群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及植物監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其包括入射光模塊、反射光模塊、主控芯片、無線通訊模塊和上位機，所述入射光模塊、反射光模塊均與主控芯片連接，所述主控芯片通過無線通訊模塊與上位機連接。本方案通過無線通訊模塊將入射光模塊和反射光模塊所采集的作物信息實時傳送至用戶中心的上位機，用戶可以在設(shè)定的測量時間范圍內(nèi)對植物葉綠素進(jìn)行實時監(jiān)測，功耗低、成本低、響應(yīng)快、精度高，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程大面積田間作物的實時監(jiān)測，為精細(xì)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化提供堅實基礎(chǔ)。
【專利說明】群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及植物監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]葉綠素是綠色植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，是研究植物生長、生理代謝以及營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)，葉綠素含量的檢測技術(shù)的研究在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)與研究等方面有著至關(guān)重要的意義。傳統(tǒng)的分光度法耗時長、破壞葉片、不便于野外測量和連續(xù)測量。目前國內(nèi)外也陸續(xù)研制并推出一系列便攜式葉綠素檢測儀，其中以日本的SPAD502為代表的點測試葉綠素檢測儀得到廣泛應(yīng)用，但該種儀器檢測范圍小，只適用于葉片的局部檢測；而CM1000作為便攜式群體葉綠素檢測儀在區(qū)域面積的植物葉綠素檢測工作中作用顯著，但該儀器為手持式，對于大面積田間實時監(jiān)測可使用性不強，同時儀器造價昂貴，在農(nóng)業(yè)實際發(fā)展中推廣難度大，無法在中國農(nóng)林業(yè)發(fā)展中作為基礎(chǔ)工具進(jìn)行廣泛使用。
實用新型內(nèi)容
[0003](一)要解決的技術(shù)問題
[0004]本實用新型要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有設(shè)備無法實現(xiàn)對大面積田間作物進(jìn)行實時監(jiān)測的問題以及人工操作在實際測量中帶來較大誤差的問題。
[0005](二)技術(shù)方案
[0006]為達(dá)上述目的，本實用新型提供一種群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其包括入射光模塊、反射光模塊、主控芯片、無線通訊模塊和上位機，所述入射光模塊、反射光模塊均與主控芯片連接，所述主控芯片通過無線通訊模塊與上位機連接。
[0007]其中，所述入射光模塊包括依次疊加的第一散光片、第一濾光片、第一光電傳感器，以及依次疊加的第二散光片、第二濾光片、第二光電傳感器；所述反射光模塊包括依次疊加的平凸透鏡、分光鏡，以及過濾所述分光鏡分離出的光線的第三濾光片和第四濾光片，第三濾光片與第三光電傳感器連接，第四濾光片與第四光電傳感器連接；所述第一濾光片和第三濾光片均為320?760nm濾光片,所述第二濾光片和第四濾光片均為780?3000nm濾光片；所述第一光電傳感器、第二光電傳感器、第三光電傳感器和第四光電傳感器分別與主控芯片連接。
[0008]其中，所述第一光電傳感器、第二光電傳感器、第三光電傳感器和第四光電傳感器均為0PT101光電傳感器。
[0009]其中，所述監(jiān)測系統(tǒng)還包括分別與主控芯片連接的時鐘電路、晶振電路、復(fù)位電路、溫濕度傳感器和電源電路。
[0010]其中，所述監(jiān)測系統(tǒng)還包括分別與主控芯片連接的入射光模塊開關(guān)電路和反射光模塊開關(guān)電路。
[0011]其中，所述無線通訊模塊包括與主控芯片的第一串口連接的第一無線通信芯片，與上位機連接的協(xié)調(diào)器以及連接第一無線通信芯片與協(xié)調(diào)器的路由器。[0012]其中，所述監(jiān)測系統(tǒng)還包括RS485總線，所述RS485總線通過主控芯片的第二串口連接主控芯片以及上位機。
[0013]其中，所述時鐘電路包括PCF8563芯片以及SMBUS總線，所述PCF8563芯片通過SMBUS總線與主控芯片連接。
[0014]其中，所述第一無線通信芯片為CC2430芯片。
[0015]其中，所述主控芯片為C8051R)20單片機。
[0016](三)有益效果
[0017]本實用新型采用上述技術(shù)方案提供的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線通訊模塊將由入射光模塊、反射光模塊組成的終端節(jié)點所采集的作物信息實時傳送至用戶中心的上位機，用戶可以在設(shè)定的測量時間范圍內(nèi)對鏡頭視野內(nèi)的植物葉綠素進(jìn)行實時監(jiān)測，功耗低、成本低、響應(yīng)快、精度高，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程大面積田間作物的實時監(jiān)測，為精細(xì)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化提供堅實基礎(chǔ)。本實用新型的方案從實際需求出發(fā)，結(jié)合中國農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，降低開發(fā)成本，保證葉綠素監(jiān)測的精確度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖2是本實用新型的入射光模塊的結(jié)構(gòu)框圖；
[0020]圖3是本實用新型的反射光模塊的結(jié)構(gòu)框圖；
[0021]圖4是本實用新型群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。
[0023]如圖1所示，本實用新型的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)包括入射光模塊、反射光模塊、主控芯片、無線通訊模塊和上位機，入射光模塊、反射光模塊均與主控芯片連接，主控芯片通過無線通訊模塊與上位機連接。入射光模塊、反射光模塊等組成的終端節(jié)點所采集的作物信息發(fā)送到主控芯片，主控芯片是具有數(shù)模轉(zhuǎn)換的芯片，通過主控芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并由無線通訊模塊實時傳送至用戶中心的上位機，用戶可以在設(shè)定的測量時間范圍內(nèi)對植物葉綠素進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程大面積田間作物的實時監(jiān)測，為精細(xì)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化提供堅實基礎(chǔ)。本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)具有功耗低、成本低、響應(yīng)快、精度高的有益效果。
[0024]如圖2和圖3所示，入射光模塊包括依次疊加的第一散光片、第一濾光片、第一光電傳感器，以及依次疊加的第二散光片、第二濾光片、第二光電傳感器。反射光模塊包括依次疊加的平凸透鏡、分光鏡以及用來過濾該分光鏡分離出的光線的第三濾光片和第四濾光片，第三濾光片與第三光電傳感器連接，第四濾光片與第四光電傳感器連接。第一濾光片和第三濾光片均為620nm-760nm濾光片,第二濾光片和第四濾光片均為780nm-3000nm濾光片；第一光電傳感器、第二光電傳感器、第三光電傳感器和第四光電傳感器分別與主控芯片連接。本實施例中，第一光電傳感器、第二光電傳感器、第三光電傳感器和第四光電傳感器均為0PT101光電傳感器。第一濾光片和第三濾光片均為700nm濾光片,第二濾光片和第四濾光片均為830nm濾光片,濾光片是用來選取所需光線波段的光學(xué)器件,700nm濾光片用于選取波長為700nm的光進(jìn)入本監(jiān)測系統(tǒng)，830nm濾光片用于選取波長為830nm的光進(jìn)入本監(jiān)測系統(tǒng)；第一散光片、第二散光片均為聚四氟乙烯散光片，其使光線能夠均勻進(jìn)入入射光模塊。
[0025]入射光模塊的散光片和濾光片米集自然光中波長為700nm和830nm的光經(jīng)第一光電傳感器和第二光電傳感器轉(zhuǎn)換為模擬信號作為入射光信號，反射光模塊的平凸透鏡、分光鏡和濾光片采集監(jiān)測對象表面反射的波長為700nm和830nm的光經(jīng)第三光電傳感器和第四光電傳感器轉(zhuǎn)換為模擬信號作為反射光信號，將該四路光信號輸入到主控芯片中，主控芯片將光模擬信號轉(zhuǎn)換為光數(shù)字信號，由無線通訊模塊傳送到用戶中心的上位機，由上位機軟件根據(jù)該四路光信號計算求得波長為700nm和830nm的光的反射率和吸光度，并將求得的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫供用戶查詢。其中，第一散光片、第一濾光片與植物表面平行，以獲取與測量平面光照一致的入射光信號。使用帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的主控芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號的具有較高的穩(wěn)定性，在傳輸過程中不容易出現(xiàn)失真的問題，提高用戶測量的準(zhǔn)確性。
[0026]群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)的測量原理為:測量與綠色互補的紅光的吸收量來檢測植物綠色程度，紅色光光譜范圍為620nm-760nm (IS020473標(biāo)準(zhǔn)定義)，選擇在該范圍內(nèi)的700nm即可作為吸收光譜參數(shù)；近紅外光的光譜范圍為780nm-3000nm (IS020473標(biāo)準(zhǔn)定義)，葉綠素對其幾乎無吸收，選擇在該范圍內(nèi)的短波光譜830nm作為參比光譜參數(shù)。通過測量700nm和830nm光信號，計算兩種波長光的吸光度值，與標(biāo)準(zhǔn)儀器CM1000測量值進(jìn)行二元回歸，獲得測量函數(shù)，即為本實用新型的綠植測量函數(shù)。
[0027]根據(jù)改進(jìn)的朗伯比爾定律d = y^= 計算光波的吸光度值。
[0028]式中，A為吸光度值，I &為反射光的值，I入為入射光的值，R為反射率。
[0029]分別測量計算獲得700nm與830nm光波的吸光度值，將其與標(biāo)準(zhǔn)儀器CM1000測量值進(jìn)行二?；貧w！Ya^aATOd+bAj^+c
[0030]也可表不為:YCM=a(-1gR700) +b (-1gR830) +c``[0031]因?qū)嶋H測量中存在傳感器差異、增益放大倍數(shù)不同等因素造成的系統(tǒng)誤差，所以測量的反射光與入射光需要經(jīng)過黑箱實驗和白板實驗獲得的函數(shù)進(jìn)行校正，校正公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:其包括入射光模塊、反射光模塊、主控芯片、無線通訊模塊和上位機，所述入射光模塊、反射光模塊均與主控芯片連接，所述主控芯片通過無線通訊模塊與上位機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述入射光模塊包括依次疊加的第一散光片、第一濾光片、第一光電傳感器，以及依次疊加的第二散光片、第二濾光片、第二光電傳感器；所述反射光模塊包括依次疊加的平凸透鏡、分光鏡，以及過濾所述分光鏡分離出的光線的第三濾光片和第四濾光片，第三濾光片與第三光電傳感器連接，第四濾光片與第四光電傳感器連接；所述第一濾光片和第三濾光片均為320?760nm濾光片，所述第二濾光片和第四濾光片均為780?3000nm濾光片；所述第一光電傳感器、第二光電傳感器、第三光電傳感器和第四光電傳感器分別與主控芯片連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述第一光電傳感器、第二光電傳感器、第三光電傳感器和第四光電傳感器均為OPTlOl光電傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述監(jiān)測系統(tǒng)還包括分別與主控芯片連接的時鐘電路、晶振電路、復(fù)位電路、溫濕度傳感器和電源電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述監(jiān)測系統(tǒng)還包括分別與主控芯片連接的入射光模塊開關(guān)電路和反射光模塊開關(guān)電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述無線通訊模塊包括與主控芯片的第一串口連接的第一無線通信芯片，與上位機連接的協(xié)調(diào)器以及連接第一無線通信芯片與協(xié)調(diào)器的路由器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述監(jiān)測系統(tǒng)還包括RS485總線，所述RS485總線通過主控芯片的第二串口連接主控芯片以及上位機。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述時鐘電路包括PCF8563芯片以及SMBUS總線，所述PCF8563芯片通過SMBUS總線與主控芯片連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述第一無線通信芯片為CC2430芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的群體葉綠素實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述主控芯片為C8051R)20單片機。
【文檔編號】G01N21/359GK203502345SQ201320592278
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】黃嵐, 譚文靜, 王忠義, 王永千 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)