專利名稱：基于近紅外光譜的植物生長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、在線的植物生長獲取的裝置。
背景技術(shù)：
在國家工廠化農(nóng)業(yè)項目的推動下，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展很快。目前，我國的設(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)達國家相比，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)的核心是對設(shè)施內(nèi)栽培環(huán)境能有效地控制，進行機械化與自動化生產(chǎn)，營造適于作物生長的最佳環(huán)境條件，計算機智能化調(diào)控裝置采用不同功能的傳感器探測頭，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)速以及作物生長狀況等參數(shù)，通過數(shù)字電路轉(zhuǎn)換后傳回計算機，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和智能化處理后顯示出來，根據(jù)作物生長所需最佳條件，由計算機智能系統(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)活動科學(xué)、有序、規(guī)范、持續(xù)地進行。
目前，國外的溫室生產(chǎn)智能化操作是以作物生長模擬模型作為其核心支持技術(shù)之一，利用計算機手段，對作物的各種生長過程進行綜合的數(shù)值模擬，用數(shù)學(xué)的概念表達作物的生長過程。而快速、有效獲取和描述作物生長是建立、驗證和運行生長模擬模型的重要基礎(chǔ)。完善的生長模擬模型可根據(jù)作物自身狀態(tài)信息給出作物長勢診斷，為決策管理提供依據(jù)。因此，設(shè)施農(nóng)業(yè)植物生長信息獲取作物生長模擬模型的研究具有較強的應(yīng)用價值，通過獲取設(shè)施內(nèi)植物生長信息，建立作物生長狀況的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，就可以實現(xiàn)對作物生長情況的實時或定時自動監(jiān)測，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化水平。
目前國外進行作物生長信息獲取的主要研究有Seginer等人在圖像分析監(jiān)測植物葉片生長狀況的研究中發(fā)現(xiàn)，完全長成型的西紅柿葉子的運動與缺水情況及吸收率幾乎成線性相關(guān)，葉尖的運動狀態(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)，并利用計算機視覺技術(shù)監(jiān)測植株葉子生長，把監(jiān)測結(jié)果作為灌溉系統(tǒng)的控制信號；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)測葉片含水率；Ahmad等通過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行圖像分析，并建立一套系統(tǒng)以評價作物的含氮量，從而獲得作物的生長情況；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)獲得作物在生長中的水需求情況。
從目前的國外研究報道來看，對作物生長信息的獲取技術(shù)研究是機器視覺技術(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，并逐步實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的智能化管理。
相對于國外的研究而言，我國在植物生長信息獲取方面的研究起步較晚，國內(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養(yǎng)狀況，實施精確施肥，并根據(jù)作物冠層光譜反射特征所反映的冠層溫度、葉水勢來判斷作物現(xiàn)有水分狀況，實施精確灌溉；文新亞通過對麥田群體圖像色調(diào)(Hue)值的計算，以Hue值監(jiān)測麥田生育中后期的長勢；趙杰文等利用水分子對960nm附近的紅外光有較強的吸收這一特性，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)展起來的一項測試技術(shù)，近紅外光譜分析技術(shù)雖具有快速、簡便、相對準(zhǔn)確等優(yōu)點，從國內(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)的無損檢驗以及農(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密切相關(guān)的重要指標(biāo)，目前，沒有近紅外光譜分析技術(shù)在植物生長信息獲取方面的應(yīng)用，主要通過儀器或常規(guī)測定方法來獲取植物中的某一個指標(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信息獲取裝置，通過采集植物的葉片的近紅外光譜并通過光譜處理實現(xiàn)快速、在線獲取植物生長信息(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、上檢測器轉(zhuǎn)臂、密閉橡皮、下檢測器轉(zhuǎn)臂、光學(xué)透鏡、置物臺、光纖、光電傳感器、檢測臺、溫度傳感器、位置傳感器和檢測控制器。近紅外發(fā)光二極管光源固定檢測臺內(nèi)，檢測臺與上檢測器轉(zhuǎn)臂連接，密閉橡皮固定在檢測臺上；光學(xué)透鏡和光纖固定在置物臺中，光學(xué)透鏡的出射面與光纖的接受面相對，置物臺與下檢測器轉(zhuǎn)臂連接，上檢測器轉(zhuǎn)臂與下檢測器轉(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。
所述的檢測控制器包括放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機、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的I/O口相連接，單片機還分別與顯示屏、定標(biāo)模型存貯器、經(jīng)另外兩個I/O口與溫度傳感器溫度信號和位置傳感器位置信號的輸出端連接，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植物葉片表面進行植物生長信息測量，屬無損檢測方式；采用近紅外發(fā)光二極管光源，耗能少、適用性強、穩(wěn)定性強；溫度傳感器獲得外界溫度，并通過帶有溫度校正的植物生長信息定標(biāo)模型進行校正，減少了外界溫度對檢測結(jié)果的影響；采用專用檢測器和密閉橡皮，可形成檢測暗室，避免外界光源的干擾，提高檢測進度和檢測速度。
圖1是基于近紅外光譜的植物生長信息獲取裝置示意圖；圖2是檢測控制器的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明的建模過程流程圖。
圖中1、近紅外發(fā)光二極管光源；2、上檢測器轉(zhuǎn)臂；3、密閉橡皮；4、下檢測器轉(zhuǎn)臂；5、光學(xué)透鏡；6、置物臺；7、光纖；8、光電傳感器；9、檢測臺；10、溫度傳感器；11、位置傳感器；12、檢測控制器；13、放大器；14、模數(shù)轉(zhuǎn)換；15、單片機；16、顯示屏；17、定標(biāo)模型存貯器。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括近紅外發(fā)光二極管光源1、上檢測器轉(zhuǎn)臂2、密閉橡皮3、下檢測器轉(zhuǎn)臂4、光學(xué)透鏡5、置物臺6、光纖7、光電傳感器8、檢測臺9、溫度傳感器10、位置傳感器11、檢測控制器12。近紅外發(fā)光二極管光源1固定檢測臺9內(nèi)，檢測臺9與上檢測器轉(zhuǎn)臂2連接，密閉橡皮3固定在檢測臺9上；光學(xué)透鏡5和光纖7固定在置物臺6中，光學(xué)透鏡5的出射面與光纖7的接受面相對，置物臺6與下檢測器轉(zhuǎn)臂4連接，上檢測器轉(zhuǎn)臂2與下檢測器轉(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，所述的檢測控制器12包括放大器13、模/數(shù)轉(zhuǎn)換14、單片機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15的I/O口相連接，單片機15還分別與顯示屏16、定標(biāo)模型存貯器17、溫度傳感器10溫度信號和位置傳感器11位置信號的輸出端連接，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可選擇硅檢測器、銦鎵砷檢測器或硫化鉛檢測器。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等型號的器件。模數(shù)轉(zhuǎn)換14可采用ADS7804、ADS7807、MAX1247、MAX525。單片機15可采用AT89S52、AT89S57、MCS8051等型號的器件。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介紹具體工作過程將該裝置移至植物旁，并選擇植物上要進行檢測的葉片，使待檢測葉片位于置物臺6的上方，轉(zhuǎn)動上檢測器轉(zhuǎn)臂2，使密閉橡皮3貼合待檢測葉片，使檢測區(qū)形成密閉的暗室，這時位置傳感器11檢測到信號，該信號向單片機15發(fā)出中斷信號，啟動植物生長信息檢測。
由近紅外發(fā)光二極管光源1發(fā)出的光照待測葉片上，并透過待測葉片，光學(xué)透鏡5收集透過待測葉片被檢測部位的透射光，并映射到光纖7上。
光纖7將光信號傳給光電傳感器8，光電傳感器8將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，電信號被放大器13放大，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換14轉(zhuǎn)變成光譜數(shù)字信號，并輸入單片機15。
單片機15將光譜數(shù)字信號和溫度傳感器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信息定標(biāo)模型(建模過程見圖3)計算出待測樣品的植物生長信息，并通過單片機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)、上檢測器轉(zhuǎn)臂(2)、密閉橡皮(3)、下檢測器轉(zhuǎn)臂(4)、光學(xué)透鏡(5)、置物臺(6)、光纖(7)、光電傳感器(8)、檢測臺(9)、溫度傳感器(10)、位置傳感器(11)、檢測控制器(12)；近紅外發(fā)光二極管光源(1)固定檢測臺(9)內(nèi)，檢測臺(9)與上檢測器轉(zhuǎn)臂(2)連接，密閉橡皮(3)固定在檢測臺(9)上；光學(xué)透鏡(5)和光纖(7)固定在置物臺(6)中，光學(xué)透鏡(5)的出射面與光纖(7)的接受面相對，置物臺(6)與下檢測器轉(zhuǎn)臂(4)連接，上檢測器轉(zhuǎn)臂(2)與下檢測器轉(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信息獲取裝置，其特征在于所述的檢測控制器(12)包括放大器(13)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換(14)、單片機(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(15)的I/O口相連接，單片機(15)還分別與顯示屏(16)、定標(biāo)模型存貯器(17)、溫度傳感器(10)溫度信號和位置傳感器(11)位置信號的輸出端連接，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)明公開了一種基于近紅外光譜的植物生長信息獲取裝置。近紅外發(fā)光二極管光源固定檢測臺內(nèi)，檢測臺與上檢測器轉(zhuǎn)臂連接，密閉橡皮固定在檢測臺上；光學(xué)透鏡和光纖固定在置物臺中，兩個接受面相對，置物臺與下檢測器轉(zhuǎn)臂連接，上、下檢測器轉(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。它直接對植物葉片表面進行植物生長信息測量，并通過帶有溫度校正的植物生長信息定標(biāo)模型進行校正，減少了外界溫度對檢測結(jié)果的影響；采用檢測器和密閉橡皮，形成檢測暗室，避免外界光源的干擾，提高檢測進度和檢測速度，適合現(xiàn)場植物生長信息采集。
文檔編號G01N21/35GK1789980SQ20051006210
公開日2006年6月21日 申請日期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 申請人:浙江大學(xué)