專利名稱：一種基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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(dòng)監(jiān)測的近紅外光譜系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
精細(xì)農(nóng)業(yè)除了要求能精確掌握氣候和土壤信息外，需要對(duì)農(nóng)作物生長進(jìn)行實(shí)時(shí)全 方位的監(jiān)控，使之能通過肥料、施藥等栽培管理手段，進(jìn)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(jìn)而達(dá)到提高生產(chǎn)利潤、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)，使農(nóng)業(yè)得以持續(xù)、健 康的發(fā)展。為此，需要對(duì)農(nóng)作物長勢(生長狀況)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并分析產(chǎn)生不良狀況的原 因，以便采取相應(yīng)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(qiáng)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(jìn)行衡量。在不同的時(shí)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(shí)別、葉面積和株高測量、葉片的形態(tài) 識(shí)別、作物營養(yǎng)信息分析四個(gè)方面，而目前對(duì)大棚作物長勢情況實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)主要包括機(jī) 器視覺和光譜技術(shù)。機(jī)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(jì)算機(jī)模擬人的判別準(zhǔn)則進(jìn)行處理，并且加以理解，達(dá)到分析圖像和提取被監(jiān)測 物體特征的目的，最終用于實(shí)際監(jiān)測和控制。作物在營養(yǎng)狀況發(fā)生改變時(shí)，植株的高度、直 立度以及葉片的顏色、紋理會(huì)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(jī)采 集，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，與正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，從而給出監(jiān)測結(jié)果。然而，目前 的機(jī)器視覺技術(shù)在背景識(shí)別研究上并沒有取得很大的進(jìn)展，大部分停留在人為環(huán)境下的實(shí) 驗(yàn)，在實(shí)際作物復(fù)雜背景下，此項(xiàng)技術(shù)還不能滿足實(shí)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(yīng)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(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)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(jìn)，價(jià)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(jī)，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(duì)作物進(jìn) 行實(shí)時(shí)全方位的監(jiān)測。為適應(yīng)精細(xì)農(nóng)業(yè)的實(shí)際需求，研制出我國自己的價(jià)廉物美、簡單實(shí)用、可以應(yīng)用于 小規(guī)模種植作物的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)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)容本實(shí)用新型的目的是提供一種低成本、簡單實(shí)用的基于反射光譜自動(dòng)進(jìn)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)。本實(shí)用新型的基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動(dòng)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(shè)置在軌道槽中，第一絲桿的一端與第一步進(jìn) 電機(jī)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(shè)備箱底部固定，在 設(shè)備箱的上表面固定第二步進(jìn)電機(jī)，第二步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)，第三步進(jìn)電機(jī)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(shè)備箱內(nèi)設(shè)有電源、近紅外光源、光譜儀、工控機(jī)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(jī)的一個(gè)信號(hào)端與光譜儀的輸出端以 及近紅外光源相連，工控機(jī)的另一個(gè)信號(hào)端經(jīng)通訊口與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)相連，工控機(jī)的一個(gè)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(jī)的另一個(gè)輸 出端經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別與第一、第二和第三步進(jìn)電機(jī)相連。在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)里設(shè)定好本自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在水平平面坐標(biāo)x，y上的檢測路線以及 移動(dòng)步長，保證監(jiān)測點(diǎn)能覆蓋作物冠層的整個(gè)平面。攝像頭照射在目標(biāo)檢測點(diǎn)區(qū)域，遠(yuǎn)程計(jì) 算機(jī)向工控機(jī)發(fā)送控制第一和第三步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行信號(hào)，使反射探頭移到設(shè)定路線的檢測 位置，攝像頭從大棚現(xiàn)場向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)傳回圖像信息并在計(jì)算機(jī)上顯示，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)從這 些圖像中提取對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的信息，確定該坐標(biāo)下的目標(biāo)檢測物為作物而不是土壤，然后向工 控機(jī)發(fā)送控制第二步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，推動(dòng)水平橫桿向下移動(dòng)，使反射探頭到達(dá)合 適的檢測位置。接著，遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)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 lOOOnm)出射光，經(jīng)過光纖由反射探頭照射到 目標(biāo)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(duì)光信號(hào) 進(jìn)行分光、轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)通過工控機(jī)發(fā)送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行顯 示、保存并在分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和定性/定量分析。三個(gè)步進(jìn)電機(jī)保證了監(jiān)測 系統(tǒng)可以在三維空間中對(duì)作物區(qū)進(jìn)行任意點(diǎn)檢測。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)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(biāo)(葉面積指數(shù)、水分含量和葉綠 素密度)，實(shí)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(dòng)化水平高，采用攝像頭就能識(shí)別背景 差異很大的土壤和作物，然后結(jié)合反射光譜識(shí)別確定目標(biāo)檢測物和合適的反射探頭檢測高 度，克服了單純采用機(jī)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(zhǔn)確 性與可靠性。

圖1是本實(shí)用新型構(gòu)成示意圖；圖2是第一步進(jìn)電機(jī)連接示意圖；圖中1-軌道，2-攝像頭，3-照明燈，4-第一步進(jìn)電機(jī)，5-第二步進(jìn)電機(jī)，6-第 三步進(jìn)電機(jī)，7設(shè)備箱，8-遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，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(jī)，74-繼電器，75-光纖接口，76-通訊口，77-步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。參照?qǐng)D1、圖2，本實(shí)用新型的基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動(dòng)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(shè)置在軌道 1槽中，第一絲桿10的一端與第一步進(jìn)電機(jī)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(shè)備箱7底部固定，在設(shè)備箱7的上表面固定第二步進(jìn)電機(jī) 5，第二步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)6，第三步進(jìn)電機(jī)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(shè)備箱7內(nèi)設(shè)有電源70、近紅外光源71、光譜儀72、工控機(jī)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(jī)73 的一個(gè)信號(hào)端與光譜儀72的輸出端以及近紅外光源71相連，工控機(jī)73的另一個(gè)信號(hào)端經(jīng) 通訊口 76與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)8相連，工控機(jī)73的一個(gè)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(jī)73的另一個(gè)輸出端經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 77分別與第一、第二和第三步進(jìn)電機(jī)4、5和6相連。工控機(jī)可采用研華公司的UN0-2170工控機(jī)。
權(quán)利要求1. 一種基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動(dòng)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(shè)置在軌道(1)槽 中，第一絲桿(10)的一端與第一步進(jìn)電機(jī)(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(shè)備箱(7)底部固定，在設(shè)備箱(7)的上表面固定第 二步進(jìn)電機(jī)(5)，第二步進(jìn)電機(jī)(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(jìn)電機(jī)(6)，第三步進(jìn)電機(jī)(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(shè)備箱(7)內(nèi)設(shè) 有電源(70)、近紅外光源(71)、光譜儀(72)、工控機(jī)(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(jī)(73)的一個(gè) 信號(hào)端與光譜儀(72)的輸出端以及近紅外光源(71)相連，工控機(jī)(73)的另一個(gè)信號(hào)端經(jīng) 通訊口(76)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(8)相連，工控機(jī)(73)的一個(gè)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(jī)(73)的另一個(gè)輸出端經(jīng) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(77)分別與第一、第二和第三步進(jìn)電機(jī)(4、5、6)相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開的基于反射光譜的大棚作物生長狀況自動(dòng)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(gè)絲桿上分別套有帶螺紋孔的滑塊，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)在三維空間任意點(diǎn)的移動(dòng)。其中在一個(gè)絲桿上設(shè)置攝像頭和反射探頭，另有一個(gè)絲桿上設(shè)置近紅外光源、光譜儀、工控機(jī)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)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(jì)算葉面積指數(shù)、水分含量、葉綠素含量等多種指標(biāo)，從而分析作物的生長狀況，為作物生長管理提供參考。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、自動(dòng)化水平高，實(shí)現(xiàn)了快速、無損、全方位、多指標(biāo)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測作物生長狀況的目的。
文檔編號(hào)G01N21/35GK201780267SQ20102022613
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江大學(xué)