專利名稱:基于近紅外光譜的手持式土壤養(yǎng)分無(wú)損測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種手持式土壤養(yǎng)分快速無(wú)損測(cè)量裝置，屬于農(nóng)業(yè)與生物工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
土壤養(yǎng)分是由土壤提供給植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，掌握農(nóng)田土壤的養(yǎng)分分 布，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。
數(shù)字農(nóng)業(yè)是高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)與生物工程領(lǐng)域應(yīng)用的重要方向，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的 重要標(biāo)志。掌握農(nóng)田土壤的養(yǎng)分信息是數(shù)字農(nóng)業(yè)中的重要和基礎(chǔ)部分之一。目前我國(guó)傳統(tǒng) 采用的人工測(cè)土配方方式耗時(shí)、費(fèi)工，并且很難在田間直接快速測(cè)定，已不適合農(nóng)業(yè)機(jī)械化 作業(yè)的要求。
現(xiàn)代近紅外光譜分析是將光譜測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)與基礎(chǔ)測(cè) 試技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。是將近紅外光譜所反映的樣品基團(tuán)、組成或物態(tài)信息與用標(biāo)準(zhǔn)或認(rèn)可 的參比方法測(cè)得的組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)采用化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)建立校正模型，然后通過(guò)對(duì)未知樣 品光譜的測(cè)定和建立的校正模型來(lái)快速預(yù)測(cè)其組成或性質(zhì)的一種分析方法。與傳統(tǒng)分析技 術(shù)相比，近紅外光譜分析技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它能在幾分鐘內(nèi)，僅通過(guò)對(duì)被測(cè)樣品完成一次 近紅外光譜的采集測(cè)量，即可完成其多項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)定(最多可達(dá)十余項(xiàng)指標(biāo))。光譜測(cè) 量時(shí)不需要對(duì)分析樣品進(jìn)行前處理；分析過(guò)程中不消耗其它材料或破壞樣品；分析重現(xiàn)性 好、成本低，可應(yīng)用于油及石油化工、基本有機(jī)化工、精細(xì)化工、冶金、生命科學(xué)、制藥、醫(yī)學(xué) 臨床、農(nóng)業(yè)、食品、飲料、煙草、紡織、造紙、化妝品、質(zhì)量監(jiān)督、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。 公開(kāi)號(hào)為CN101210875的發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種基于近紅外光譜技術(shù)的無(wú)損 測(cè)量土壤養(yǎng)分含量的方法。土壤養(yǎng)分含量的檢測(cè)包括建立校正模型和未知樣品的測(cè)定兩個(gè) 階段。首先要建立校正模型，必須收集不同土壤類型的樣本作為校正樣本集，并掃描得到校 正樣本集的近紅外光譜，對(duì)得到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜預(yù)處理。然后采用國(guó)標(biāo)法測(cè)量建模樣 本的養(yǎng)分含量作為標(biāo)準(zhǔn)含量。采用多元校正算法建立建模樣本的近紅外光譜與它們的養(yǎng)分 標(biāo)準(zhǔn)含量之間的定量關(guān)系，即建立了校正模型。對(duì)于待檢測(cè)的土壤樣本，只要掃描它們的近 紅外光譜圖，并把經(jīng)過(guò)相應(yīng)光譜預(yù)處理的光譜數(shù)據(jù)輸入到校正模型，經(jīng)過(guò)校正模型的測(cè)定 即得到了該土壤各養(yǎng)分含量。整個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示和 處理功能。但是該方法也需要將土壤樣品采集回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)田間的快速檢

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種手持式土壤養(yǎng)分快速無(wú)損測(cè)量裝置，在對(duì)于土壤養(yǎng)分近紅外光譜 數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)之上，將土壤養(yǎng)分檢測(cè)數(shù)學(xué)模型固化到手持式土壤養(yǎng)分快速無(wú)損測(cè)量系統(tǒng) 的微處理器上，實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分快速測(cè)量。
—種基于近紅外光譜的手持式土壤養(yǎng)分快速無(wú)損測(cè)量裝置，包括微處理器、液晶 顯示屏、光源、近紅外光譜模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電源和Y型光纖組成；微處理器與近紅外光譜
3模塊通過(guò)RS232串行接口電路相連；電源分別對(duì)微處理器、液晶顯示屏、光源、近紅外光譜 模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器供電；Y型光纖的末端為光譜采集探頭，另外兩端分別連接光源和近紅 外光譜模塊。
光源發(fā)出的可覆蓋近紅外范圍的光通過(guò)Y型光纖照射到土壤表面，光線經(jīng)過(guò)表面 吸收反射和漫反射后，由探頭通過(guò)Y型光纖，最后進(jìn)入近紅外光譜模塊；微處理器接收近紅 外光譜模塊的光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)行土壤養(yǎng)分檢測(cè)數(shù)學(xué)模型得到檢測(cè)數(shù)據(jù)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存 在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中并顯示在液晶顯示屏上。
所述的微處理器連接有鍵盤， 一是實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的參數(shù)設(shè)置，二是控制儀器的測(cè)量
過(guò)程和數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)功能，三是實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示的清除、翻頁(yè)顯示等，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
所述的土壤養(yǎng)分檢測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立的步驟如下
1)標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品的光譜采集應(yīng)用近紅外光譜模塊采集不同土壤類型的樣本的 近紅外光譜，每個(gè)樣本需多次重復(fù)測(cè)量，并將測(cè)量得到的光譜平均后作為該樣本的標(biāo)準(zhǔn)光 譜。
2)光譜的預(yù)處理采用平滑、標(biāo)準(zhǔn)化、中心化、導(dǎo)數(shù)、多元散射校正和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變
量等常用光譜預(yù)處理方法。
3)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)方法測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品的養(yǎng)分值其中可以采用凱式定氮法測(cè) 量氮含量、采用鉬銻抗比色法磷含量、采用火焰光度法測(cè)量鉀含量，采用重鉻酸鉀法測(cè)量有 機(jī)質(zhì)含量。
4)采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立光譜數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值的關(guān)系模型所述的化學(xué)計(jì) 量學(xué)方法包括多元線性回歸、主成分回歸、偏最小二乘回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)， 針對(duì)不同的土壤養(yǎng)分，可以采用不同的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立光譜數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值的關(guān)系 模型。
對(duì)測(cè)量到的未知土壤樣本的光譜，針對(duì)不同的土壤養(yǎng)分，首先進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的光譜 預(yù)處理，然后將預(yù)處理好的光譜輸入土壤養(yǎng)分檢測(cè)數(shù)學(xué)模型，模型根據(jù)不同的土壤養(yǎng)分，選 取對(duì)應(yīng)的關(guān)系模型進(jìn)行未知樣品的養(yǎng)分預(yù)測(cè)。
所述的電源可根據(jù)需要選擇220V市電、蓄電池及太陽(yáng)能電池板等多種形式。
本發(fā)明裝置具有的有益效果是
(1)實(shí)現(xiàn)了土壤養(yǎng)分信息的快速、無(wú)損、非接觸測(cè)量；
(2)儀器可測(cè)量土壤最主要的養(yǎng)分信息，包括氮含量、磷含量、鉀含量和有機(jī)質(zhì)含
(3)通過(guò)近紅外光譜模塊和微處理器進(jìn)行光譜的采集和處理，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)大型近 紅外光譜儀只能在室內(nèi)使用，不適合田間攜帶的不足；
(4)將可以采集的近紅外光譜范圍擴(kuò)展到了全部近紅外900-2550nm，增強(qiáng)了系統(tǒng) 的土壤養(yǎng)分測(cè)量能力。
(5)光纖的使用使得光譜信號(hào)采集受環(huán)境干擾??；
(6)整個(gè)裝置重量不足lkg，便于攜帶，可以滿足田間土壤養(yǎng)分快速測(cè)量需要。


圖1為本發(fā)明裝置的原理框圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示的裝置由微處理器1、液晶顯示屏3、光源4、近紅外光譜模塊5、鍵盤6、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器7，電源8和Y型光纖2組成；微處理器1與近紅外光譜模塊5通過(guò)RS232串行 接口電路相連；采用蓄電池作為電源8，電源8分別對(duì)微處理器1、液晶顯示屏3、光源4、近 紅外光譜模塊5、鍵盤6和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器7供電；Y型光纖的末端為光譜采集探頭，另外兩端分 別連接光源4和近紅外光譜模塊5 ;光源4發(fā)出的可覆蓋近紅外范圍的光通過(guò)光纖照射到 土壤表面，光線經(jīng)過(guò)表面吸收反射和漫反射后，由探頭，通過(guò)光纖，最后進(jìn)入近紅外光譜模 塊5。
近紅外光譜模塊5型號(hào)為NIR256-2. 5，光譜范圍為900-2550nm，分辨率為約 7. 5-25. Onm FWHM， 256像素InGaAs線陣CCD檢測(cè)器，積分時(shí)間1-30毫秒，16位A模/數(shù)轉(zhuǎn) 換器，USB2. 0接口和RS232接口。
微處理器5型號(hào)為STC12C5A60S2，有62KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，1280字節(jié)片內(nèi) RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2個(gè)UART接口 。
微處理器1對(duì)測(cè)量到的未知土壤樣本的光譜，針對(duì)不同的土壤養(yǎng)分，首先進(jìn)行相 對(duì)應(yīng)的光譜預(yù)處理方法，然后將預(yù)處理好的光譜輸入土壤養(yǎng)分檢測(cè)數(shù)學(xué)模型。模型根據(jù)不 同的土壤養(yǎng)分，選取對(duì)應(yīng)的關(guān)系模型進(jìn)行未知樣品的養(yǎng)分預(yù)測(cè)
土壤養(yǎng)分檢測(cè)數(shù)學(xué)模型建立的步驟如下
1)標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品的光譜采集應(yīng)用近紅外光譜模塊采集不同土壤類型的樣本的 近紅外光譜，每個(gè)樣本需多次重復(fù)測(cè)量，并將測(cè)量得到的光譜平均后作為該樣本的標(biāo)準(zhǔn)光 譜。
2)光譜的預(yù)處理采用平滑、標(biāo)準(zhǔn)化、中心化、導(dǎo)數(shù)、多元散射校正和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變
量等常用光譜預(yù)處理方法。
3)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)方法測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品的養(yǎng)分值其中可以采用凱式定氮法測(cè) 量氮含量、采用鉬銻抗比色法磷含量、采用火焰光度法測(cè)量鉀含量，采用重鉻酸鉀法測(cè)量有 機(jī)質(zhì)含量。
4)采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立光譜數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值的關(guān)系模型所述的化學(xué)計(jì) 量學(xué)方法包括多元線性回歸、主成分回歸、偏最小二乘回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)， 針對(duì)不同的土壤養(yǎng)分，可
以采用不同的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立光譜數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值的關(guān)系模型。
本發(fā)明裝置的工作原理如下
微處理器內(nèi)置基于近紅外光譜的土壤養(yǎng)分檢測(cè)數(shù)學(xué)模型，可測(cè)量土壤氮含量、磷 含量、鉀含量和有機(jī)質(zhì)含量。系統(tǒng)采用固定光路的256像素InGaAs線陣CCD檢測(cè)器為主體 的近紅外光譜模塊作為近紅外光譜獲取器件，采用低功耗微處理器，具有土壤近紅外光譜 信號(hào)采集，土壤養(yǎng)分信息快速計(jì)算、顯示、儲(chǔ)存、傳輸?shù)裙δ?。微處理器通過(guò)RS232接口連接 近紅外光譜模塊。內(nèi)置光源發(fā)出的光通過(guò)光纖照射到土壤表面，光線經(jīng)過(guò)表面吸收反射和 漫反射后，由探頭，通過(guò)光纖，最后進(jìn)入近紅外光譜模塊。近紅外光譜模塊通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換， 將采集到的光譜模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路后，通過(guò)RS232輸入到微處理器。 微處理器運(yùn)行土壤養(yǎng)分檢測(cè)數(shù)學(xué)模型程序，完成土壤養(yǎng)分的計(jì)算，結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中并顯示在液晶顯示屏上'
權(quán)利要求
一種基于近紅外光譜的手持式土壤養(yǎng)分快速無(wú)損測(cè)量裝置，其特征在于包括微處理器(1)、液晶顯示屏(3)、光源(4)、近紅外光譜模塊(5)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(7)、電源(8)和Y型光纖(2)；微處理器(1)與近紅外光譜模塊(5)通過(guò)RS232串行接口電路相連；電源(8)分別對(duì)微處理器(1)、液晶顯示屏(3)、光源(4)、近紅外光譜模塊(5)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(7)供電；Y型光纖的末端為光譜采集探頭，另外兩端分別連接光源(4)和近紅外光譜模塊(5)。
2. 如權(quán)利要求
1所述的基于近紅外光譜的手持式土壤養(yǎng)分快速無(wú)損測(cè)量裝置，其特征 在于所述的微處理器(1)接有鍵盤(6)。
專利摘要
本實(shí)用新型公開(kāi)了一種手持式土壤養(yǎng)分快速無(wú)損測(cè)量裝置，包括微處理器、液晶顯示屏、光源、近紅外光譜模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電源和Y型光纖組成；微處理器與近紅外光譜模塊通過(guò)RS232串行接口電路相連；電源分別對(duì)微處理器、液晶顯示屏、光源、近紅外光譜模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器供電；Y型光纖的末端為光譜采集探頭，另外兩端分別連接光源和近紅外光譜模塊。可測(cè)量土壤最主要的養(yǎng)分信息，包括氮含量、磷含量、鉀含量和有機(jī)質(zhì)含量。通過(guò)近紅外光譜模塊和微處理器進(jìn)行光譜的采集和處理，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)大型近紅外光譜儀只能在室內(nèi)使用，不適合田間攜帶的不足，整個(gè)裝置重量不足1kg，便于攜帶，可以滿足田間土壤養(yǎng)分快速測(cè)量需要。
文檔編號(hào)G01N21/35GKCN201503392SQ200920123351
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年6月29日
發(fā)明者何勇, 吳迪, 聶鵬程, 陳麗婷, 陳渝陽(yáng) 申請(qǐng)人:浙江托普儀器有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan