主控芯片连接的入射光模块开关电路和反射光模块开关电路。
其中，所述无线通讯模块包括与主控芯片的第一串口连接的第一无线通信芯片，与上位机连接的协调器以及连接第一无线通信芯片与协调器的路由器。
其中，所述监测系统还包括RS485总线，所述RS485总线通过主控芯片的第二串口连接主控芯片以及上位机。
其中，所述时钟电路包括PCF8563芯片以及SMBUS总线，所述PCF8563芯片通过SMBUS总线与主控芯片连接。
其中，所述第一无线通信芯片为CC2430芯片。
其中，所述主控芯片为C8051F020单片机。
（三）有益效果
本实用新型采用上述技术方案提供的群体叶绿素实时监测系统，通过无线通讯模块将由入射光模块、反射光模块组成的终端节点所采集的作物信息实时传送至用户中心的上位机，用户可以在设定的测量 时间范围内对镜头视野内的植物叶绿素进行实时监测，功耗低、成本低、响应快、精度高，实现对远程大面积田间作物的实时监测，为精细农业标准化提供坚实基础。本实用新型的方案从实际需求出发，结合中国农业发展现状，降低开发成本，保证叶绿素监测的精确度。
附图说明
图1是本实用新型群体叶绿素实时监测系统的结构框图；
图2是本实用新型的入射光模块的结构框图；
图3是本实用新型的反射光模块的结构框图；
图4是本实用新型群体叶绿素实时监测系统的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的群体叶绿素实时监测系统作进一步详细说明。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
如图1所示，本实用新型的群体叶绿素实时监测系统包括入射光模块、反射光模块、主控芯片、无线通讯模块和上位机，入射光模块、反射光模块均与主控芯片连接，主控芯片通过无线通讯模块与上位机连接。入射光模块、反射光模块等组成的终端节点所采集的作物信息发送到主控芯片，主控芯片是具有数模转换的芯片，通过主控芯片对数据进行处理并由无线通讯模块实时传送至用户中心的上位机，用户可以在设定的测量时间范围内对植物叶绿素进行实时监测，实现对远程大面积田间作物的实时监测，为精细农业标准化提供坚实基础。本实用新型的监测系统具有功耗低、成本低、响应快、精度高的有益效果。
如图2和图3所示，入射光模块包括依次叠加的第一散光片、第一滤光片、第一光电传感器，以及依次叠加的第二散光片、第二滤光片、第二光电传感器。反射光模块包括依次叠加的平凸透镜、分光镜以及用来过滤该分光镜分离出的光线的第三滤光片和第四滤光片，第 三滤光片与第三光电传感器连接，第四滤光片与第四光电传感器连接。第一滤光片和第三滤光片均为620nm-760nm滤光片，第二滤光片和第四滤光片均为780nm-3000nm滤光片；第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器和第四光电传感器分别与主控芯片连接。本实施例中，第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器和第四光电传感器均为OPT101光电传感器。第一滤光片和第三滤光片均为700nm滤光片，第二滤光片和第四滤光片均为830nm滤光片，滤光片是用来选取所需光线波段的光学器件，700nm滤光片用于选取波长为700nm的光进入本监测系统，830nm滤光片用于选取波长为830nm的光进入本监测系统；第一散光片、第二散光片均为聚四氟乙烯散光片，其使光线能够均匀进入入射光模块。
入射光模块的散光片和滤光片采集自然光中波长为700nm和830nm的光经第一光电传感器和第二光电传感器转换为模拟信号作为入射光信号，反射光模块的平凸透镜、分光镜和滤光片采集监测对象表面反射的波长为700nm和830nm的光经第三光电传感器和第四光电传感器转换为模拟信号作为反射光信号，将该四路光信号输入到主控芯片中，主控芯片将光模拟信号转换为光数字信号，由无线通讯模块传送到用户中心的上位机，由上位机软件根据该四路光信号计算求得波长为700nm和830nm的光的反射率和吸光度，并将求得的数据存入数据库供用户查询。其中，第一散光片、第一滤光片与植物表面平行，以获取与测量平面光照一致的入射光信号。使用带有数模转换功能的主控芯片将模拟信号转换成数字信号，数字信号的具有较高的稳定性，在传输过程中不容易出现失真的问题，提高用户测量的准确性。
群体叶绿素实时监测系统的测量原理为：测量与绿色互补的红光的吸收量来检测植物绿色程度，红色光光谱范围为620nm-760nm（ISO20473标准定义），选择在该范围内的700nm即可作为吸收光谱参数；近红外光的光谱范围为780nm-3000nm（ISO20473标准定义），叶绿素对其几乎无吸收，选择在该范围内的短波光谱830nm作为参比光谱参 数。通过测量700nm和830nm光信号，计算两种波长光的吸光度值，与标准仪器CM1000测量值进行二元回归，获得测量函数，即为本实用新型的绿植测量函数。
根据改进的朗伯比尔定律
计算光波的吸光度值。
式中，A为吸光度值，I反为反射光的值，I入为入射光的值，R为反射率。
分别测量计算获得700nm与830nm光波的吸光度值，将其与标准仪器CM1000测量值进行二元回归：YCM=aA700+bA830+c
也可表示为：YCM=a（-lgR700）+b（-lgR830）+c
因实际测量中存在传感器差异、增益放大倍数不同等因素造成的系统误差，所以测量的反射光与入射光需要经过黑箱实验和白板实验获得的函数进行校正，校正公式如下：
式中，I700反为系统测量的700nm反射光的值，I830反为830nm反射光的值，D1、D2为各传感器暗电流值。I白为白板反射光强度，即为样品表面入射光真实值，IΔ为入射光模块测量值，a1、b1为模型系数。
更进一步地，如图1所示，监测系统还包括分别与主控芯片连接的时钟电路、晶振电路、复位电路、温湿度传感器、电源电路、入射光模块开关电路、反射光模块开关电路以及无线通讯模块开关电路。其中，主控芯片选用C8051F020单片机；时钟电路包括PCF8563芯片以及SMBUS总线，PCF8563芯片通过SMBUS总线与主控芯片连接，根据上位机的初始化时间对PCF8563芯片进行时间初始化，当PCF8563芯片接收到上位机下发的时钟初始化指令之后开始计时，以用户设定的时间作为低功耗时间标志。监测系统检测时钟芯片信号，确定测量的时间是否为用户设定的测量时间，若在测量时间范围内，则启动各个开关，进行信号采集，若在测量时间范围外，关闭入射光模块开关电路、反射光模拟开关电路以及无线通讯模块开关电路；温 湿度传感器为SHT11，SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器，该传感器采用独特的CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。
具体地，入射光模块开关电路、反射光模块开关电路、无线通讯模块开关电路是分别由三个NCP500为开关芯片设计的开关电路，分别控制入射光模块、反射光模块以及无线通信模块的电源导通与否，主控芯片检测时钟电路的时钟信号，在用户设定的工作时间内导通以上三部分电源，休眠时间内关闭以上三部分电源，使系统进入低功耗模式。时钟电路通过SMBUS总线与主控芯片通信，根据上位机的初始化时间对PCF8563芯片进行时间初始化，待主控芯片读取时钟信息为测量时间段，相应开关电路导通供电，若为非测量时间段，则相应开关电路关断并停止供电；温湿度传感器获取待测点当前温度与湿度，传给主控芯片以提供当前环境参数；电源电路反馈当前外部电池和内部电池的电量；晶振电路是为系统提供时钟的常规电路；复位电路是为系统提供掉电复位功能的常规电路。
无线通讯模块包括与主控芯片的第一串口连接的第一无线通信芯片，与上位机连接的协调器以及连接第一无线通信芯片与协调器的路由器。第一无线通信芯片与协调器通过ZigBee2006协议栈作为无线通信协议的路由器进行相互通信，Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术；主控芯片通过第一串口与第一无线通信芯片连接，协调器与上位机连接，第一无线通信芯片为CC2430芯片。第一无线通信芯片放置于待监测点，协调器放置于用户中心，第一无线通信芯片与协调器通过路由器进行相互通信。本实施例中，还优选协调器通过一个C8051F020单片机与上位机连接，设置C8051F020单片机可进行相应的功能扩展。
在无线通讯的基础上，为了使监测系统更加可靠，还设有有线通讯方式，具体地，使用RS485总线进行上位机与主控芯片的通信，主 控芯片通过第二串口与RS485总线连接，RS485总线与上位机连接，使得监测系统在无线通讯网络失效时仍可以正常运行。
本系统通过SMBUS总线连接时钟电路，以获取低功耗时间标志，由交叉开关配置I/O口连接温湿度传感器，以获取实时环境指数；用户中心接收下位机数据，并将其转换为绿值、NDVI指数（植被指数）以及温湿度值，供用户查询参考。本实用新型采用双光谱反射式测量方法，以自然光为光源，可在野外或温室环境下进行无人化实时监测，设备成本低，有利于在我国农林中进行推广使用。
在实际应用中，如图4所示，本实用新型的群体叶绿素实时监测系统还可以设有多个由入射光模块、反射光模块、主控芯片、第一无线通讯芯片组成的节点，每个节点对不同区域的植物进行监测，每个节点将采集到的数据通过无线通讯模块通讯网络传递给用户中心的上位机进行处理和存储，或者每个节点直接通过RS485总线的有线网络将采集到的数据传递给上位机进行处理和存储。
以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴。
Claims (10)
1.一种群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：其包括入射光模块、反射光模块、主控芯片、无线通讯模块和上位机，所述入射光模块、反射光模块均与主控芯片连接，所述主控芯片通过无线通讯模块与上位机连接。
2.根据权利要求1所述的群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：所述入射光模块包括依次叠加的第一散光片、第一滤光片、第一光电传感器，以及依次叠加的第二散光片、第二滤光片、第二光电传感器；所述反射光模块包括依次叠加的平凸透镜、分光镜，以及过滤所述分光镜分离出的光线的第三滤光片和第四滤光片，第三滤光片与第三光电传感器连接，第四滤光片与第四光电传感器连接；所述第一滤光片和第三滤光片均为320～760nm滤光片，所述第二滤光片和第四滤光片均为780～3000nm滤光片；所述第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器和第四光电传感器分别与主控芯片连接。
3.根据权利要求2所述的群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：所述第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器和第四光电传感器均为OPT101光电传感器。
4.根据权利要求1所述的群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括分别与主控芯片连接的时钟电路、晶振电路、复位电路、温湿度传感器和电源电路。
5.根据权利要求4所述的群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括分别与主控芯片连接的入射光模块开关电路和反射光模块开关电路。
6.根据权利要求1所述的群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：所述无线通讯模块包括与主控芯片的第一串口连接的第一无线通信芯片，与上位机连接的协调器以及连接第一无线通信芯片与协调器的路由器。
7.根据权利要求1所述的群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括RS485总线，所述RS485总线通过主控芯片的第二串口连接主控芯片以及上位机。
8.根据权利要求4所述的群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：所述时钟电路包括PCF8563芯片以及SMBUS总线，所述PCF8563芯片通过SMBUS总线与主控芯片连接。
9.根据权利要求6所述的群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：所述第一无线通信芯片为CC2430芯片。
10.根据权利要求1至9任一项所述的群体叶绿素实时监测系统，其特征在于：所述主控芯片为C8051F020单片机。
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Granted publication date: 20140326 |