專利名稱：基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作物生長狀況監(jiān)測系統(tǒng)，具體的說是一種用于大棚作物生長狀況自動 監(jiān)測的近紅外光譜系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
精細農(nóng)業(yè)除了要求能精確掌握氣候和土壤信息外，需要對農(nóng)作物生長進行實時全 方位的監(jiān)控，使之能通過肥料、施藥等栽培管理手段，進行高效的農(nóng)業(yè)經(jīng)營與管理，并減少 由農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的污染，進而達到提高生產(chǎn)利潤、保護生態(tài)環(huán)境的目標，使農(nóng)業(yè)得以持續(xù)、健 康的發(fā)展。為此，需要對農(nóng)作物長勢(生長狀況)進行實時監(jiān)測，并分析產(chǎn)生不良狀況的原 因，以便采取相應的措施。作物長勢是指作物生長發(fā)育過程中的形態(tài)相，其強弱一般通過觀 測植株的葉面積、葉色、葉傾角、株高和莖粗等形態(tài)變化進行衡量。在不同的時段或不同的 光、溫度、水份、CO2和土壤的生長條件下，作物的長勢差別顯著。作物的長勢監(jiān)測技術(shù)涉及土壤和雜草背景識別、葉面積和株高測量、葉片的形態(tài) 識別、作物營養(yǎng)信息分析四個方面，而目前對大棚作物長勢情況實時監(jiān)測技術(shù)主要包括機 器視覺和光譜技術(shù)。機器視覺技術(shù)是利用圖像傳感器獲取物體圖像后，將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字 圖像，利用計算機模擬人的判別準則進行處理，并且加以理解，達到分析圖像和提取被監(jiān)測 物體特征的目的，最終用于實際監(jiān)測和控制。作物在營養(yǎng)狀況發(fā)生改變時，植株的高度、直 立度以及葉片的顏色、紋理會有一定的變化。這些變化所體現(xiàn)出的信息可以通過攝像機采 集，并用計算機進行處理，與正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進行匹配，從而給出監(jiān)測結(jié)果。然而，目前 的機器視覺技術(shù)在背景識別研究上并沒有取得很大的進展，大部分停留在人為環(huán)境下的實 驗，在實際作物復雜背景下，此項技術(shù)還不能滿足實際生產(chǎn)的要求。光譜分析技術(shù)在作物生長信息獲取上的應用越來越多，主要采用近紅外光譜和高 光譜技術(shù)等。高光譜技術(shù)已開始用于大田的植被葉綠素含量評價，除了光譜儀自身信噪比 不理想外，植被自身物理參數(shù)的確定也存在許多困難；另外，所建立的評價模型受植被類 型、農(nóng)作物品種、生育階段、生長條件以及測量環(huán)境等諸多因素的影響，只能適用于特殊的 場合。此外，高光譜檢測儀器大都從國外引進，價格昂貴。目前，國內(nèi)多家單位已在研制作 物長勢光譜信息監(jiān)測儀樣機，但這些監(jiān)測儀或者功能單一，只能監(jiān)測單一作物的一種營養(yǎng) 狀況(如水稻的氮營養(yǎng))，或者是便攜式儀器，需要人工在現(xiàn)場操作，無法方便地對作物進 行實時全方位的監(jiān)測。為適應精細農(nóng)業(yè)的實際需求，研制出我國自己的價廉物美、簡單實用、可以應用于 小規(guī)模種植作物的實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)對作物葉面積指數(shù)、水分、葉綠素密度等參數(shù) 的全方位監(jiān)測，將具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本、簡單實用的基于反射光譜自動進行無損監(jiān)測大 棚農(nóng)作物生長狀況的系統(tǒng)，通過獲取作物冠層反射光譜和圖片信息，了解作物生長狀況和為作物管理提供依據(jù)。本發(fā)明的基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動監(jiān)測系統(tǒng)，X、Y、Z方向安裝的第 一絲桿、第二絲桿和第三絲桿，第一絲桿設置在軌道槽中，第一絲桿的一端與第一步進電機 的轉(zhuǎn)軸相連，在第一絲桿上套有帶螺紋孔的第一滑塊，第一滑塊與設備箱底部固定，在設備 箱的上表面固定第二步進電機，第二步進電機的轉(zhuǎn)軸與豎立的第二絲桿的一端相連，第二 絲桿另一端的支撐架上安裝照明燈，第二絲桿上套有帶螺紋孔的第二滑塊，在第二滑塊上 固定第三步進電機，第三步進電機的轉(zhuǎn)軸與水平的第三絲桿的一端相連，在第三絲桿另一 端的支撐架上安裝攝像頭，第三絲桿上套有帶螺紋孔的第三滑塊，在第三滑塊上固定反射 探頭，上述設備箱內(nèi)設有電源、近紅外光源、光譜儀、工控機和繼電器，反射探頭通過光纖接 口與光譜儀的輸入端以及近紅外光源相連，工控機的一個信號端與光譜儀的輸出端以及近 紅外光源相連，工控機的另一個信號端經(jīng)通訊口與遠程計算機相連，工控機的一個輸出端 與繼電器的輸入端連接，繼電器的輸出端與攝像頭和照明燈連接，工控機的另一個輸出端 經(jīng)步進電機驅(qū)動器分別與第一、第二和第三步進電機相連。在遠程計算機里設定好本自動監(jiān)測系統(tǒng)在水平平面坐標χ，y上的檢測路線以及 移動步長，保證監(jiān)測點能覆蓋作物冠層的整個平面。攝像頭照射在目標檢測點區(qū)域，遠程計 算機向工控機發(fā)送控制第一和第三步進電機的運行信號，使反射探頭移到設定路線的檢測 位置，攝像頭從大棚現(xiàn)場向遠程計算機傳回圖像信息并在計算機上顯示，遠程計算機從這 些圖像中提取對應坐標的信息，確定該坐標下的目標檢測物為作物而不是土壤，然后向工 控機發(fā)送控制第二步進電機的運行轉(zhuǎn)動信號，推動水平橫桿向下移動，使反射探頭到達合 適的檢測位置。接著，遠程控制計算機發(fā)送信號通過繼電器關(guān)閉照明燈，近紅外光源發(fā)射出 包含可見光(400 700nm)和近紅外(700 IOOOnm)出射光，經(jīng)過光纖由反射探頭照射到 目標檢測物，檢測物的反射光由反射探頭接收并經(jīng)光纖傳輸送入光譜儀，光譜儀對光信號 進行分光、轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柾ㄟ^工控機發(fā)送到遠程計算機，計算機對獲取的光譜數(shù)據(jù)進行顯 示、保存并在分析系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)預處理和定性/定量分析。三個步進電機保證了監(jiān)測 系統(tǒng)可以在三維空間中對作物區(qū)進行任意點檢測。本發(fā)明的優(yōu)點在于操作簡單，測量直接在作物葉片表面完成，通過獲取作物冠層 反射光譜和圖片信息，了解作物生長狀況的多種指標(葉面積指數(shù)、水分含量和葉綠素密 度)，實現(xiàn)了快速無損監(jiān)測作物生長的目的；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，使得其可以在國內(nèi) 大棚的作物生長狀況監(jiān)測中大量推廣；系統(tǒng)自動化水平高，采用攝像頭就能識別背景差異 很大的土壤和作物，然后結(jié)合反射光譜識別確定目標檢測物和合適的反射探頭檢測高度， 克服了單純采用機器視覺或光譜方法監(jiān)測作物生長狀況的局限性，提高了監(jiān)測的準確性與 可靠性。


圖1是本發(fā)明構(gòu)成示意圖；圖2是第一步進電機連接示意圖；圖中1-軌道，2-攝像頭，3-照明燈，4-第一步進電機，5-第二步進電機，6-第 三步進電機，7設備箱，8-遠程計算機，9-反射探頭，10-第一絲桿，11-第二絲桿，12-第三 絲桿，13-第一滑塊，14-第二滑塊，15-第三滑塊，70-電源，71-近紅外光源，72-光譜儀，73-工控機，74-繼電器，75-光纖接口，76-通訊口，77-步進電機驅(qū)動器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。參照圖1、圖2，本發(fā)明的基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括 X、Y、Z方向安裝的第一絲桿10、第二絲桿11和第三絲桿12，第一絲桿10設置在軌道1槽 中，第一絲桿10的一端與第一步進電機4的轉(zhuǎn)軸相連，在第一絲桿10上套有帶螺紋孔的第 一滑塊13，第一滑塊13與設備箱7底部固定，在設備箱7的上表面固定第二步進電機5，第 二步進電機5的轉(zhuǎn)軸與豎立的第二絲桿11的一端相連，第二絲桿11另一端的支撐架上安 裝照明燈3，第二絲桿11上套有帶螺紋孔的第二滑塊14，在第二滑塊14上固定第三步進電 機6，第三步進電機6的轉(zhuǎn)軸與水平的第三絲桿12的一端相連，在第三絲桿12另一端的支 撐架上安裝攝像頭2，第三絲桿12上套有帶螺紋孔的第三滑塊15，在第三滑塊15上固定反 射探頭9，上述設備箱7內(nèi)設有電源70、近紅外光源71、光譜儀72、工控機73和繼電器74， 反射探頭9通過光纖接口 75與光譜儀72的輸入端以及近紅外光源71相連，工控機73的 一個信號端與光譜儀72的輸出端以及近紅外光源71相連，工控機73的另一個信號端經(jīng)通 訊口 76與遠程計算機8相連，工控機73的一個輸出端與繼電器74的輸入端連接，繼電器 74的輸出端與攝像頭2和照明燈3連接，工控機73的另一個輸出端經(jīng)步進電機驅(qū)動器77 分別與第一、第二和第三步進電機4、5和6相連。工控機可采用研華公司的UN0-2170工控機。
權(quán)利要求
基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是包括X、Y、Z方向安裝的第一絲桿(10)、第二絲桿(11)和第三絲桿(12)，第一絲桿(10)設置在軌道(1)槽中，第一絲桿(10)的一端與第一步進電機(4)的轉(zhuǎn)軸相連，在第一絲桿(10)上套有帶螺紋孔的第一滑塊(13)，第一滑塊(13)與設備箱(7)底部固定，在設備箱(7)的上表面固定第二步進電機(5)，第二步進電機(5)的轉(zhuǎn)軸與豎立的第二絲桿(11)的一端相連，第二絲桿(11)另一端的支撐架上安裝照明燈(3)，第二絲桿(11)上套有帶螺紋孔的第二滑塊(14)，在第二滑塊(14)上固定第三步進電機(6)，第三步進電機(6)的轉(zhuǎn)軸與水平的第三絲桿(12)的一端相連，在第三絲桿(12)另一端的支撐架上安裝攝像頭(2)，第三絲桿(12)上套有帶螺紋孔的第三滑塊(15)，在第三滑塊(15)上固定反射探頭(9)，上述設備箱(7)內(nèi)設有電源(70)、近紅外光源(71)、光譜儀(72)、工控機(73)和繼電器(74)，反射探頭(9)通過光纖接口(75)與光譜儀(72)的輸入端以及近紅外光源(71)相連，工控機(73)的一個信號端與光譜儀(72)的輸出端以及近紅外光源(71)相連，工控機(73)的另一個信號端經(jīng)通訊口(76)與遠程計算機(8)相連，工控機(73)的一個輸出端與繼電器(74)的輸入端連接，繼電器(74)的輸出端與攝像頭(2)和照明燈(3)連接，工控機(73)的另一個輸出端經(jīng)步進電機驅(qū)動器(77)分別與第一、第二和第三步進電機(4、5、6)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開的基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括X、Y、Z方向安裝的第一、第二和第三絲桿，三個絲桿上分別套有帶螺紋孔的滑塊，由步進電機驅(qū)動可實現(xiàn)在三維空間任意點的移動。其中在一個絲桿上設置攝像頭和反射探頭，另有一個絲桿上設置近紅外光源、光譜儀、工控機和繼電器。該監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合反射光譜與圖像信息，在遠程計算機控制下自動調(diào)節(jié)反射探頭的空間位置，基于作物冠層可見光/近紅外反射光譜，計算葉面積指數(shù)、水分含量、葉綠素含量等多種指標，從而分析作物的生長狀況，為作物生長管理提供參考。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、自動化水平高，實現(xiàn)了快速、無損、全方位、多指標、動態(tài)監(jiān)測作物生長狀況的目的。
文檔編號G01N21/25GK101881725SQ20101020098
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者戴連奎, 黃承偉 申請人:浙江大學