專利名稱：基于近紅外光譜的植物生長(zhǎng)信息獲取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植物生長(zhǎng)信息獲取的裝置，特別是涉及一種適合設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)基于近紅外光譜分析技術(shù)的快速、在線的植物生長(zhǎng)獲取的裝置。
背景技術(shù)：
在國(guó)家工廠化農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的推動(dòng)下，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展很快。目前，我國(guó)的設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已居世界第一，但總體水平與世界設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍需大力提高。作為世界設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展潮流的工廠化農(nóng)業(yè)的核心是對(duì)設(shè)施內(nèi)栽培環(huán)境能有效地控制，進(jìn)行機(jī)械化與自動(dòng)化生產(chǎn)，營(yíng)造適于作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境條件，計(jì)算機(jī)智能化調(diào)控裝置采用不同功能的傳感器探測(cè)頭，準(zhǔn)確采集設(shè)施內(nèi)室溫、地溫、室內(nèi)濕度、土壤含水量、溶液濃度、二氧化碳濃度、風(fēng)向、風(fēng)速以及作物生長(zhǎng)狀況等參數(shù)，通過(guò)數(shù)字電路轉(zhuǎn)換后傳回計(jì)算機(jī)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和智能化處理后顯示出來(lái)，根據(jù)作物生長(zhǎng)所需最佳條件，由計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)發(fā)出指令，使有關(guān)系統(tǒng)、裝置及設(shè)備有規(guī)律運(yùn)作，將室內(nèi)溫、光、水、肥、氣等諸因素綜合協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)，確保一切生產(chǎn)活動(dòng)科學(xué)、有序、規(guī)范、持續(xù)地進(jìn)行。
目前，國(guó)外的溫室生產(chǎn)智能化操作是以作物生長(zhǎng)模擬模型作為其核心支持技術(shù)之一，利用計(jì)算機(jī)手段，對(duì)作物的各種生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行綜合的數(shù)值模擬，用數(shù)學(xué)的概念表達(dá)作物的生長(zhǎng)過(guò)程。而快速、有效獲取和描述作物生長(zhǎng)是建立、驗(yàn)證和運(yùn)行生長(zhǎng)模擬模型的重要基礎(chǔ)。完善的生長(zhǎng)模擬模型可根據(jù)作物自身狀態(tài)信息給出作物長(zhǎng)勢(shì)診斷，為決策管理提供依據(jù)。因此，設(shè)施農(nóng)業(yè)植物生長(zhǎng)信息獲取作物生長(zhǎng)模擬模型的研究具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)獲取設(shè)施內(nèi)植物生長(zhǎng)信息，建立作物生長(zhǎng)狀況的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)情況的實(shí)時(shí)或定時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化水平。
目前國(guó)外進(jìn)行作物生長(zhǎng)信息獲取的主要研究有Seginer等人在圖像分析監(jiān)測(cè)植物葉片生長(zhǎng)狀況的研究中發(fā)現(xiàn)，完全長(zhǎng)成型的西紅柿葉子的運(yùn)動(dòng)與缺水情況及吸收率幾乎成線性相關(guān)，葉尖的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是反映植株需水情況非常敏感的指標(biāo)，據(jù)此，他們以葉尖下垂度作為反映植株缺水指標(biāo)，并利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)監(jiān)測(cè)植株葉子生長(zhǎng)，把監(jiān)測(cè)結(jié)果作為灌溉系統(tǒng)的控制信號(hào)；穗波信雄等發(fā)現(xiàn)葉片的含水率與其近紅外圖像的灰度值及灰度值在空間域上的分布有關(guān)，并利用此技術(shù)預(yù)測(cè)葉片含水率；Ahmad等通過(guò)掃描將玉米植株的彩色相片數(shù)字化，認(rèn)為利用HSI(灰度)值可較早地反映出植株因水和氮素水平不同而引起的顏色差別，用于科學(xué)灌溉和施用氮肥；YunseopKim和John F.Reid以光譜傳感器獲得的多光譜圖像進(jìn)行圖像分析，并建立一套系統(tǒng)以評(píng)價(jià)作物的含氮量，從而獲得作物的生長(zhǎng)情況；Kacira等利用圖像處理技術(shù)，從作物圖像中分割出作物冠層區(qū)域，利用圖像處理技術(shù)獲得作物在生長(zhǎng)中的水需求情況。
從目前的國(guó)外研究報(bào)道來(lái)看，對(duì)作物生長(zhǎng)信息的獲取技術(shù)研究是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、光譜分析技術(shù)和信息技術(shù)等在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和管理更加具有科學(xué)性、可控性、穩(wěn)定性和高效率，并逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的智能化管理。
相對(duì)于國(guó)外的研究而言，我國(guó)在植物生長(zhǎng)信息獲取方面的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)的研究主要有唐延林等以作物葉片反射光譜顏色的變化判定它的營(yíng)養(yǎng)狀況，實(shí)施精確施肥，并根據(jù)作物冠層光譜反射特征所反映的冠層溫度、葉水勢(shì)來(lái)判斷作物現(xiàn)有水分狀況，實(shí)施精確灌溉；文新亞通過(guò)對(duì)麥田群體圖像色調(diào)(Hue)值的計(jì)算，以Hue值監(jiān)測(cè)麥田生育中后期的長(zhǎng)勢(shì)；趙杰文等利用水分子對(duì)960nm附近的紅外光有較強(qiáng)的吸收這一特性，采用圖像處理技術(shù)中紋理分析的灰度—梯度共生矩陣法對(duì)作物葉片的近紅外圖像求出各自的特征量，獲得蔬菜葉片的近紅外圖像的紋理特征值與其含水率之間的關(guān)系。
近紅外(NIR)光譜分析技術(shù)，是上世紀(jì)80年代后期迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)測(cè)試技術(shù)，近紅外光譜分析技術(shù)雖具有快速、簡(jiǎn)便、相對(duì)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，從國(guó)內(nèi)外的研究情況表明，不同物質(zhì)在近紅外區(qū)域有豐富的吸收光譜，每種成分都有特定的吸收特征，為近紅外光譜定量分析提供了基礎(chǔ)，廣泛的用于蛋白質(zhì)、脂肪、水分、氨基酸、淀粉、糖、酸等成分的含量分析。目前NIR光譜分析技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用方面主要集中在谷物品質(zhì)分析、部分果蔬內(nèi)部品質(zhì)的無(wú)損檢驗(yàn)以及農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)上。
植物葉片的水分含量、葉綠素含量和氮含量是與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)的重要指標(biāo)，目前，沒(méi)有近紅外光譜分析技術(shù)在植物生長(zhǎng)信息獲取方面的應(yīng)用，主要通過(guò)儀器或常規(guī)測(cè)定方法來(lái)獲取植物中的某一個(gè)指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于近紅外光譜的植物生長(zhǎng)信息獲取裝置，通過(guò)采集植物的葉片的近紅外光譜并通過(guò)光譜處理實(shí)現(xiàn)快速、在線獲取植物生長(zhǎng)信息(主要包括植物葉片的水分含量、葉綠素含量和氮含量)的裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是它包括近紅外發(fā)光二極管光源、上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂、密閉橡皮、下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂、光學(xué)透鏡、置物臺(tái)、光纖、光電傳感器、檢測(cè)臺(tái)、溫度傳感器、位置傳感器和檢測(cè)控制器。近紅外發(fā)光二極管光源固定檢測(cè)臺(tái)內(nèi)，檢測(cè)臺(tái)與上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂連接，密閉橡皮固定在檢測(cè)臺(tái)上；光學(xué)透鏡和光纖固定在置物臺(tái)中，光學(xué)透鏡的出射面與光纖的接受面相對(duì)，置物臺(tái)與下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂連接，上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂與下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂鉸接；光纖的出射端與光電傳感器的輸入端連接；光電傳感器固定在檢測(cè)控制器內(nèi)，光電傳感器的輸出端與放大器的輸入端連接。
所述的檢測(cè)控制器包括放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、顯示屏和定標(biāo)模型存貯器；放大器的輸入端與光電傳感器的輸出端連接，放大器的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出端與單片機(jī)的I/O口相連接，單片機(jī)還分別與顯示屏、定標(biāo)模型存貯器、經(jīng)另外兩個(gè)I/O口與溫度傳感器溫度信號(hào)和位置傳感器位置信號(hào)的輸出端連接，定標(biāo)模型存貯器內(nèi)固化有光譜預(yù)處理模塊和溫度校正模塊。
本發(fā)明具有的有益效果是直接對(duì)植物葉片表面進(jìn)行植物生長(zhǎng)信息測(cè)量，屬無(wú)損檢測(cè)方式；采用近紅外發(fā)光二極管光源，耗能少、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)；溫度傳感器獲得外界溫度，并通過(guò)帶有溫度校正的植物生長(zhǎng)信息定標(biāo)模型進(jìn)行校正，減少了外界溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響；采用專用檢測(cè)器和密閉橡皮，可形成檢測(cè)暗室，避免外界光源的干擾，提高檢測(cè)進(jìn)度和檢測(cè)速度。


圖1是基于近紅外光譜的植物生長(zhǎng)信息獲取裝置示意圖；圖2是檢測(cè)控制器的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明的建模過(guò)程流程圖。
圖中1、近紅外發(fā)光二極管光源；2、上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂；3、密閉橡皮；4、下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂；5、光學(xué)透鏡；6、置物臺(tái)；7、光纖；8、光電傳感器；9、檢測(cè)臺(tái)；10、溫度傳感器；11、位置傳感器；12、檢測(cè)控制器；13、放大器；14、模數(shù)轉(zhuǎn)換；15、單片機(jī)；16、顯示屏；17、定標(biāo)模型存貯器。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括近紅外發(fā)光二極管光源1、上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂2、密閉橡皮3、下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂4、光學(xué)透鏡5、置物臺(tái)6、光纖7、光電傳感器8、檢測(cè)臺(tái)9、溫度傳感器10、位置傳感器11、檢測(cè)控制器12。近紅外發(fā)光二極管光源1固定檢測(cè)臺(tái)9內(nèi)，檢測(cè)臺(tái)9與上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂2連接，密閉橡皮3固定在檢測(cè)臺(tái)9上；光學(xué)透鏡5和光纖7固定在置物臺(tái)6中，光學(xué)透鏡5的出射面與光纖7的接受面相對(duì)，置物臺(tái)6與下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂4連接，上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂2與下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂4鉸接；光纖7的出射端與光電傳感器8的輸入端連接；光電傳感器8固定在檢測(cè)控制器12內(nèi)，光電傳感器8的輸出端與放大器13的輸入端連接。
如圖2所示，所述的檢測(cè)控制器12包括放大器13、模/數(shù)轉(zhuǎn)換14、單片機(jī)15、顯示屏16和定標(biāo)模型存貯器17。放大器13的輸入端與光電傳感器8的輸出端連接，放大器13的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換14的輸入端連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換14的輸出端與單片機(jī)15的I/O口相連接，單片機(jī)15還分別與顯示屏16、定標(biāo)模型存貯器17、溫度傳感器10溫度信號(hào)和位置傳感器11位置信號(hào)的輸出端連接，定標(biāo)模型存貯器17內(nèi)固化有光譜預(yù)處理模塊和溫度校正模塊。
本發(fā)明的光電傳感器7可選擇硅檢測(cè)器、銦鎵砷檢測(cè)器或硫化鉛檢測(cè)器。溫度傳感器10采用兩編集成AD590(0～50℃)。放大器13可采用LM324、OPA11、OP27等型號(hào)的器件。模數(shù)轉(zhuǎn)換14可采用ADS7804、ADS7807、MAX1247、MAX525。單片機(jī)15可采用AT89S52、AT89S57、MCS8051等型號(hào)的器件。顯示屏16可采用HD61202、HD61203等LCD液晶顯示器。定標(biāo)模型存貯器17可采用DS1230、62256等RAM。
本發(fā)明裝置的檢測(cè)溫度范圍為15～40℃。
下面結(jié)合圖1、圖2和圖3介紹具體工作過(guò)程將該裝置移至植物旁，并選擇植物上要進(jìn)行檢測(cè)的葉片，使待檢測(cè)葉片位于置物臺(tái)6的上方，轉(zhuǎn)動(dòng)上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂2，使密閉橡皮3貼合待檢測(cè)葉片，使檢測(cè)區(qū)形成密閉的暗室，這時(shí)位置傳感器11檢測(cè)到信號(hào)，該信號(hào)向單片機(jī)15發(fā)出中斷信號(hào)，啟動(dòng)植物生長(zhǎng)信息檢測(cè)。
由近紅外發(fā)光二極管光源1發(fā)出的光照待測(cè)葉片上，并透過(guò)待測(cè)葉片，光學(xué)透鏡5收集透過(guò)待測(cè)葉片被檢測(cè)部位的透射光，并映射到光纖7上。
光纖7將光信號(hào)傳給光電傳感器8，光電傳感器8將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)被放大器13放大，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換14轉(zhuǎn)變成光譜數(shù)字信號(hào)，并輸入單片機(jī)15。
單片機(jī)15將光譜數(shù)字信號(hào)和溫度傳感器11獲得的外界溫度送入定標(biāo)模型存貯器17，由定標(biāo)模型存貯器17內(nèi)的帶有溫度校正的植物生長(zhǎng)信息定標(biāo)模型(建模過(guò)程見(jiàn)圖3)計(jì)算出待測(cè)樣品的植物生長(zhǎng)信息，并通過(guò)單片機(jī)15將結(jié)構(gòu)輸出到顯示屏16上顯示。
權(quán)利要求
1.一種基于近紅外光譜的植物生長(zhǎng)信息獲取裝置，其特征在于包括近紅外發(fā)光二極管光源(1)、上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂(2)、密閉橡皮(3)、下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂(4)、光學(xué)透鏡(5)、置物臺(tái)(6)、光纖(7)、光電傳感器(8)、檢測(cè)臺(tái)(9)、溫度傳感器(10)、位置傳感器(11)、檢測(cè)控制器(12)；近紅外發(fā)光二極管光源(1)固定檢測(cè)臺(tái)(9)內(nèi)，檢測(cè)臺(tái)(9)與上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂(2)連接，密閉橡皮(3)固定在檢測(cè)臺(tái)(9)上；光學(xué)透鏡(5)和光纖(7)固定在置物臺(tái)(6)中，光學(xué)透鏡(5)的出射面與光纖(7)的接受面相對(duì)，置物臺(tái)(6)與下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂(4)連接，上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂(2)與下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂(4)鉸接；光纖(7)的出射端與光電傳感器(8)的輸入端連接；光電傳感器(8)固定在檢測(cè)控制器(12)內(nèi)，光電傳感器(8)的輸出端與放大器(13)的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于近紅外光譜的植物生長(zhǎng)信息獲取裝置，其特征在于所述的檢測(cè)控制器(12)包括放大器(13)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換(14)、單片機(jī)(15)、顯示屏(16)和定標(biāo)模型存貯器(17)；放大器(13)的輸入端與光電傳感器(8)的輸出端連接，放大器(13)的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換(14)的輸入端連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換(14)的輸出端與單片機(jī)(15)的I/O口相連接，單片機(jī)(15)還分別與顯示屏(16)、定標(biāo)模型存貯器(17)、溫度傳感器(10)溫度信號(hào)和位置傳感器(11)位置信號(hào)的輸出端連接，定標(biāo)模型存貯器(17)內(nèi)固化有光譜預(yù)處理模塊和溫度校正模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于近紅外光譜的植物生長(zhǎng)信息獲取裝置。近紅外發(fā)光二極管光源固定檢測(cè)臺(tái)內(nèi)，檢測(cè)臺(tái)與上檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂連接，密閉橡皮固定在檢測(cè)臺(tái)上；光學(xué)透鏡和光纖固定在置物臺(tái)中，兩個(gè)接受面相對(duì)，置物臺(tái)與下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂連接，上、下檢測(cè)器轉(zhuǎn)臂鉸接；光纖的出射端與光電傳感器的輸入端連接；光電傳感器固定在檢測(cè)控制器內(nèi)，光電傳感器的輸出端與放大器的輸入端連接。它直接對(duì)植物葉片表面進(jìn)行植物生長(zhǎng)信息測(cè)量，并通過(guò)帶有溫度校正的植物生長(zhǎng)信息定標(biāo)模型進(jìn)行校正，減少了外界溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響；采用檢測(cè)器和密閉橡皮，形成檢測(cè)暗室，避免外界光源的干擾，提高檢測(cè)進(jìn)度和檢測(cè)速度，適合現(xiàn)場(chǎng)植物生長(zhǎng)信息采集。
文檔編號(hào)G01N21/35GK1789980SQ20051006210
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者蔣煥煜, 應(yīng)義斌 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)