專利名稱：基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，特別是利用主動(dòng)光源進(jìn)行作物生長(zhǎng)信息無損、快速檢測(cè)的裝置，屬于作物生長(zhǎng)信息智能化檢測(cè)領(lǐng)域，專用于田間作物生長(zhǎng)信息實(shí)時(shí)獲取與精確診斷。
背景技術(shù)：
作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)可以全面地感知農(nóng)田作物生長(zhǎng)狀況，為作物生產(chǎn)精確管理的實(shí)施提供信息支撐，對(duì)加強(qiáng)我國(guó)糧食安全、提高糧食品質(zhì)和產(chǎn)量等具有重要作用。無損、快速、便攜是現(xiàn)代農(nóng)田信息獲取設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)，研制作物生長(zhǎng)信息實(shí)時(shí)無損獲取設(shè)備是發(fā)展農(nóng)業(yè)信息化的關(guān)鍵?；诠趯臃瓷涔庾V的作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是根據(jù)作物冠層葉片對(duì)敏感波段的吸收和散射特性來計(jì)算推導(dǎo)作物冠層葉片的生理、生態(tài)特性。相比其他的作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)方法，如凱氏定氮法、物理測(cè)量葉面積法、化學(xué)測(cè)量葉綠素法和接觸式葉溫測(cè)量等，作物生長(zhǎng)光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)具有成本低、分辨率高、實(shí)時(shí)性好、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、非接觸監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，與電子信息技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)信息光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的微型化、經(jīng)濟(jì)化、智能化的迫切需求。目前，國(guó)內(nèi)外一些研發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)了用于監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)狀況的光譜儀器，這些儀器基本上都是基于被動(dòng)光源模式，測(cè)量結(jié)果受太陽高度角的影響非常顯著，精度低，可靠性差，不利于農(nóng)田環(huán)境下實(shí)地測(cè)量。比如，美國(guó)Holland scientific公司生產(chǎn)的Crop CircleACS-470手持式光譜儀，不受環(huán)境光源條件的限制，能用于測(cè)定常規(guī)植物營(yíng)養(yǎng)狀況以及植物冠層及土壤的基本反射率信息，可方便地對(duì)較大范圍的植物或農(nóng)作物的生物量及其分布情況進(jìn)行，所測(cè)數(shù)據(jù)可用于分析作物的養(yǎng)分、水分、病害及其他生長(zhǎng)狀況，但其儀器價(jià)格昂貴，體積龐大，適用于科學(xué)研究但不適用于田間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；專利200710019340.9公開了一種便攜式多通道作物葉片氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)無損監(jiān)測(cè)裝置，雖滿足對(duì)作物冠層葉片氮含量、氮積累量和葉面積指數(shù)3個(gè)指標(biāo)的無損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但該裝置利用太陽光做光源，使用中必須受到天氣制約，工作時(shí)間短、穩(wěn)定性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實(shí)時(shí)性好、工作時(shí)間范圍寬、價(jià)格便宜、不受天氣制約且穩(wěn)定性好的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田環(huán)境下低成本、便攜式測(cè)量作物的生長(zhǎng)信息。本發(fā)明的技術(shù)方案是:—種基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，包括光源系統(tǒng)、光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)，其中光源系統(tǒng)的前端連接主機(jī)系統(tǒng)，光源系統(tǒng)的后端連接光譜信號(hào)采集系統(tǒng)，光譜信號(hào)采集系統(tǒng)的后端連接主機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)的后端連接光源系統(tǒng)。所述光源系統(tǒng)包括光譜信號(hào)發(fā)生部件和外殼；其中所述光譜信號(hào)發(fā)送部件由六個(gè)發(fā)射光管和內(nèi)部管座構(gòu)成，六個(gè)發(fā)射光管分成兩組，每三個(gè)發(fā)射光管一組，每組發(fā)射光管與主機(jī)系統(tǒng)的編碼模塊連接；所述內(nèi)部管座用于固定六個(gè)發(fā)射光管。所述發(fā)射光管包括保護(hù)玻璃、條形柱面鏡和發(fā)光二極管隊(duì)列，并依次排列；其中所述發(fā)光二極管隊(duì)列由若干個(gè)中心波長(zhǎng)為720nm和SlOnm發(fā)光二極管排列，呈長(zhǎng)方形，出射光斑呈條形，光源出射角為45° ;所述條形柱面鏡長(zhǎng)54mm,寬IOmm,距離發(fā)光二極管隊(duì)列9mm。所述光譜信號(hào)采集系統(tǒng)包括光譜信號(hào)采集部件和外殼；其中所述光譜信號(hào)采集部件由若干個(gè)反射光管和管座組成，并嵌入主機(jī)系統(tǒng)下方，位于兩組發(fā)射光管中間位置；所述反射光管等分為兩組，每組反射光管與主機(jī)上的解碼模塊連接；所述管座用于固定反射光管。所述反射光管包括保護(hù)玻璃、特定中心波長(zhǎng)窄帶干涉濾光片、圓形凸透鏡和光電傳感器，并依次排列；其中所述濾光片的中心波長(zhǎng)為720nm和SlOnm;所述圓形凸透鏡，直徑為6mm，焦距為3mm ;所述光電傳感器位于圓形凸透鏡焦平面。所述主機(jī)系統(tǒng)由外殼、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成；其中，所述硬件系統(tǒng)由編碼模塊、光源驅(qū)動(dòng)模塊、兩波長(zhǎng)LED光源、微弱信號(hào)放大模塊、解碼模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單機(jī)微處理器模塊、外部存儲(chǔ)器模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊和電池供電模塊組成；且所述編碼模塊的前端是單機(jī)微處理器模塊，后端是光源驅(qū)動(dòng)模塊；所述解碼模塊的后端是A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊的后端是微處理器模塊；所述外部存儲(chǔ)器模塊與單機(jī)微處理器模塊相連；所述顯示模塊與微處理器模塊相連；所述鍵盤輸入模塊與微處理器模塊相連；所述電池供電模塊向整個(gè)裝置供電。所述光源驅(qū)動(dòng)模塊后端是光譜信號(hào)發(fā)送部件中的發(fā)光二極管，所述解碼模塊的前端是光譜采集部件中的光電傳感器。光源系統(tǒng)由特定波長(zhǎng)發(fā)光二極管陣列、聚光柱面鏡和保護(hù)玻璃構(gòu)成；特定波長(zhǎng)發(fā)光二極管經(jīng)聚光柱面鏡聚光，使出射光線成條形照射在作物冠層葉片上，保護(hù)玻璃用于保護(hù)光源系統(tǒng)免受物理和化學(xué)損壞。所述光譜信號(hào)采集系統(tǒng)由保護(hù)玻璃、窄帶干涉濾光片、圓形聚光透鏡和光電傳感器組成；作物冠層葉片吸收和散射之后的反射光通過濾光片去除其他波段的干擾光，聚光透鏡提高探測(cè)器接收的光照強(qiáng)度，光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍在400nm llOOnm，保護(hù)玻璃用于保護(hù)光源系統(tǒng)免受物理和化學(xué)損壞。所述外部設(shè)備由外部存儲(chǔ)器模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊和電池供電模塊組成；外部存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)的作物冠層光譜反射率，鍵盤輸入模塊用與液晶顯示模塊構(gòu)成人性化的人機(jī)交互界面，電池供電模塊向整個(gè)裝置供電。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下技術(shù)效果:1.本發(fā)明基于主動(dòng)光源設(shè)計(jì)，使用時(shí)不受天氣因素制約，工作時(shí)間范圍寬?？朔艘酝魑锷L(zhǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備利用太陽光做光源，使用中受到天氣狀況及太陽高度角的制約，可控性、穩(wěn)定性較差。2.本發(fā)明根據(jù)田間作物在不同生育時(shí)期冠層特點(diǎn)，采用發(fā)射光管分組的設(shè)計(jì)方法，降低了土壤背景干擾的影響，提高了儀器監(jiān)測(cè)精度和可靠性。


圖1A為本發(fā)明基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀示意圖；圖1B為本發(fā)明基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀的主機(jī)系統(tǒng)的示意圖；圖2為本發(fā)明的光源系統(tǒng)發(fā)射光管示意圖；圖3為本發(fā)明的光譜信號(hào)采集系統(tǒng)反射光管示意4為本發(fā)明的主機(jī)硬件示意圖。圖注說明:1.720nm光源系統(tǒng)2.720nm發(fā)射光管3.720nm光譜信號(hào)采集系統(tǒng)4.720nm反射光管5.810nm光譜信號(hào)米集系統(tǒng)6.810nm反射光管7.810nm發(fā)射光管8.810nm光源系統(tǒng)
9.主機(jī)系統(tǒng)10.主機(jī)面板11.液晶顯示屏12.“開”按鍵13.“關(guān)”按鍵14.“復(fù)位”按鍵15.“模式”按鍵16.“測(cè)量”按鍵17.“上頁”按鍵18.“監(jiān)測(cè)/保存”按鍵19.“查看”按鍵20.“診斷”按鍵21 “下頁”按鍵22.保護(hù)玻璃23.聚光柱面鏡24.特定波段發(fā)光二極管25.保護(hù)玻璃26.窄帶干涉濾光片27.圓形聚光透鏡28.光電傳感器具體實(shí)施方法下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:一種基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，包括光源系統(tǒng)、光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)(如圖1);其中光源系統(tǒng)的前端連接主機(jī)系統(tǒng)，光源系統(tǒng)的后端連接光譜信號(hào)采集系統(tǒng)，光譜信號(hào)采集系統(tǒng)的后端連接主機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)的后端連接光源系統(tǒng)。所述光源系統(tǒng)(如圖2)包括光譜信號(hào)發(fā)生部件和外殼；其中所述光譜信號(hào)發(fā)送部件由六個(gè)發(fā)射光管和內(nèi)部管座構(gòu)成，六個(gè)發(fā)射光管分成兩組，每三個(gè)發(fā)射光管一組，每組發(fā)射光管與主機(jī)系統(tǒng)的編碼模塊連接；所述內(nèi)部管座用于固定六個(gè)發(fā)射光管。所述發(fā)射光管(如圖3)包括保護(hù)玻璃、條形柱面鏡和發(fā)光二極管隊(duì)列，并依次排列；其中所述發(fā)光二極管隊(duì)列由若干個(gè)中心波長(zhǎng)為720nm和SlOnm發(fā)光二極管排列，呈長(zhǎng)方形，出射光斑呈條形，光源出射角為45° ;所述條形柱面鏡長(zhǎng)54mm，寬10mm，距離發(fā)光二極管隊(duì)列9mm。所述光譜信號(hào)采集系統(tǒng)(如圖3)包括光譜信號(hào)采集部件和外殼；其中所述光譜信號(hào)采集部件由若干個(gè)反射光管和管座組成，并嵌入主機(jī)系統(tǒng)下方，位于兩組發(fā)射光管中間位置；所述反射光管等分為兩組，每組反射光管與主機(jī)上的解碼模塊連接；所述管座用于固定反射光管。所述反射光管(如圖3)包括保護(hù)玻璃、特定中心波長(zhǎng)窄帶干涉濾光片、圓形凸透鏡和光電傳感器，并依次排列；其中所述濾光片的中心波長(zhǎng)為720nm和SlOnm ;所述圓形凸透鏡，直徑為6mm，焦距為3mm ;所述光電傳感器位于圓形凸透鏡焦平面。所述主機(jī)系統(tǒng)由外殼、硬件系統(tǒng)(如圖4)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成；其中，所述硬件系統(tǒng)(如圖4)由編碼模塊、光源驅(qū)動(dòng)模塊、兩波長(zhǎng)LED光源、微弱信號(hào)放大模塊、解碼模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單機(jī)微處理器模塊、外部存儲(chǔ)器模塊、液晶顯不模塊、鍵盤輸入模塊和電池供電模塊組成；且所述編碼模塊的前端是單機(jī)微處理器模塊，后端是光源驅(qū)動(dòng)模塊；所述解碼模塊的后端是A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊的后端是微處理器模塊；所述外部存儲(chǔ)器模塊與單機(jī)微處理器模塊相連；所述顯示模塊與微處理器模塊相連；所述鍵盤輸入模塊與微處理器模塊相連；所述電池供電模塊向整個(gè)裝置供電。
所述光源驅(qū)動(dòng)模塊后端是光譜信號(hào)發(fā)送部件中的發(fā)光二極管，所述解碼模塊的前端是光譜采集部件中的光電傳感器。光源系統(tǒng)由特定波長(zhǎng)發(fā)光二極管陣列、聚光柱面鏡和保護(hù)玻璃構(gòu)成；特定波長(zhǎng)發(fā)光二極管經(jīng)聚光柱面鏡聚光，使出射光線成條形照射在作物冠層葉片上，保護(hù)玻璃用于保護(hù)光源系統(tǒng)免受物理和化學(xué)損壞。光源由兩組發(fā)射光管組成，每組發(fā)射光管由3只條形光管構(gòu)成，每組條形光管內(nèi)部含有6只發(fā)光二極管組成的陣列，兩組發(fā)射光管的發(fā)光二極管的中心波長(zhǎng)分別為720nm和810nm,帶寬為± 15nm ;聚光透鏡米用條形柱面凸透鏡，長(zhǎng)54mm,寬IOmm,焦距為9mm ;玻璃物鏡長(zhǎng)64mm,寬IOmm,距離柱面透鏡5mm。所述光譜信號(hào)采集系統(tǒng)由保護(hù)玻璃、窄帶干涉濾光片、圓形聚光透鏡和光電傳感器組成；作物冠層葉片吸收和散射之后的反射光通過濾光片去除其他波段的干擾光，聚光透鏡提高探測(cè)器接收的光照強(qiáng)度，光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍在400nm llOOnm，保護(hù)玻璃用于保護(hù)光源系統(tǒng)免受物理和化學(xué)損壞。所述外部設(shè)備由外部存儲(chǔ)器模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊和電池供電模塊組成；外部存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)的作物冠層光譜反射率，鍵盤輸入模塊用與液晶顯示模塊構(gòu)成人性化的人機(jī)交互界面，電池供電模塊向整個(gè)裝置供電。監(jiān)測(cè)儀外殼采用硬質(zhì)塑料材質(zhì)機(jī)盒；面板采用塑料薄膜鍵盤，不同類型功能按鍵采用不同顏色的標(biāo)記。(一)本發(fā)明裝置的操作方法與步驟本發(fā)明的一種基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀的檢測(cè)方法，采用如下步驟:步驟I)按下面板上的“開”按鍵12，給儀器加電，系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行初始化操作，液晶顯示屏上顯示初始化界面，光源系統(tǒng)和光譜信號(hào)采集系統(tǒng)開始工作；步驟2)根據(jù)所測(cè)作物的長(zhǎng)勢(shì)情況，按下面板上的“模式”按鍵15，選擇點(diǎn)亮光源系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)光二極管的路數(shù)，“模式I”點(diǎn)亮一路發(fā)光二極管，“模式2”點(diǎn)亮兩路發(fā)光二極管，“模式3”點(diǎn)亮三路發(fā)光二極管；步驟3)操作者保持距離作物冠層20cm-40cm，水平放置，按下“測(cè)量”按鍵16，液晶屏實(shí)時(shí)顯示光譜信號(hào)采集器采集的作物冠層光譜反射率；步驟4)操作者按下“監(jiān)測(cè)/保存”按鍵18，實(shí)時(shí)抓捕作物冠層光譜反射率在液晶屏上顯不，并存儲(chǔ)光譜反射率；步驟5)按下“查看”按鍵19，能夠?qū)⒋鎯?chǔ)的光譜反射率信息從外部存儲(chǔ)器中調(diào)出，經(jīng)過內(nèi)部所建的作物生長(zhǎng)模型在液晶屏上顯示出所測(cè)作物的各農(nóng)學(xué)指標(biāo)。步驟6)按下“上頁”按鍵17和“下頁”按鍵21，能夠向上和向下查看所測(cè)作物的各農(nóng)學(xué)指標(biāo)。步驟7)按下“診斷”按鍵20，調(diào)用固化的農(nóng)學(xué)指標(biāo)方程，計(jì)算出作物的葉綠素含量、植被歸一化指數(shù)(NDVI)、葉面積指數(shù)、葉干重、氮含量、氮積累量、凈光合速率、蒸騰速率和葉溫等各農(nóng)學(xué)指標(biāo)，并在液晶屏上顯示；步驟8)按下“復(fù)位”按鍵14，系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化，液晶屏顯示初始化界面；步驟9)按下“關(guān)”按鍵13，切斷系統(tǒng)電源，儀器關(guān)機(jī)。
(二)本發(fā)明裝置的工作原理基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單機(jī)微處理器模塊向編碼模塊發(fā)出控制命令，編碼模塊發(fā)出一定頻率的電信號(hào)，控制光源驅(qū)動(dòng)電路點(diǎn)亮兩波長(zhǎng)LED光源，光源的兩個(gè)波長(zhǎng)的點(diǎn)亮頻率一致，發(fā)光功率保持恒定。720nm光源系統(tǒng)
(l)、810nm光源系統(tǒng)(8)中的720nm發(fā)射光管(2)、810nm發(fā)射光管(7)發(fā)出的光照射在被測(cè)作物冠層，位于兩組不同波長(zhǎng)光源模塊中間同側(cè)的720nm光譜信號(hào)采集系統(tǒng)(3)、810nm光譜信號(hào)采集系統(tǒng)(5)中的720nm反射光管(4)、810nm反射光管(6)接收到經(jīng)過作物冠層吸收和散射之后的反射光信號(hào)，720nm反射光管(4 )、81Onm反射光管(6 )內(nèi)部的光電傳感器28將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)通過微弱信號(hào)放大器將微弱電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。光源對(duì)作物監(jiān)測(cè)的距離為20cm-40cm之間。經(jīng)過放大后的電壓信號(hào)經(jīng)過解碼模塊，消除了太陽的干擾和內(nèi)部噪聲干擾。A/D轉(zhuǎn)換模塊將解碼后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳送至單機(jī)微處理器模塊。單機(jī)微處理器模塊將數(shù)字信號(hào)計(jì)算和處理后，得出作物冠層的光譜反射率，調(diào)用固化在微處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器中的模型和算法將光譜反射率的變化轉(zhuǎn)換為作物各種農(nóng)學(xué)指標(biāo)信息，如葉綠素含量、植被歸一化指數(shù)(NDVI)、葉面積指數(shù)、葉干重、氮含量、氮積累量、凈光合速率、蒸騰速率和葉溫等，微處理器模塊內(nèi)部固化了標(biāo)準(zhǔn)板標(biāo)定函數(shù)，對(duì)光強(qiáng)變化信息進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算處理，使所測(cè)量的反射率更加接近于真實(shí)值，更能反應(yīng)作物的生長(zhǎng)信息。通過主機(jī)面板10上的按鍵輸入，分別將作物的這些農(nóng)學(xué)指標(biāo)信息在液晶顯示屏11上顯示，并存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)模塊中。如圖2，是720nm發(fā)射光管(2 )、8IOnm發(fā)射光管(7 )截面示意圖，由保護(hù)玻璃22、聚光柱面鏡23和特定波長(zhǎng)發(fā)光二極管24組成；保護(hù)玻璃22起到物理保護(hù)作用，聚光柱面鏡23將發(fā)光二極管24發(fā)射的散射光聚成寬度很窄的平行光，720nm波長(zhǎng)發(fā)射管內(nèi)部的特定波長(zhǎng)發(fā)光二極管的中心頻率為720nm, 810nm波長(zhǎng)發(fā)射管內(nèi)部的特定波長(zhǎng)發(fā)光二極管的中心頻率為810nm。720nm發(fā)射光管(2)、810nm發(fā)射光管(7)內(nèi)部各部件的布局參數(shù)與尺寸大小均經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算所得，在所設(shè)計(jì)的測(cè)量距離之間，能保證兩組發(fā)射光管2，7發(fā)射的光照射在同一株作物冠層。如圖3，是反射光管截面示意圖，由保護(hù)玻璃25，窄帶干涉濾光片26，圓形聚光透鏡27和光電傳感器28組成；保護(hù)玻璃25起到物理保護(hù)作用，在720nm反射光管4與8IOnm反射光管6中窄帶干涉濾光片26分別采用中心波長(zhǎng)位于720nm和810nm,窄帶干涉濾光片的帶寬為±5nm,光電傳感器28米用光電二極管,輸出電流信號(hào),抗干擾能力強(qiáng)。720nm反射光管(4)、810nm反射光管(6)內(nèi)部各部件的布局參數(shù)與尺寸大小均經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算所得，滿足測(cè)量要求。如圖4，單機(jī)微處理器模塊控制編碼模塊發(fā)出編碼信號(hào)，編碼輸送到光源驅(qū)動(dòng)模塊，光源驅(qū)動(dòng)模塊隨著編碼信號(hào)點(diǎn)亮、熄滅兩個(gè)波長(zhǎng)LED光源模塊。位于兩組不同波長(zhǎng)光源模塊中間同側(cè)的光電傳感器接收經(jīng)過被測(cè)作物冠層吸收和散射之后的反射光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)通過T型電阻網(wǎng)絡(luò)放大電路將微弱電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。模擬的電壓信號(hào)經(jīng)過解碼模塊后，被A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳送給單機(jī)微處理器模塊進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理，得出實(shí)時(shí)反射率，通過調(diào)用固化在單機(jī)微處理器模塊內(nèi)部存儲(chǔ)器中的模型和算法，計(jì)算出被測(cè)作物的葉綠素含量、植被歸一化指數(shù)(NDVI )、葉面積指數(shù)、葉干重、氮含量、氮積累量、凈光合速率、蒸騰速率和葉溫等農(nóng)學(xué)指標(biāo)信息，通過鍵盤按鍵輸入，分別將作物的這些農(nóng)學(xué)指標(biāo)信息在液晶顯示屏11上顯示，并存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)模塊中。所述電池供電模塊向整個(gè)裝置供電。為了使本發(fā)明獲得更高的靈敏度和準(zhǔn)確度，以及更高的信噪比，光電傳感器模塊可以與微弱信號(hào)放大器集成在一起，采用具有前置放大功能的光電探測(cè)器，可以是集成前置放大器的硅光電池，光電倍增管，雪崩光電二極管等，單機(jī)微處理器模塊可以采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA、CPLD,高級(jí)精簡(jiǎn)指令嵌入式微機(jī)ARM等。
權(quán)利要求
1.一種基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征是包括光源系統(tǒng)、光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)，其中光源系統(tǒng)的前端連接主機(jī)系統(tǒng)，光源系統(tǒng)的后端連接光譜信號(hào)采集系統(tǒng)，光譜信號(hào)采集系統(tǒng)的后端連接主機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)的后端連接光源系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征是所述光源系統(tǒng)包括光譜信號(hào)發(fā)生部件和外殼；其中所述光譜信號(hào)發(fā)送部件由六個(gè)發(fā)射光管和內(nèi)部管座構(gòu)成，六個(gè)發(fā)射光管分成兩組，每三個(gè)發(fā)射光管一組，每組發(fā)射光管與主機(jī)系統(tǒng)的編碼模塊連接；所述內(nèi)部管座用于固定六個(gè)發(fā)射光管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征是所述發(fā)射光管包括保護(hù)玻璃、條形柱面鏡和發(fā)光二極管隊(duì)列，并依次排列；其中所述發(fā)光二極管隊(duì)列由若干個(gè)中心波長(zhǎng)為720nm和810nm發(fā)光二極管排列，呈長(zhǎng)方形，出射光斑呈條形,光源出射角為45° ;所述條形柱面鏡長(zhǎng)54mm,寬IOmm,距離發(fā)光二極管隊(duì)列9mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征是所述光譜信號(hào)采集系統(tǒng)包括光譜信號(hào)采集部件和外殼；其中所述光譜信號(hào)采集部件由若干個(gè)反射光管和管座組成，并嵌入主機(jī)系統(tǒng)下方，位于兩組發(fā)射光管中間位置；所述反射光管等分為兩組，每組反射光管與主機(jī)上的解碼模塊連接；所述管座用于固定反射光管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征是所述反射光管包括保護(hù)玻璃、特定中心波長(zhǎng)窄帶干涉濾光片、圓形凸透鏡和光電傳感器，并依次排列；其中所述濾光片的中心波長(zhǎng)為720nm和SlOnm ;所述圓形凸透鏡，直徑為6mm，焦距為3mm ;所述光電傳感器位于圓形凸透鏡焦平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征是所述主機(jī)系統(tǒng)由外殼、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成；其中，所述硬件系統(tǒng)由編碼模塊、光源驅(qū)動(dòng)模塊、兩波長(zhǎng)LED光源、微弱信號(hào)放大模塊、解碼模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單機(jī)微處理器模塊、夕卜部存儲(chǔ)器模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊和電池供電模塊組成；且所述編碼模塊的前端是單機(jī)微處理器模塊，后端是光源驅(qū)動(dòng)模塊；所述解碼模塊的后端是A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊的后端是微處理器模塊；所述外部存儲(chǔ)器模塊與單機(jī)微處理器模塊相連；所述顯示模塊與微處理器模塊相連；所述鍵盤輸入模塊與微處理器模塊相連；所述電池供電模塊向整個(gè)裝置供電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征是所述光源驅(qū)動(dòng)模塊后端是光譜信號(hào)發(fā)送部件中的發(fā)光二極管，所述解碼模塊的前端是光譜采集部件中的光電傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征在于:光源系統(tǒng)由特定波長(zhǎng)發(fā)光二極管陣列、聚光柱面鏡和保護(hù)玻璃構(gòu)成；特定波長(zhǎng)發(fā)光二極管經(jīng)聚光柱面鏡聚光，使出射光線成條形照射在作物冠層葉片上，保護(hù)玻璃用于保護(hù)光源系統(tǒng)免受物理和化學(xué)損壞。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征在于:所述光譜信號(hào)采集系統(tǒng)由保護(hù)玻璃、窄帶干涉濾光片、圓形聚光透鏡和光電傳感器組成；作物冠層葉片吸收和散射之后的反射光通過濾光片去除其他波段的干擾光，聚光透鏡提高探測(cè)器接收的光照強(qiáng)度，光 電探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍在400nm llOOnm，保護(hù)玻璃用于保護(hù)光源系統(tǒng)免受物理和化學(xué)損壞。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征在于:所述外部設(shè)備由外部存儲(chǔ)器模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊和電池供電模塊組成；外部存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)的作物冠層光譜反射率，鍵盤輸入模塊用與液晶顯示模塊構(gòu)成人性化的人機(jī)交互界面， 電池供電模塊向整個(gè)裝置供電。
全文摘要
一種基于主動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)儀，其特征是包括光源系統(tǒng)、光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)，其中光源系統(tǒng)的前端連接主機(jī)系統(tǒng)，光源系統(tǒng)的后端連接光譜信號(hào)采集系統(tǒng)，光譜信號(hào)采集系統(tǒng)的后端連接主機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)的后端連接光源系統(tǒng)。本發(fā)明能同時(shí)對(duì)作物的葉綠素含量、植被歸一化指數(shù)(NDVI)、葉面積指數(shù)、葉干重、氮含量、氮積累量、凈光合速率、蒸騰速率和葉溫等多種生理、生態(tài)信息進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與診斷，具有數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、存儲(chǔ)、查看和顯示功能；嵌入式電子信息技術(shù)的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使儀器具有攜帶方便、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/27GK103149162SQ20121055451
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者曹衛(wèi)星, 盧少林, 倪軍, 朱艷, 姚霞, 田永超 申請(qǐng)人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)