CN213516861U

CN213516861U - 基于窄带led进行营养液浓度精准检测的信息采集设备

Info

Publication number: CN213516861U
Application number: CN202022736535.9U
Authority: CN
Inventors: 王东; 廖晋瑞; 沈楷程; 王韶泽; 袁凯凯; 雷文晔
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2030-11-23

Abstract

一种基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备，包括：若干分别发出紫外、可见光以及近红外光的窄带LED灯珠；连接窄带LED灯珠驱动其发光的驱动模块；承载经显色处理后的待测营养液的流通池，流通池设置于窄带LED灯珠的照射光路上；光谱检测模块，设置在流通池外部，接收穿过流通池的透射光信号；模数转换芯片，接光谱检测模块，将透射光信号转换为数字信号并传送至处理端。本发明可利用窄带LED采集待测营养液的光谱信号，为多光谱吸光度的计算和最终的营养液浓度精准检测提供必要支持。

Description

基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备

技术领域

本发明属于智能农业装备技术领域，涉及一种营养液浓度检测设备，特别涉及一种基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备。

背景技术

随着设施农业的不断发展，营养液的使用也日益广泛，同时也推动了营养液浓度精准检测和实时控制技术的发展。通过对生产管路中的营养液进行成分检测，可以掌握作物对不同营养成分的吸收量，从而了解作物对不同养分的需求，进行按需供给。这样不但可以促进植物生长，提高营养成分的利用率，同时可以促进营养液的循环利用，减少营养液废液的排放，提高资源的利用率，减少浪费。

但是，如何对营养液中的有效组分进行快速检测，是一个亟待解决的关键问题。传统的分析化学滴定法、色谱法等实验室检测方法，费时费力，价格昂贵，更无法实时检测。

目前在生产中对营养液成分检测的方面，大多使用的还是使用以离子选择电极为主，结合营养液的pH值和EC值对营养液中的部分离子进行测量，对另外一部分离子进行估测等软测量的方法检测营养液各组分的含量。离子选择电极法检测的离子种类有限，且在检测过程中由于营养液中的部分离子附着在电极上，导致离子选择电极的检测精度会下降，从而影响整体检测系统的测量精度。因此，离子选择电极在实际检测的过程中存在检测速度慢的问题，且大多以检测阴离子和重金属离子为主，广泛存在于生命体中的金属阳离子相关的检测涉及较少，更没有运用在生产生活中的大量元素离子检测设备。因此，有必要研发一种成本低、检测速度快、自动化程度高的营养液浓度快速检测设备。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于窄带LED 进行营养液浓度精准检测的信息采集设备，可利用窄带LED采集待测营养液的光谱信号，为多光谱吸光度的计算和最终的营养液浓度精准检测提供必要支持。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备，包括：

若干分别发出紫外、可见光以及近红外光的窄带LED灯珠；

连接所述窄带LED灯珠驱动其发光的驱动模块；

承载经显色处理后的待测营养液的流通池，流通池设置于所述窄带LED灯珠的照射光路上，其能通过190nm-2500nm光；

光谱检测模块，设置在流通池外部，接收穿过流通池的透射光信号；

模数转换芯片，接所述光谱检测模块，将所述透射光信号转换为数字信号并传送至处理端。

所述窄带LED灯珠呈环形阵列分布，各窄带LED灯珠位于同一竖直面上，电机带动各窄带LED灯珠的转动，使发出不同光的窄带LED灯珠依次照射流通池。

本发明还可包括主体框架及其外壳，主体框架为多层框架结构，在其最上方安装有若干试剂瓶，窄带LED灯珠安装在外壳上。

所述流通池包括光学流通池，沿所述照射光路方向，其前侧设置有流通池外壳A，后侧设置有流通池外壳B，流通池外壳A和流通池外壳B上分别设置有透光孔且所述透光孔位于同一直线上，光学流通池顶部入口位置设置有注液斗。

所述窄带LED灯珠有6个，中心波长分别为220、275、400、530、700、 1720nm，半峰全宽FWHM为20nm。

所述光谱检测模块以两个光电传感器为核心，两个光电传感器一个为Si光电二极管，光谱响应范围为200-900nm，另一个为InGaAs光电二极管，光谱响应范围为1100-1800nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

a.本发明采用窄带LED灯珠和光电传感器采集营养液的透射光谱，为高速度、高精度的检测提供必要基础。

b.本发明能直接安装在设施农业的生产环境中进行使用。

c.本发明具有结构简单、适应性强的优点，能够较大提高营养液浓度检测的智能化程度，且提高营养液的利用率，减少资源浪费。同时，对作物生长过程中对养分需求量的研究有较大帮助。

附图说明

图1是本发明基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备的系统原理图。

图2是本发明基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备机械结构图。

图3是本发明基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备光谱采集部分机械结构图。

图4是本发明基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备流通池部分爆炸图。

附图标记：1、试剂瓶；2、LCD显示屏；3、设备控制盒；4、电磁阀；5、外壳；6、主体框架；7、软管；8、水箱；9、废液桶；10、自吸泵；11、气液分离器；12、反应发生器；13、排阀；14、蠕动泵；15、窄带led灯珠；16、流通池；17、光电传感器；18、电机；19、光源转换器；1601、光学流通池； 1602、流通池外壳A；1603、流通池外壳B；1604、注液斗。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备，包括：

光源与驱动模块，其中光源为分别发出紫外、可见光以及近红外光的6个窄带LED灯珠，驱动模块与各窄带LED灯珠连接驱动其发光，环形阵列分布，其6个波段LED灯珠的中心波长为220、275、400、530、700、1720nm，半峰全宽(FWHM)约为20nm；

流通池，通过液体输送模块连接试剂瓶，承载经显色处理后的待测营养液，设置于所述光源的照射光路上，其能通过190nm-2500nm光；

光谱检测模块，以两个光电传感器为核心，接收穿过流通池的透射光信号，两个光电传感器一个为Si光电二极管，光谱响应范围为200-900nm，另一个为 InGaAs光电二极管，光谱响应范围为1100-1800nm；

模数转换芯片，接所述光谱检测模块，将所述透射光信号转换为数字信号；

运算控制模块，可基于STM32单片机，接所述模数转换芯片，计算待测营养液的多光谱吸光度；

核心处理模块，可基于树莓派四代，采用偏最小二乘回归算法计算待测营养液的各成分浓度；

人机交互模块，接所述核心处理模块显示计算结果；

电源模块，连接各用电模块为其供电。

在机械结构上，本发明采用了包括外壳的主体框架，流通池、光源与驱动模块、光谱检测模块、液体输送模块均固定在主体框架上，便于安装；所述运算控制模块、核心处理模块、电源模块、人机交互模块均固定在主体框架的外壳上，便于用户操作、调试以及查看检测结果。在物理连接上，光源与驱动模块、光谱检测模块、液体输送模块通过电缆与运算控制模块相连，运算控制模块通过电缆与核心处理模块相连；运算控制模块、核心处理模块通过电缆与电源模块相连，电源模块通过电缆与220V市电或380V工业用电相连，为设备供电。

图2给出了本发明设备的一种具体机械结构实现实施例，该实施例中，设备的长、宽、高分别不大于500mm、500mm、1400mm。其包括试剂瓶1、LCD显示屏2、设备控制盒3、电磁阀4、外壳5、主体框架6、软管7、水箱 8、废液桶9、自吸泵10、气液分离器11、反应发生器12、排阀13、蠕动泵 14、窄带LED灯珠15、流通池16、光电传感器17、电机18、光源转换器19 等。

试剂瓶1、电磁阀4、自吸泵10、气液分离器11、反应发生器12、排阀 13、蠕动泵14、流通池16、电机18均固定在所述主体框架6上，便于安装。 LCD显示屏2、设备控制盒3、水箱8、废液桶9均固定在外壳5上，便于用户操作、调试、更换以及查看检测结果。

具体地，主体框架6为多层框架结构，外壳5为多层框架结构外部的壳体，外壳5内部粘贴有黑色遮光幕布，以减少外界光干扰。试剂瓶1安装在多层框架结构的最上方，LCD显示屏2安装在外壳5的外侧面，连接设备控制盒3，电源模块、运算控制模块和核心处理模块设置于设备控制盒3中，运算控制模块采用STM32F103VET6单片机，核心处理模块采用树莓派4B+，运算控制模块通过电缆与核心处理模块相连，运算控制模块、核心处理模块通过电缆与电源模块相连，电源模块通过电缆与220V市电或380V工业用电相连，为设备供电。

LCD显示屏2、电磁阀4、自吸泵10、排阀13、蠕动泵14、窄带LED灯珠15、电机18、光电传感器19通过电缆与运算控制模块相连。

试剂瓶1通过带蠕动泵14和排阀13的管路连接反应发生器12，反应发生器12的出口通过带电磁阀4的管路连接流通池16，窄带LED灯珠15正对流通池16设置，窄带LED灯珠15为环形阵列光源，可分别发出紫外、可见光以及近红外光的光源位于不同的圆周上，利用电机18控制环形阵列光源转动，使得不同波长的光照射流通池16的一侧，也可利用光源转换器19根据需要控制发出紫外、可见光以及近红外光，在流通池16的另一侧也即出射光一侧，设置光电传感器17，采集透射光。

优选的，试剂瓶1的数量为10个，电磁阀4的数量为6个，反应发生器12的数量为6个，蠕动泵14的数量为13个，

废液桶9和水箱8设置在多层框架结构的最底层，水箱8通过软管7连接气液分离器11，气液分离器11的液体出口通过带有自吸泵10的管路连接废液桶9反应发生器12。气液分离器11的作用为待测营养液在其中静置一段时间后可去除溶解在营养液中的气体，防止气泡进入液体输送管路和蠕动泵内，避免气体对液体输送精度的影响。

图3给出了本实施例中的光源组件和光电传感器模块。流通池16采用石英材质，光程10mm，可以通过190nm-2500nm光。如图4所示，光学流通池 1601外部为3D打印的黑色尼龙外壳1602、1603和注液斗1604，可以在减少外界光干扰的同时保护流通池16。

优选的，本实施例中设备的工作功率为60W，具有较低功耗。

本发明还提供了基于所述基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备的检测方法，可自动测量经显色处理的待测营养液的透射光谱吸光度，并计算出其给离子浓度含量。光源模块中不同波段的窄带LED灯珠依次点亮，分别发出紫外、可见以及近红外的光，灯珠所发射的光近似于平行光射入流通池，照射经显色处理后的待测营养液，光谱检测模块接收到透射光信号将其转换为电信号，模数转换芯片将其转换为数字信号然后传递给运算控制模块，运算控制模块将运算后的数据通过串口传输至核心处理模块，核心处理模块调用离子浓度预测模型，计算得出待测营养液中各成分浓度，并通过人机交互模块的显示器反馈给用户。

其具体步骤如下：

(1)设备开机上电：完成设备初始化；

(2)开机自清洗：设备输送管路从水箱中泵取去离子水清洗管路与流通池；

(3)待测营养液进行显色处理：输送管路将待测营养液输送至各反应发生器中，分别加入对应的显色剂和掩蔽剂，反应一段时间；所用的显色剂有：酸性铬蓝K、钙指示剂、钒钼酸铵、次氯钠、水杨酸、18-冠醚-6、硝普钠；所用的掩蔽剂有：三乙醇胺、邻菲啰啉、氨水。

(4)设置参考光谱：在清洗流通池，且流通池中装满去离子水时，熄灭各窄带LED灯珠，采集并设置暗参考I_d，依次点亮各窄带LED灯珠，采集并设置白参考I_w；

(5)采集待测营养液的透射光谱：将经显色处理的待测营养液输送至流通池内，采集对应波段LED光源照射的透射光谱I_R，计算待测营养液的多光谱吸光度A，

多光谱吸光度A波长范围为220nm-1750nm；

(6)采用偏最小二乘回归算法计算营养液中各成分浓度，包括各成分为：硝酸根离子(NO₃ ^-)、铵根离子(NH₄ ⁺)、钙离子(Ca²⁺)、镁离子(Mg²⁺)、钾离子(K⁺)以及总磷含量。计算公式为：

Y＝K·A+c

式中Y是算法的输出值，即是各离子浓度，K是系数，A是待测营养液的多光谱吸光度，c是常数项，系数K和常数项c的确定方法包括以下步骤：

a.数据采集：配制各成分标准溶液，按不同比例、不同梯度混合，取混合液样本大于100个，用所述基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备采集其透射光谱吸光度；

b.确定系数K和常数项c：以混合液样本的透射光谱吸光度和配制液的计算浓度值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出数K和常数项c。

所述待测营养液的各成分为硝酸根离子(NO₃ ^-)、铵根离子(NH₄ ⁺)、钙离子(Ca²⁺)、镁离子(Mg²⁺)、钾离子(K⁺)以及总磷含量。

(7)显示检测结果。

本发明的检测原理是朗伯—比尔定律，当一束平行单色光通过一均匀溶液时，光的一部分被样品室反射回来，一部分被溶液吸收，一部分则透过溶液通常情况下，分光光度法测量的是透射光强度，透射光强度的改变与溶液的浓度 c，透光厚度L有关，其数学表达式如下:

式中，

——吸光度，用A表示，K——比例常数，它仅和入射光波长及物质的性质有关，与其他参数无关。

硝酸根离子在紫外光220nm波长处的吸收，且溶解的有机物在220nm波长处也有吸收，而硝酸盐在275nm处没有吸收。因此，在275nm处作一次测量，以校正有机物对硝酸盐测定的影响。以△A＝A220-A275，对硝酸盐含量进行拟合，测量硝酸根离子含量。该法测量硝酸根最低检出浓度为0.2mg/L，测定范围为0.4-10mg/L。

在酸性条件下磷与钒钼酸铵生成黄色的钒钼黄络合物。在波长400nm下测定试样溶液中钒钼黄的吸光度值，钒钼黄的吸光度值与总磷的浓度成正比。该法测量总磷含量的最低检出浓度为0.05mg/L，测定范围为0.1-0.75mg/L.

在碱性介质中，铵根离子与次氯酸盐、水杨酸反应生成一种稳定的蓝色化合物，可于波长700nm处进行光度测定。试样中共存离子对铵盐的测定没有干扰。该法最低检出铵根离子浓度为0.01mg/L，测定范围为0.02-1.2mg/L。

在碱性缓冲溶液(pH＞9)的条件下，钙指示剂与钙离子生成可溶的酒红色络合物，而与镁离子则无此反应。酸性铬蓝K溶液可与钙离子和镁离子同时发生显色反应，生成可溶的酒红色络合物。可于波长530nm处分别进行光度测定，可测得钙离子含量在0～2.4mg/L，镁离子含量在0～1.3mg/L。

18-冠醚-6通过偶极离子作用可以与钾离子形成具有一定稳定性的配合物, 于1720nm经近红外光谱分析，钾离子的检测范围为0.0406-0.8628g/L。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的；本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备，其特征在于，包括：

若干分别发出紫外、可见光以及近红外光的窄带LED灯珠(15)；

连接所述窄带LED灯珠(15)驱动其发光的驱动模块；

承载经显色处理后的待测营养液的流通池(16)，流通池(16)设置于所述窄带LED灯珠(15)的照射光路上，其能通过190nm-2500nm光；

光谱检测模块，设置在流通池(16)外部，接收穿过流通池(16)的透射光信号；

2.根据权利要求1所述基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备，其特征在于，所述窄带LED灯珠(15)呈环形阵列分布，各窄带LED灯珠(15)位于同一竖直面上，电机(18)带动各窄带LED灯珠(15)的转动，使发出不同光的窄带LED灯珠(15)依次照射流通池(16)。

3.根据权利要求2所述基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备，其特征在于，所述流通池(16)包括光学流通池(1601)，沿所述照射光路方向，其前侧设置有流通池外壳A(1602)，后侧设置有流通池外壳B(1603)，流通池外壳A(1602)和流通池外壳B(1603)上分别设置有透光孔且所述透光孔位于同一直线上，光学流通池(1601)顶部入口位置设置有注液斗(1604)。

4.根据权利要求1所述基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备，其特征在于，所述窄带LED灯珠(15)有6个，中心波长分别为220、275、400、530、700、1720nm，半峰全宽(FWHM)为20nm。

5.根据权利要求1所述基于窄带LED进行营养液浓度精准检测的信息采集设备，其特征在于，所述光谱检测模块以两个光电传感器(17)为核心，两个光电传感器(17)一个为Si光电二极管，光谱响应范围为200-900nm，另一个为InGaAs光电二极管，光谱响应范围为1100-1800nm。