專利名稱：一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種田間作物生長信息的檢測裝置及檢測方法，涉及精準農(nóng)業(yè)中的作物精確診斷，重點針對田間作物信息快速獲取，屬于作物生長指標信息智能檢測領域。
背景技術：
作物生長信息監(jiān)測是作物精確診斷與管理調(diào)控的依據(jù)，對作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)起著決定性的作用。長期以來，作物生長信息(如氮含量、氮積累量、葉面積指數(shù)、葉干重)的檢測都是以實驗室常規(guī)測試為主，主要有形態(tài)診斷法、葉色卡片法、化學診斷法、月巴料窗口診斷法和酶學診斷法等，其缺陷是對作物產(chǎn)生破壞、影響作物生長，而且在取樣、測定、數(shù)據(jù)分析等方面需要耗費大量的人力、物力，時效性差，不能實時指導作物精確管理。

作物體內(nèi)大多數(shù)生理生化變化會引起某些特定波段反射光譜的變化?；谶@一原理，可以利用作物生長信息的光譜特征波長和植被指數(shù)來反演作物的生長狀態(tài)。傳統(tǒng)的方法是利用作物單個葉片在某些特定波長處的光譜反射率及其組合信息對作物的生長指標進行檢測，這種方法獲得的作物葉片信息無法充分表征整個植株的生理狀態(tài)，帶有較大的不確定性，以此推知作物群體生長水平不完整且不精確。此外田間作物光譜信息采集一般采用點源采樣方式，其采樣點信息的多元性、層次性和微弱性，使得作物生長信息的識別與提取變得極其困難。目前，基于冠層反射光譜的作物氮素監(jiān)測系統(tǒng)在實際使用時，整機功能、量化指標和可靠性均不高。多光譜作物生長傳感器僅為理論研究，未有詳細的實施方案，且無法解決裝置的簡便性和操作的可靠性問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對背景技術中存在的不足，提供一種實時性好、準確率高且可靠性強的田間作物生長信息檢測儀，能夠?qū)崿F(xiàn)在田間條件下低成本、便攜式測量作物的氮含量、氮累積量、葉面積指數(shù)和葉干重等生長信息。本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案
一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置，包括多光譜作物生長傳感器、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、濾波電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片微型處理器、控制鍵盤、數(shù)字溫度傳感器、液晶屏、電源電路、指示電路；其中
所述多光譜作物生長傳感器依次串接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、濾波電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片微型處理器；
所述控制鍵盤、數(shù)字溫度傳感器分別連接單片微型處理器；
所述單片微型處理器與液晶屏連接；
所述電源電路與指示電路相連且向整個裝置供電。進一步的，本發(fā)明的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，多光譜作物生長傳感器包括上行光作物生長傳感器、下行光作物生長傳感器、固定支架、活動支撐桿、五芯屏蔽傳輸導線；其中
上行光作物生長傳感器和下行光作物生長傳感器均包括多孔傳感器固件、光電探測器陣列、光譜濾光片、清潔玻璃、濾波圈；其中，上行光作物生長傳感器中的濾波圈表面設有余弦校正器，下行光作物生長傳感器中的濾波圈表面設有保護玻璃；
所述光電探測器陣列、光譜濾光片、清潔玻璃依次間隔排列于多孔傳感器固件中且被密封；濾波圈通過緊固螺絲連接在多孔傳感器固件上；
所述五芯屏蔽傳輸導線的一端分別連接上行光作物生長傳感器、下行光作物生長傳感器的光電探測器陣列，所述五芯屏蔽傳輸導線的另一端連接所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。

進一步的，本發(fā)明的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，所述多孔傳感器固件結(jié)構由作物冠層葉面積密度分布特征以及反射式光電檢測系統(tǒng)靈敏度確定，其視場角為25。-30。，孔深為26臟，孔徑為12. 8mm。進一步的，本發(fā)明的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，所述光電探測器陣列是由四個光電二極管間隔排列而成。進一步的，本發(fā)明的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，所述光譜濾光片的中心波段為560nm，710nm，720nm，810nm，中心波長透過率為65%_70%，帶寬為9nm_10nm，截止率小于O. 00001%。一種基于田間作物生長信息無損快速檢測裝置的田間作物生長信息無損快速檢測方法，采用如下步驟
步驟1)，將上行光作物生長傳感器與水平位置成90°連接于固定支架上表面；下行光作物生長傳感器與水平位置成90°固定連接于固定支架下表面；固定支架通過緊固螺絲固定在活動支撐桿的頂部；調(diào)節(jié)活動支撐桿，設置下行光作物生長傳感器與水平位置成90°，且距離作物冠層高度O. 7m I. Im,以獲取適當?shù)姆直嬉晥觯?br> 步驟2)，將多光譜作物生長傳感器輸出的信號送入電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，靈敏度調(diào)節(jié)電路根據(jù)太陽光光強大小，自動適配轉(zhuǎn)換電阻，將光電流信號轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓信號；運用濾波電路從頻域中分離出特征光譜信息；將分離出的特征光譜信息通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片微型處理器可以執(zhí)行的標準數(shù)字信號；
步驟3)，單片微型處理器實時采集作物冠層光譜信息且對采集到的信息進行處理，并將結(jié)果實時顯示在顯示液晶屏上。進一步的，一種田間作物生長信息無損快速檢測方法，步驟3)所述單片微型處理器利用多次插值查找表算法處理采集數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比具有以下技術效果
本發(fā)明的田間作物生長信息無損快速檢測裝置中的多光譜作物生長傳感器采用集成化密封式多孔固件結(jié)構，結(jié)構緊湊，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，而且提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。采用濾波圈實現(xiàn)空間濾波，提高了系統(tǒng)的信噪比。本發(fā)明動態(tài)性能好，抗干擾能力強，測量精度高，能實現(xiàn)田間作物生長信息在線測量。


圖I為本發(fā)明電路模塊連接示意圖。圖2為多光譜作物生長傳感器結(jié)構圖。
圖3為上行光、下行光作物生長傳感器的剖面結(jié)構圖。圖4為上行光作物生長傳感器的結(jié)構圖。圖5為下行光作物生長傳感器的結(jié)構圖。圖中標號I一上行光作物生長傳感器，2—下行光作物生長傳感器，3—固定支架，4一活動支撐桿，5—多孔傳感器固件，6—光電探測器陣列，7—光譜濾光片，8—清潔玻璃，9 一濾波圈，10—余弦校正器，11 一保護玻璃。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步詳細說明
如圖I所示的檢測裝置，多光譜作物生長傳感器的輸出連接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出依次串接靈敏度調(diào)節(jié)電路、濾波電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片 微型處理器；數(shù)字溫度傳感器連接單片微型處理器；單片微型處理器連接控制鍵盤、顯示液晶屏；電源電路分別連接指示電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、單片微型處理器、控制鍵盤、顯示液晶屏和各所述的各個電路并為各個電路提供電源。電源電路采用鋰電池供電，采用穩(wěn)壓電路得到系統(tǒng)穩(wěn)定的電源電壓等級DC5V。參照圖2，多光譜作物生長傳感器的結(jié)構包括上行光作物生長傳感器I、下行光作物生長傳感器2、固定支架3、活動支撐桿4。上行光作物生長傳感器I與水平位置成90°連接于固定支架3上表面；下行光作物生長傳感器2與水平位置成90°固定連接于固定支架3下表面；固定支架3通過緊固螺絲固定在活動支撐桿4的頂部。調(diào)節(jié)活動支撐桿4，設置下行光作物生長傳感器與水平位置成90°，且距離作物冠層高度Im I. 3m,以獲取適當?shù)姆直嬉晥?。參照圖3、圖4和圖5，上行光作物生長傳感器I包括多孔傳感器固件5、光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8、濾波圈9和余弦校正器10 ;光電探測器陣列6是由四個光電二極管間隔排列而成；光譜濾光片7選用中心波段560nm，710nm，720nm 810nm四種；光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8依次間隔排列于多孔傳感器固件5中且被密封；濾波圈9通過緊固螺絲連接在多孔傳感器固件5表面；余弦校正器10敷貼于濾波圈表面；
下行光光傳感器2包括多孔傳感器固件5、光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8、濾波圈9和保護玻璃11 ;光電探測器陣列6是由四個光電二極管間隔排列而成；光譜濾光片7選用中心波段560nm，710nm, 720nm,810nm四種；光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8依次間隔排列于三孔傳感器固件5中且被密封；濾波圈9通過緊固螺絲連接在多孔傳感器固件5表面；保護玻璃11敷貼于濾波圈表面；五芯屏蔽傳輸導線的一端連接光電探測器，另一端連接所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。單片微型處理器選用的是STC89C516單片機，通過數(shù)據(jù)口采集多光譜信息和測試環(huán)境溫度信息?？刂奇I盤由“復位”、“測量”、“監(jiān)測”、“診斷”四個鍵組成，其中“測量”按鍵用來實時采集作物冠層光譜信息且對采集到的信息進行處理，并將結(jié)果實時顯示在顯示液晶屏上；“監(jiān)測”按鍵用來中斷當前實時測量，捕捉當前值；“診斷”按鍵用來耦合作物生長模型，反演作物氮含量、氮積累量、葉面積指數(shù)和葉干重等生長信息，并將結(jié)果顯示在顯示液晶屏上，用于評價作物生長狀況；“復位”按鍵用來恢復至初始化狀態(tài)，并在液晶屏上顯示初始化信息及當前測試環(huán)境溫度。在監(jiān)測田間作物生長信息過程中，將多光譜作物生長傳感器I安裝于活動支撐桿4頂部的固定支架3上，調(diào)節(jié)活動支撐桿4使下行光光譜傳感器與水平位置成90°，且距離作物冠層高度O. 7m I. Im,以獲取一定分辨視場中的光譜信息，經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、濾波電路處理，提取出作物冠層反射特征光譜信息。單片微型處理器提供了三種工作模式“復位”、“測量”、“監(jiān)測”與“診斷”，由控制鍵盤選擇切換。在“測量”模式下，單片微型處理器實時采集作物冠層光譜信息且對采集到的信息進行處理，并將結(jié)果實時顯示在顯示液晶屏上；在“監(jiān)測”模式下，單片微型處理器中斷當前實時測量，捕捉當前值；在“診斷”模式下，系統(tǒng)耦合作物生長模型，反演作物氮含量、氮積累量、葉面積指數(shù)和葉干重等生長信息，并將結(jié)果顯示在顯示液晶屏上，用于評價作物生長狀況；在“復位”模式下，系統(tǒng)恢復至初始化狀態(tài)，并在液晶屏上顯示初始化信息及當前測試環(huán)境溫度。 作物生長信息無損檢測方法具體包括以下步驟
I、設置上行光作物生長傳感器I與水平位置成90°連接于固定支架3上表面；設置下行光作物生長傳感器與水平位置成90°固定連接于固定支架3下表面；固定支架3通過緊固螺絲固定在活動支撐桿4的頂部。調(diào)節(jié)活動支撐桿4使下行光作物生長傳感器距離作物冠層高度O. 7m I. Im,以獲取適當?shù)姆直嬉晥?。由于多光譜作物生長傳感器結(jié)構的特殊性，不僅確保了檢測系統(tǒng)較高的分辨率，而且增強了傳感器的信號強度。2、下行光光譜傳感器2結(jié)構的具體設計方法如下
O反射式光電檢測系統(tǒng)傳輸光路可知光電探測器6 口徑、視場角與視場面積之間的關系如下
^v = Tk(I)
H1
β = ^ (2)
其中為光電探測器6所接受到的總能量，典為探測器6的有效幾何面積$力視場角^力下行光作物生長傳感器2視場面積，H為探測器6到冠層的垂直距離。光電探測器6接收到的總能量互正比于。對于選定的光電探測器6，其有效幾何面積一定，設計較大的視場角#會獲得較強的光譜信息，有利于信號的獲取與處理；但是田間作物生長姿態(tài)具有很強的隨機性，冠層葉面積密度分布并非均勻，較大的檢測視場面積必然會忽略對象的差異性，獲取的信息不完整且不精確，帶有較大的不確定性。為了確保探測的靈敏度與分辨效果，綜合兩者性能，設計下行光作物生長傳感器2視場角為25° 30°，當距作物冠層高O. 7^1. lm，視場范圍是直徑為高度一半左右的圓形區(qū)域；由此可得多孔固件5孔深26mm,孔徑12. 8_。2)將光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8依次間隔排列于多孔傳感器固件5中且被密封；結(jié)構緊湊，系統(tǒng)可靠性高，實現(xiàn)了下行光作物生長傳感器的小型化。3)采用空間濾波的方法減小田間大氣散射光對光電探測陣列6的干擾，提高檢測系統(tǒng)信噪比；設計濾波圈9尺寸為直徑48mm，厚度IOmm ;通過緊固螺絲將其連接在多孔傳感器固件5表面。3、上行光作物生長傳感器I結(jié)構的具體設計方法如下為了消除傳感器結(jié)構、材質(zhì)對光信號傳輸?shù)挠绊懀闲泄庾魑锷L傳感器I的結(jié)構參數(shù)設計、元器件匹配與下行光作物生長傳感器2大致相同。不同之處在于上行光作物生長傳感器I采集的是太陽光入射特征光譜，為了減小太陽角度變化對檢測系統(tǒng)的影響，利用余弦校正器10進行光譜糾正，并將其敷貼于濾波圈9表面。4、將多光譜作物生長傳感器輸出的信號送入電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，靈敏度調(diào)節(jié)電路根據(jù)太陽光光強大小，自動適配轉(zhuǎn)換電阻，將光電流信號轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓信號；運用低通濾波電路從頻域中分離出特征光譜信息；將分離出的特征光譜信息通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片微型處理器可以執(zhí)行的標準數(shù)字信號。5、在“測量”模式下，單片微型處理器實時采集作物冠層光譜信息，利用多次插值查找表算法處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果實時顯示在顯示液晶屏上；在“監(jiān)測”模式時，單片微型處理器中斷當前實時測量，捕捉當前值；在“診斷”模式時，系統(tǒng)耦合作物生長模型，反演作物氮含量、氮積累量、葉面積指數(shù)和葉干重等生長信息，并將結(jié)果顯示在顯示液晶屏上，用于評價作物生長狀況。
權利要求
1.一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置，其特征在于包括多光譜作物生長傳感器、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、濾波電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片微型處理器、控制鍵盤、數(shù)字溫度傳感器、液晶屏、電源電路、指示電路；其中 所述多光譜作物生長傳感器依次串接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、濾波電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片微型處理器； 所述控制鍵盤、數(shù)字溫度傳感器分別連接單片微型處理器； 所述單片微型處理器與液晶屏連接； 所述電源電路與指示電路相連且向整個裝置供電。
2.如權利要求I所述的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，其特征在于多光譜作物生長傳感器包括上行光作物生長傳感器、下行光作物生長傳感器、固定支架、活動支撐桿、五芯屏蔽傳輸導線；其中 上行光作物生長傳感器和下行光作物生長傳感器均包括多孔傳感器固件、光電探測器陣列、光譜濾光片、清潔玻璃、濾波圈；其中，上行光作物生長傳感器中的濾波圈表面設有余弦校正器，下行光作物生長傳感器中的濾波圈表面設有保護玻璃； 所述光電探測器陣列、光譜濾光片、清潔玻璃依次間隔排列于多孔傳感器固件中且被密封；濾波圈通過緊固螺絲連接在多孔傳感器固件上； 所述五芯屏蔽傳輸導線的一端分別連接上行光作物生長傳感器、下行光作物生長傳感器的光電探測器陣列，所述五芯屏蔽傳輸導線的另一端連接所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。
3.如權利要求2所述的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，其特征在于所述多孔傳感器固件結(jié)構由作物冠層葉面積密度分布特征以及反射式光電檢測系統(tǒng)靈敏度確定，其視場角為25°-30°，孔深為26臟，孔徑為12. 8mm。
4.如權利要求2所述的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，其特征在于所述光電探測器陣列是由四個光電二極管間隔排列而成。
5.如權利要求2所述的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，其特征在于所述光譜濾光片的中心波段為560nm，710nm，720nm，810nm，中心波長透過率為65%_70%，帶寬為9nm_10nm,截止率小于 O. 00001%。
6.一種基于權利要求1-5任一所述的田間作物生長信息無損快速檢測裝置的田間作物生長信息無損快速檢測方法，其特征在于采用如下步驟 步驟I )，將上行光作物生長傳感器與水平位置成90°連接于固定支架上表面；下行光作物生長傳感器與水平位置成90°固定連接于固定支架下表面；固定支架通過緊固螺絲固定在活動支撐桿的頂部；調(diào)節(jié)活動支撐桿，設置下行光作物生長傳感器與水平位置成90°，且距離作物冠層高度O. 7m I. Im,以獲取適當?shù)姆直嬉晥觯? 步驟2)，將多光譜作物生長傳感器輸出的信號送入電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，靈敏度調(diào)節(jié)電路根據(jù)太陽光光強大小，自動適配轉(zhuǎn)換電阻，將光電流信號轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓信號；運用濾波電路從頻域中分離出特征光譜信息；將分離出的特征光譜信息通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片微型處理器可以執(zhí)行的標準數(shù)字信號； 步驟3)，單片微型處理器實時采集作物冠層光譜信息且對采集到的信息進行處理，并將結(jié)果實時顯示在顯示液晶屏上。
7.如權利要求6所述一種田間作物生長信息無損快速檢測方法，其特征在于步驟3)所述單片微 型處理器利用多次插值查找表算法處理采集數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置，該檢測裝置包括多光譜作物生長傳感器、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、濾波電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片微型處理器、控制鍵盤、數(shù)字溫度傳感器、液晶屏、電源電路、指示電路；其中所述多光譜作物生長傳感器依次串接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、濾波電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片微型處理器；所述控制鍵盤、數(shù)字溫度傳感器分別連接單片微型處理器；所述單片微型處理器與液晶屏連接；所述電源電路與指示電路相連且向整個裝置供電。本發(fā)明還公開了一種基于該檢測裝置的檢測方法；本發(fā)明結(jié)構緊湊，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，而且提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號G01N21/27GK102768186SQ20121021413
公開日2012年11月7日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權日2012年6月27日
發(fā)明者倪軍, 姚霞, 徐志剛, 曹衛(wèi)星, 朱艷, 田永超 申請人:南京農(nóng)業(yè)大學