本發(fā)明屬于數(shù)字化農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種植物葉面積測(cè)量?jī)x。

背景技術(shù)：

葉面積是一些作物栽培和育種實(shí)踐中常用的指標(biāo)，葉片的總面積也是農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，葉面積的大小是造林經(jīng)營、理想株型選育和造林密度的重要研究?jī)?nèi)容，測(cè)定害蟲食葉面積也是研究害蟲危害損失、經(jīng)濟(jì)閾值的重要內(nèi)容?？梢娍焖佟?zhǔn)確的測(cè)量葉面積非常重要。

目前，傳統(tǒng)葉面積測(cè)量主要有網(wǎng)格法、稱重法、系數(shù)法、圖像處理法、葉面儀測(cè)量法等。這些方法各有利弊，如網(wǎng)格交叉法比較準(zhǔn)確，但需要消耗大量的時(shí)間；葉面積儀器法雖然具有快速的特點(diǎn)，但儀器昂貴且測(cè)量結(jié)果具有較大的波動(dòng)性；稱重復(fù)印法則受紙張和復(fù)印機(jī)的影響較大；掃描儀測(cè)量葉面積時(shí)，需將葉片摘下來，且不適于室外作業(yè)。上述測(cè)定方法在生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)通常與直尺法結(jié)合使用，且使用直尺法時(shí)需要乘以一個(gè)校正系數(shù)，而校正系數(shù)受作物的品種、葉齡和環(huán)境等因素的影響較大，適用范圍較窄；回歸方程法：即通過測(cè)葉寬和葉長(zhǎng)預(yù)測(cè)出葉面積；另外還可以通過計(jì)算圖像中葉片的象素?cái)?shù)求出葉片的面積，但是這種方法在測(cè)量葉片面積時(shí)需要在嚴(yán)格的物距下進(jìn)行葉片的采樣，以保證每個(gè)象素點(diǎn)代表的真實(shí)面積不變，而且要求光學(xué)器件的線性度較高，鏡頭的焦距不可變，可見用此方法來實(shí)現(xiàn)葉面積計(jì)算需要的要求較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種植物葉面積測(cè)量?jī)x，解決了葉片圖像實(shí)時(shí)高速采集問題，并且實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種植物葉面積測(cè)量?jī)x，包括圖像采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊，所述圖像采集模塊與所述數(shù)據(jù)處理模塊連接，用于測(cè)量葉片橫向?qū)挾龋鰯?shù)據(jù)處理模塊還連接有FLASH存儲(chǔ)器和液晶顯示器，所述液晶顯示器用于將所述圖像采集模塊采集的葉片信息實(shí)時(shí)顯示，所述FLASH存儲(chǔ)器用于將所述葉片信息進(jìn)行存儲(chǔ)保存。

進(jìn)一步的，所述圖像采集模塊包括FPGA數(shù)采模塊、LED光源陣列、光敏三極管陣列和固態(tài)繼電器，所述FPGA數(shù)采模塊依次與所述光敏三極管陣列和固態(tài)繼電器組電連接，所述LED光源陣列用于為所述測(cè)量?jī)x器提供光源。

進(jìn)一步的，所述LED光源陣列為可拆卸式。

進(jìn)一步的，所述光敏三極管陣列和固態(tài)繼電器組分別包括三組，分別用于向所述FPGA數(shù)采模塊傳送所述葉片信息。

進(jìn)一步的，所述FPGA數(shù)采模塊為EP2C70F896C6。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理模塊為Nios Ⅱ 32位RISC嵌入式軟核處理器處理器，連接有薄膜鍵盤。

進(jìn)一步的，顯示模塊為點(diǎn)陣型的液晶顯示器。

進(jìn)一步的，所述測(cè)量?jī)x器上還設(shè)置有USB/串口通訊接口，用于將測(cè)量的所述葉片信息數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，同上位機(jī)完成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳送。

進(jìn)一步的，所述測(cè)量?jī)x器經(jīng)過電感電容連接有交流穩(wěn)壓電，用于為所述測(cè)量?jī)x器供電。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本儀器能夠?qū)崿F(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行，發(fā)揮FPGA的并行處理能力，通過圖像采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)圖像高速采集和處理，以軟件方式完成葉面積算法等應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，該儀器用于離體葉片的葉面積測(cè)量穩(wěn)定可靠，能夠測(cè)量葉片其他參數(shù)，系統(tǒng)靈活性強(qiáng)。

進(jìn)一步的，三組固態(tài)繼電器用以控制LED光源組的開關(guān)，完成數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送，固態(tài)繼電器的使用可以減少FPGA資源的占用率，尤其減少了I/O口的使用數(shù)量，將系統(tǒng)的運(yùn)行速率提升了一倍。并節(jié)省了成本，提高了該儀器的性價(jià)比。

進(jìn)一步的，本儀器供電的交流電經(jīng)過穩(wěn)壓處理，使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，并在交流端用電感電容濾波，去掉高頻、低頻干擾脈沖，提高可靠性，減少故障率。

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集模塊原理圖。

【具體實(shí)施方式】

請(qǐng)參閱圖1所示，一種植物葉面積測(cè)量?jī)x，包括圖像采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊，所述圖像采集模塊與所述數(shù)據(jù)處理模塊連接，用于對(duì)葉片橫向?qū)挾鹊臏y(cè)量，所述數(shù)據(jù)處理模塊還連接有FLASH存儲(chǔ)器和液晶顯示器，所述液晶顯示器用于將所述圖像采集模塊采集的葉片信息實(shí)時(shí)顯示，所述FLASH存儲(chǔ)器用于將所述葉片信息進(jìn)行存儲(chǔ)保存。所述圖像采集模塊包括FPGA數(shù)采模塊、LED光源陣列、光敏三極管陣列和固態(tài)繼電器，所述FPGA數(shù)采模塊依次與所述光敏三極管陣列和固態(tài)繼電器組電連接，所述LED光源陣列用于為所述測(cè)量?jī)x器提供光源。

臺(tái)式葉面積測(cè)量?jī)x基于光電掃描技術(shù)，經(jīng)由FPGA為主要器件的圖像采集模塊和由單片機(jī)為主要器件的數(shù)據(jù)處理模塊后，結(jié)果送入LCD完成測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)葉片的長(zhǎng)寬比、最大寬度、總面積、平均面積、蟲孔面積和葉片形狀等參量都可以通過選擇相應(yīng)的按鍵顯示在LCD上，并且可以通過串口或者USB接口將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，并對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

臺(tái)式葉面儀測(cè)量的原理類似于數(shù)學(xué)中的積分原理，是將整個(gè)葉片表面分為若干個(gè)微小的長(zhǎng)方形，通過計(jì)算每個(gè)長(zhǎng)方形的面積，再將微小長(zhǎng)方形的面積進(jìn)行累加近似得到整個(gè)葉片的面積。儀器需要實(shí)際測(cè)量的量為每個(gè)微小長(zhǎng)方形的長(zhǎng)和寬，稱之為縱向測(cè)量和橫向測(cè)量。

縱向的測(cè)量通過交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制。橫向的LED光源組每500ms閃爍一次，即每500ms完成一次數(shù)據(jù)的采集和處理。通過交流電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)在500ms時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離，也就不難得出葉片在每個(gè)測(cè)量的時(shí)間段內(nèi)縱向行走的距離。通過計(jì)算機(jī)的外部中斷控制500ms的時(shí)間段，從而保證了縱向測(cè)量的精確度。

請(qǐng)參閱圖2所示，數(shù)據(jù)采集模塊橫向量化由光敏三極管陣列板和LED光源陣列板構(gòu)成。LED光源陣列由54個(gè)紅光貼片式發(fā)光二極管做成，相鄰兩只發(fā)光二極管中心距是1.5mm。在本儀器中，LED光源陣列板為器件的可分離部件，當(dāng)在特殊環(huán)境下需要改變光源時(shí)，可以換上所需要的光源陣列，增加了系統(tǒng)的可移植性。

光電接收陣列板是162只光敏三極管均勻分布在加工好的線路板上，封裝方法和LED陣列板基本相同，從提高整機(jī)性能上考慮，封裝形式采用球面封裝。這種封裝一方面有利于降低田間強(qiáng)烈陽光對(duì)儀器測(cè)量的影響，另一方面，降低了儀器的能耗，增加了測(cè)量的時(shí)間。橫向陣列板的下排為發(fā)光二極管陣列，上排為光敏三極管陣列。通過交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測(cè)葉片帶入儀器的轉(zhuǎn)軸中進(jìn)行測(cè)量。在兩排光電對(duì)管中間，光電二極管陣列發(fā)光，未被葉片遮住光敏三極管可以接收到光從而導(dǎo)通并輸出高電平；被葉片遮住光敏三極管不能接收到光，管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出的是低電平。橫向測(cè)量，是通過測(cè)量光敏三極管陣列的狀態(tài)而完成的。通過FPGA采集被遮擋住的光敏三極管的個(gè)數(shù)，進(jìn)而可以確定葉片的橫向?qū)挾取?/p>

所述測(cè)量?jī)x器經(jīng)過電感電容連接有交流穩(wěn)壓電，用于為所述測(cè)量?jī)x器供電。

所述FPGA數(shù)采模塊為EP2C70F896C6，器件具有68416個(gè)邏輯單元(LE)，250個(gè)M4KRAM存儲(chǔ)資源，150個(gè)內(nèi)嵌硬件乘法器和4個(gè)鎖相環(huán)，支持Nios Ⅱ處理器，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)處理模塊為Nios Ⅱ 32位RISC嵌入式軟核處理器處理器，占用1800個(gè)邏輯單元，設(shè)定Nios Ⅱ的時(shí)鐘為100MHz，選擇快速型(NiosⅡ/f)Nios Ⅱ處理器，在Avalon總線上掛接鎖相環(huán)、系統(tǒng)定時(shí)器、JTAG UART接口、FLASH控制器、EPCS控制器、SSRAM控制器、通用I/O控制器、CMOS控制器等外設(shè)組件。

本測(cè)量?jī)x器在調(diào)試過程中綜合考慮到了各種情況，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，從多個(gè)角度對(duì)儀器的性能進(jìn)行了分析，并針對(duì)相對(duì)誤差較大的情況給出了具體的解決方法。該儀器的設(shè)計(jì)滿足以下的要求：測(cè)量范圍為0～300cm²，分辨率達(dá)到0.8mm²；不僅可以完成高精度的葉片面積測(cè)量，同時(shí)可以完成葉片的蟲孔面積、葉片長(zhǎng)寬比、總面積、平均面積等參數(shù)的測(cè)量；測(cè)量精度達(dá)到要求的1.5％；可通過USB口和串口將葉片數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊；本測(cè)量?jī)x器在進(jìn)行測(cè)量的過程中對(duì)葉片表面的損害度很??；本測(cè)量?jī)x器在長(zhǎng)時(shí)間的工作下，也可以有很好的穩(wěn)定性和可靠性；并有很好的便攜性，可以很方便野外測(cè)量的工作；本測(cè)量?jī)x器具有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，當(dāng)被測(cè)對(duì)象或測(cè)量環(huán)境發(fā)生變化時(shí)可以方便地調(diào)整加以適應(yīng)。

本測(cè)量?jī)x器在調(diào)試完成后進(jìn)行了大量的測(cè)試，針對(duì)各種情況和不同的環(huán)境進(jìn)行具體的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明即使葉片的形狀、葉片的顏色、葉片的測(cè)量環(huán)境等因素會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響，但是影響程度很小，最大誤差范圍均可控制在1.5％內(nèi)，在無法保證高測(cè)量精度的特殊情況下也可以通過光源的強(qiáng)度調(diào)節(jié)減小偏差，從而保證本測(cè)量?jī)x器的可靠性和穩(wěn)定性。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。