CN204154639U - 一种车载式植物ndvi值检测装置和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于生物信息检测技术领域，本实用新型提供了一种车载式植物NDVI值检测装置和系统，该装置包括光学传感器、控制器和电源转换模块；控制器包括主控模块以及与主控模块相连接的交互模块、无线控制模块、存储模块、显示模块；主控模块接收并处理光学传感器采集数据；显示模块用于显示主控模块的处理结果；存储模块用于存储于处理结果；交互模块用于接收用户操作指令，并交由主控模块执行操作；无线控制模块用于接收无线操控指令，用于控制检测装置的启动和关闭。本实用新型采用无线控制方式，数据采集人员可以实时多点检测，有效提高检测效率。本实用新型具有体积小、重量轻、使用简单方便等优点，非常适合农田推广。

Description

一种车载式植物NDVI值检测装置和系统

技术领域

本实用新型涉及一种植物光谱指数检测装置和系统，特别涉及一种适用于植物生长期间快速检测叶片NDVI值的装置和系统，属于生物信息检测技术领域。

背景技术

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)归一化植被指数，又称标准化植被指数，它是反映农作物长势和营养信息的重要参数之一。植物叶绿素发生光合作用时，吸收红光较多，因此长势越好的植被吸收红光越多，反射近红外光也越多。而归一化植被差异指数NDVI定义为(NIR-R)/(NIR+R)。NIR为某红外光特征波长处的植被反射率，R为某红光特征波长处植被的反射率。因此NDVI值越大，植物长势越好。

光谱传感器通过利用不同波段光测量被测物的反射、辐射光谱值，从而分析获取被测物的相关特征信息。由于光谱传感器具有无破坏性、信息获取方便、实时性高等优点，被广泛应用于作物生长指数检测。例如，日本Konica Minolta Optics公司开发的手持式叶绿素计SPAD-502。该装置内置LED光源测量叶绿素对光谱的吸收率，进而计算出表征作物叶绿素含量的SPAD值。再例如，美国Trimble Navigation公司生产的系列产品。通过测量作物冠层在红光及近红外范围内的若干个波段处的反射率，并通过计算NDVI(归一化植被指数)、RVI(比值植被指数)或CI(叶绿素指数)等光谱指数来预测作物长势。

然而在国内农业生产中，目前还没有一款成熟的用于快速检测植物NDVI值的装置。国外生产的NDVI值检测装置多为便携式光谱仪器，其具有以下缺点：一是只能单点检测。对于大面积检测区域，单点检测效率非常低。二是仪器多采用有线连接方式，限制了仪器使用的范围。三是国外仪器的人机交互界面均英文环境，国内农户无法正常使用。仪器出现问题后，无法应对，不适宜在国内进行推广，只适合于在科研院所进行使用。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种车载式植物NDVI值检测装置和系统。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用下述的技术方案：

一方面。本实用新型提供一种车载式植物NDVI值检测装置，包括光学传感器、控制器和电源转换模块；

所述光学传感器将采集植物光谱信号转换、放大后发送至控制器；

所述控制器处理所述光学传感器采集的数据，包括主控模块以及与所述主控模块相连接的交互模块、无线控制模块、存储模块、显示模块；

所述主控模块接收并处理所述光学传感器采集数据；所述显示模块用于显示所述主控模块的处理结果；所述存储模块用于存储于所述处理结果；所述交互模块用于接收用户操作指令，并交由主控模块执行操作；所述无线控制模块用于接收无线操控指令，用于控制所述检测装置的启动和关闭；

所述电源转换模块为所述光学传感器和所述控制器提供工作电源。

其中较优地，所述控制器还包括用于连接全球卫星定位系统的接口；

所述主控模块通过所述接口实时采集采样点位置信息，并将所述位置信息存储于所述存储模块中。

其中较优地，所述控制器还包括串口；所述控制器通过所述串口将所述存储模块的信息传输至上位机。

其中较优地，所述存储模块为FLASH闪存。

其中较优地，所述光学传感器包括两个滤光片、光敏元件和信号放大器、模数转换器以及微控制器；

两个滤光片分别位于红光通道和近红外通道中；所述两个光敏元件分别将所述两个滤光片滤过的光信号转换为电信号；所述电信号经所述信号放大器放大、滤波后发送至所述模数转换器；所述模数转换器将所述电信号进行模数转换，并交由所述微控制器将数据发送至所述控制器。

其中较优地，所述光敏元件是光电二极管。

其中较优地，所述红光通道的滤光片中心波长为660nm。

其中较优地，所述近红外通道的滤光片中心波长为840nm。

其中较优地，所述信号放大器的型号为OPA333。

另一方面，本实用新型还提供一种应用上述装置的车载式植物NDVI值检测系统，包括车载式植物NDVI值检测装置和上位机；

所述车载式植物NDVI值检测装置与所述上位机通过无线网络连接；

所述上位机通过无线控制模块向所述车载式植物NDVI值检测装置发送控制命令；

所述车载式植物NDVI值检测装置接收所述上位机的控制命令采集植物的光谱信息，并向所述上位机传输采集到的光谱信息。

本实用新型的植物NDVI值检测装置和系统具有以下有益效果：采用车载式，无需数据采集人员手持装置跟随检测，即可完成大面积区域的NDVI值检测；采用无线控制方式，数据采集人员可以实时多点检测，有效提高检测效率；实时获取采样点位置信息，为特定区域植物的营养诊断和区域管理提供参考依据。本检测装置结构简单、成本低，具有体积小、重量轻、使用简单方便等优点，非常适合农田推广。

附图说明

图1为本实用新型中，车载式植物NDVI值检测装置结构示意图；

图2为本实用新型中，光学传感器的结构示意图；

图3为本实用新型中，玉米叶片NDVI值检测原理图；

图4为本实用新型中，控制器的原理结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。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。

本实用新型所提供的车载式植物NDVI值检测装置适用于植物生长期间叶片NDVI值快速检测。参见图1，本车载式植物NDVI值检测装置(以下简称“检测装置”)包括光学传感器、控制器、电源转换模块以及无线遥控器。光学传感器负责植物光谱信号的采集、放大、发送等工作；控制器对光学传感器采集的数据进行处理、显示和存储。电源转换模块为光学传感器和控制器提供工作电压。无线遥控器用于无线控制检测装置的启动和关闭。下面以玉米叶片NDVI值检测装置为例，对检测装置的内部结构进行详细介绍。

参见图2，光学传感器负责采集植物光谱信号，并将光信号进行转换、放大后发送至控制器。本实施例中光学传感器包括两组光学通道、两个滤光片(图中未示出)、光电二极管(图中未示出)、信号放大器、模数转换器以及微控制器。两组光学通道中，通道1为红光通道，通道2为近红外通道，分别用于测量玉米叶片漫反射光在红光的辐射强度和近红外处的辐射强度。每个光学通道中分别设有滤光片。本实施例中用于检测玉米叶片的NDVI值，因此红光通道采用中心波长为660nm的滤波片，近红外通道采用中心波长为840nm的滤光片。

图3为玉米叶片NDVI值检测原理图。平行入射太阳光作为光源。在测量时，光学传感器被垂直放置与目标冠层的正上方。通过滤光片获取太阳入射光和植被反射光在红光波段和近红外两个波段的辐射强度。经过滤光片的光信号由光电二极管转换成电流信号。电流信号经信号放大器的放大、滤波后转换为电压信号。电压信号被发送至模数(A/D)转换器进行模数转换。微控制器定时读取模数转换器的转换数据，并将数据发送至控制器。其中，本实施例中信号放大器采用的芯片型号为OPA333。

参见图4，本实施例中控制器包括主控模块、无线控制模块、存储模块、交互模块和显示模块。主控模块分别与其他各个模块相连接，负责各个模块之间的通信。电源转换模块分别为控制器的各个模块提供工作电压，本实施例采用3V电源供电。

主控模块接收光学传感器传送的各个光学通道的测量数据后进行处理，得出光学参数K、植被指数NDVI等光谱信息，并将处理后的光谱信息在显示模块进行显示。处理结果同时发送至存储模块进行保存，用于后续对处理数据做进一步分析。其中存储模块采用32KB Flash闪存，当然也可以选取其他存储形式，例如U盘、RAM等，这里不做具体的限定。交互模块包括按键、触控屏等交互设备。交互模块置接收用户触发操作指令后，由主控模块执行相关操作，例如检测装置复位、数据存储、数据格式化以及数据上传等。交互模块采用中文环境，符合国内用户的操作习惯。

无线控制模块用于接收无线遥控器发送的控制信号，并发送至主控模块。主控模块根据无线信号控制检测装置的启动和关闭。由于控制器采用无线控制方式，数据采集人员可以远程控制多个检测装置，实现多点检测。由于本实用新型采用车载式，数据采集人员在一固定点通过无线控制方式，即可完成大范围植物的NDVI值检测。相对于手持式检测装置，本实用新型可以有效减少数据采集人员的工作量，提高检测效率。此外，为保证检测装置能够远距离准确进行控制，无线控制模块采用WIFI、ZIGBEE、GPRS等较远距离的无线传输协议。

本实施例的控制器还配置了接口模块。接口模块与主控模块相连接，包括串口以及GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星定位系统)接口。其中，GNSS接口用于连接全球卫星定位系统。主控模块通过GNSS接口可以实时采集采样点的位置信息，并保存在存储模块中。串口用于将存储的植物NDVI值以及采样点位置信息上传至上位机。本实用新型通过对玉米叶片NDVI值和采样点的位置信息进行实时检测，为后续玉米的区域管理以及营养诊断提供必要的技术支持。

在本发明的另一个实施例中，为进一步体现本是实用新型提供的车载式植物NDVI值检测的优越性，本实用新型还提供一种应用上述装置的车载式植物NDVI值检测系统，该系统包括车载式植物NDVI值检测装置和上位机；所述车载式植物NDVI值检测装置与所述上位机通过无线网络连接；所述上位机通过无线控制模块向所述车载式植物NDVI值检测装置发送控制命令(例如)；所述车载式植物NDVI值检测装置接收所述上位机的控制命令采集植物的光谱信息，并向所述上位机传输采集到的光谱信息。在本实施例中，上位机可以根据实际的环境自由选择通过WIFI、ZIGBEE、GPRS等无线网络与车载式植物NDVI值检测装置连接并传输数据。

综上所述，在使用本车载式植物NDVI值检测装置和系统时，无需数据采集人员手持装置跟随检测，即可完成大面积区域植物NDVI值的无损检测。由于采用无线控制方式，数据采集人员可以同时控制多个检测装置实时多点检测，有效提高检测效率。本检测装置结构简单、成本低，具有体积小、重量轻、使用简单方便等优点，非常适合农田推广。

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保护范畴。

Claims (10)

1.一种车载式植物NDVI值检测装置，其特征在于包括光学传感器、控制器和电源转换模块；

所述光学传感器将采集植物光谱信号转换、放大后发送至控制器；

所述控制器处理所述光学传感器采集的数据，包括主控模块以及与所述主控模块相连接的交互模块、无线控制模块、存储模块、显示模块；

所述主控模块接收并处理所述光学传感器采集数据；所述显示模块用于显示所述主控模块的处理结果；所述存储模块用于存储于所述处理结果；所述交互模块用于接收用户操作指令，并交由主控模块执行操作；所述无线控制模块用于接收无线操控指令，用于控制所述检测装置的启动和关闭；

所述电源转换模块为所述光学传感器和所述控制器提供工作电源。

2.如权利要求1所述的植物NDVI值检测装置，其特征在于：

所述控制器还包括用于连接全球卫星定位系统的接口；

所述主控模块通过所述接口实时采集采样点位置信息，并将所述位置信息存储于所述存储模块中。

3.如权利要求1所述的植物NDVI值检测装置，其特征在于：

所述控制器还包括串口；所述控制器通过所述串口将所述存储模块的信息传输至上位机。

4.如权利要求1所述的植物NDVI值检测装置，其特征在于：

所述存储模块为FLASH闪存。

5.如权利要求1所述的植物NDVI值检测装置，其特征在于：

所述光学传感器包括两个滤光片、光敏元件和信号放大器、模数转换器以及微控制器；

两个滤光片分别位于红光通道和近红外通道中；所述两个光敏元件分别将所述两个滤光片滤过的光信号转换为电信号；所述电信号经所述信号放大器放大、滤波后发送至所述模数转换器；所述模数转换器将所述电信号进行模数转换，并交由所述微控制器将数据发送至所述控制器。

6.如权利要求5所述的植物NDVI值检测装置，其特征在于：所述光敏元件是光电二极管。

7.如权利要求5所述的植物NDVI值检测装置，其特征在于：

所述红光通道的滤光片中心波长为660nm。

8.如权利要求5所述的植物NDVI值检测装置，其特征在于：

所述近红外通道的滤光片中心波长为840nm。

9.如权利要求5所述的植物NDVI值检测装置，其特征在于：

所述信号放大器的型号为OPA333。

10.一种应用权利要求1-9任意一项所述装置的车载式植物NDVI值检测系统，其特征在于，包括车载式植物NDVI值检测装置和上位机；

所述车载式植物NDVI值检测装置与所述上位机通过无线网络连接；

所述上位机通过无线控制模块向所述车载式植物NDVI值检测装置发送控制命令；

所述车载式植物NDVI值检测装置接收所述上位机的控制命令采集植物的光谱信息，并向所述上位机传输采集到的光谱信息。