专利名称：作物植被指数测定系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光谱测量技术领域，尤其涉及一种作物植被指数测定系统。
背景技术：
植被长势、营养等信息能够反映在光谱反射率上，利用作物冠层叶片的反射光谱 可以检测作物冠层叶片的叶绿素含量或氮素含量，进而判断作物长势。归一化差值植被指 数(Normalized Difference Vegetation Index,以下简称NDVI)是可见光与近红外两波 段处的反射率归一化比值。NDVI —方面反映植被光合作用的有效辐射吸收情况；另一方面 能够反映作物群体大小、健康程度情况，是目前应用最为广泛的植被指数。
作物冠层的光谱反射率测量仪器，主要包括光学系统和电子系统。目前这些仪器 中，有些采用光学系统与电子系统一体化的设计方式，有些采用通过电缆连接光学系统与 电子系统的分体式设计。 一体化设计的光谱反射率测量仪器便携性能差，研究人员需背负 沉重的仪器在田间进行测量。而通过电缆连接的分体式光谱反射率测量仪器，不仅会使光 电传感器的输出电信号衰减，影响测量结果的可靠性，而且电缆连接的测量仪器不便于田 间的测试操作。因此，现有作物冠层的光谱反射率测量仪器，不能同时满足测量结果可靠且 便于携带的测量需求，在农业生产方面的应用受到了限制。
发明内容
本发明提供一种作物植被指数测定系统，能同时满足测量准确且便于携带的田间
测量需求，实现了同时测量多个作物植被指数的目的。 本发明实施例提供一种作物植被指数测定系统，包括 至少一个传感装置，用于测量作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强 度，并将所述作物冠层反射光的强度和所述作物冠层太阳辐射光的强度，通过无线通信链 路发送给控制装置； 所述控制装置，用于通过所述无线通信链路接收所述传感装置发送的所述作物冠 层反射光的强度和所述作物冠层太阳辐射光的强度，并根据所述作物冠层反射光的强度和 所述作物冠层太阳辐射光的强度，计算所述作物的植被指数；所述传感装置与所述控制装 置组成无线传感网络。 在上述方案基础上，所述传感装置包括光学通道，用于分别采集作物冠层反射光 和作物冠层太阳辐射光；光电转换电路，与所述光学通道连接，用于将所述光学通道采集到 的所述作物冠层反射光转换为反射光电压信号并进行放大处理，将所述光学通道采集到的 所述作物冠层太阳辐射光转换成太阳光电压信号并进行放大处理；无线发射电路，与所述 光电转换电路连接，用于分别将经过放大处理的所述反射光电压信号和所述太阳光电压信 号发送给所述控制装置。 在上述方案基础上，所述光学通道包括第一光学通道、第二光学通道、第三光学通 道和第四光学通道；第一光学通道，用于测量所述作物冠层反射光中红光波段；第二光学通道用于测量所述作物冠层反射光中近红外波段；第三光学通道用于测量作物冠层太阳辐射光中红光波段；第四光学通道用于测量作物冠层太阳辐射光中近红外波段。
本发明作物植被指数测定系统，传感装置测量到作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度后，通过无线通信方式发送将测量结果发送给控制装置。控制装置对测量结果进行计算得出作物的植被指数。控制装置与传感装置通过无线方式短距离通信，控制装置接收到的测量结果可靠性高。使用本发明作物植被指数测定系统对作物植被指数测量时，只需将重量轻的传感装置设置于作物生长的田间，测量作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度；用户不需要携带沉重的仪器在田间操作，即可从位于远端的控制装置中直接获取控制装置计算出的作物植被指数。并且，本发明控制装置可与多个传感装置通信，因此可实现多点同时测量多个作物植被指数的目的。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明作物植被指数测定系统实施例的结构示意图； 图2a为图1中传感装置的结构框图； 图2b为图2a中光学通道结构示意图； 图2c为图2a中光学通道剖面示意图； 图2d为图2a中光电转换电路的电路结构示意图； 图2e为图2a的电路结构示意图； 图2f为图2a所示传感装置的工作流程图； 图3a为图1中控制装置的结构示意图； 图3b为图3a所示控制装置的工作流程图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 以下实施例中以测量作物的NDVI值为例，对本发明作物植被指数测定系统进行说明。本发明采用分体设计方法将采集作物光谱指数的传感装置，与根据传感装置采集到的光谱指数计算作物植被指数的控制装置，设置在不同的地理位置上，并使传感装置和控制装置之间通过无线通信方式传输数据。 图1为本发明作物植被指数测定系统实施例的结构示意图，如图1所示，本实施例包括至少一个传感装置10和控制装置11。其中，图1中传感装置与控制装置组成了星形网络结构，但不仅限于此结构。 传感装置IO用于测量作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，并将作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，通过无线通信方式发送给控制装置；控制装置11用于通过无线通信方式接收传感装置发送的作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，并根据作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，计算作物的植被指数。 具体地，传感装置10可布设于作物冠层的上方，分别测量作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，并将测量结果通过无线通信方式发送给控制装置11。控制装置11通过无线通信方式接收到各传感装置10发送的测量数据后，通过作物冠层作物植被指数计算方法，计算出作物的植被指数。 可分别在传感装置IO和控制装置11中设置无线通信模块，例如，紫峰(Zigbee)通信模块，使传感装置10和控制装置11组成Zigbee无线传感网络。Zigbee无线传感网络的具体拓扑结构可为星形、树状和网状等结构。控制装置11可实现与多个传感装置10的通信。传感装置10和控制装置11可分别视为Zigbee无线传感网络中的节点和协调器，1个Zigbee无线传感网络只能包含1个协调器，但可容纳最多65535个节点。ZigBee协议采用的是全球通用的2. 4GHz的ISM频段，最大传输速率为250Kb/s，适用于数据量较小的传感数据采集与传输。控制装置开始工作后构建网络，随后多个传感装置加入。
本发明作物植被指数测定系统，传感装置测量到作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度后，通过无线通信方式发送将测量结果发送给控制装置。控制装置对测量结果进行计算得出作物的植被指数。控制装置与传感装置通过无线方式短距离通信，控制装置接收到的测量结果可靠性高。使用本发明作物植被指数测定系统对作物植被指数测量时，只需将重量轻的传感装置设置于作物生长的田间，测量作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度；用户不需要携带沉重的仪器在田间操作，即可从位于远端的控制装置中直接获取控制装置计算出的作物植被指数。并且，本发明控制装置可与多个传感装置通信，因此可实现多点同时测量多个作物植被指数的目的。 图2a为图1中传感装置的结构框图，如图2a所示，图1中传感装置10包括光学通道101、光电转换电路102和第一无线通信模块103。 光学通道101用于分别采集作物冠层反射光和作物冠层太阳辐射光；光电转换电路102与光学通道连接，用于将光学通道采集到的作物冠层反射光的强度转换为反射光电压信号并进行放大处理，将光学通道采集到的作物冠层太阳辐射光的强度转换成太阳光电压信号并进行放大处理；第一无线通信模块103与光电转换电路连接，用于分别将经过放大处理的反射光电压信号和太阳光电压信号，通过Zigbee无线通信链路发送给控制装置。其中，传感装置IO通过第一无线通信模块103，与控制装置组成Zigbee无线传感网络。
以下首先对传感装置的光学通道101进行说明 传感装置10中的光学通道101包括四个光学通道，分别为第一光学通道、第二光学通道、第三光学通道和第四光学通道。其中，第一光学通道用于采集作物冠层反射光中红光波段的强度；第二光学通道用于采集所述作物冠层反射光中近红外波段的强度；第三光学通道用于采集作物冠层太阳辐射光中红光波段的强度；第四光学通道用于采集作物冠层太阳辐射光中近红外波段的强度。 其中，反射光电压信号包括经过第一光学通道的反射光红光波段的强度所对应的电压信号，和经过第二光学通道的反射光近红外波段的强度所对应的电压信号；太阳光电
6压信号包括经过第三光学通道的太阳光红光波段的强度所对应的电压信号，和经过第四光学通道的太阳光近红外波段的强度所对应的电压信号。 图2b为图2a中光学通道结构示意图，图2c为图2a中光学通道剖面示意图。如图2b和图2c所示，各光学通道的内部结构基本一致，以第一光学通道为例，第一光学通道包括4个分体的圆筒状部分，且通过螺纹26连接而成。4个分体的圆筒状部分包括在通道内部依次设置的光学窗口 21、滤光片22、凸透镜23和光学探测器24等四个光学元件。各光学元件之间增加了垫圈作为保护，以确保密封性好且易拆卸，有效消除杂散光的影响。红光通道(第一光学通道、第三光学通道)与近红外通道(第二光学通道、第四光学通道)的区别在于滤光片的中心波长与光电探测器的感应材料不同。 为避免太阳光角度对测量结果的影响，第三光学通道和第四光学通道，分别采用平凸式乳白漫反射片作为光学窗口。平凸式乳白漫射片的入射面为凸面，扩大了对太阳光检测的视角，出射面为漫透射平面。第一光学通道的光学窗口采用由K9材料制成的光学光学玻璃平面窗作为光学窗口。因为，K9材料在红光波段的透过率为90X，虽然略低于石英玻璃的93%，但成本比石英玻璃低很多。在近红外1220nm波段左右，K9玻璃的透过率比石英玻璃低很多。因此，第二光学通道的光学窗口的材料为石英玻璃。另外，光学通道的外壁为硬铝材质，通过车床加工而成，重量轻且硬度高。 本发明综合考虑了小麦、玉米、水稻等作物的生长形态，设计了合适的光学视场角，通过凸透镜对相对微弱的作物冠层反射光聚光后再进行光电转换。选取了灵敏度高的PIN型Si光电二极管与InGaAs光电二极管，分别作为红光(第一光学通道、第三光学通道)和近红外光(第二光学通道、第四光学通道)的光电探测器，对光照强度进行测量，进一步提高光学探测部分的灵敏度，保证了测量精度。 本发明实施例针对冬小麦植被指数的测量，红光波段选择了 620nm，近红外波段选择了 1220nm。因此，红光通道采用中心波长为620nm的滤光片，光电探测器为PIN型Si光电二极管，近红外通道采用中心波长为1220nm的滤光片，光电探测器为InGaAs光电二极管。由于不同作物之间，甚至是同一作物不同品种之间，作物反射光谱的敏感波段都有所不同，而不同敏感波段处的反射率以及各光学通道得到的反射光强也有所不同，作物长势的预测模型也将有所差别。为了能针对其他作物或品种获得其灵敏波段的植被指数，提高作物长势的预测精度，可通过更换各光学通道内滤光片的方法来获得不同敏感波段处的植被指数。并且，光学通道螺纹连接的设计也有效地保证了光学元件更换的便捷性，提高了本发明中传感装置的通用性。 以下对传感装置的电路部分进行说明 传感装置10中的光电转换电路102具有一放大电路，该放大电路如图2d所示，图2d为图2a中光电转换电路的电路结构示意图。二极管工作在反向偏置状态，4为偏置电压，前置放大器采用CMOS型零漂移系列的运算放大器0PA333。从光学通道中的光电探测器输出的电流信号非常微弱(微安级)，经R。转化为电压信号后通过放大器进一步放大。微弱的输入信号要求高品质的放大元件，0PA333具有很低的失调电压(2iiV)，能有效提高测量的灵敏度、低偏置电压(最大10yV)、低偏置电流(最大200pA)、超低功耗(静态电流17 ii A) 、3 5V单极性供电等特点，可与第一无线通信模块103共用同一电源调理芯片。反馈电阻&采用可变电阻，可根据各通道信号的强弱调整放大倍数，放大倍数等于R乂R。。
图2e为图2a的电路结构示意图，如图2b、图2d和图2e所示，当使用传感装置测量作物冠层的反射光谱和辐射作物的太阳光时，将传感装置被垂直放置在作物冠层的上方20cm左右处，进入光学通道的光线强度被光学探测器24 (例如，光电二极管)转换成电流信号，先经放电电路放大、再经A/D转换电路转换为电压信号后，经第一无线通信模块103 (采用具有RF射频功能的JN5139芯片)发送至控制装置。传感装置IO的工作过程，具体参见图2f所示，图2f为图2a所示传感装置的工作流程图。传感装置作为测定系统的终端，其特点是可进入休眠模式(作为路由的传感装置不能进入休眠)，休眠模式下的工作电流低至1. 3 i！ A。传感装置具体的工作过程是程序启动初始化后打开定时器，随即进入休眠模式，当时钟溢出时产生中断，确认定时完成后即开始进行数据采集、发送，然后再次打开定时器。可将定时器设置为ls，使传感装置每隔ls传送1组数据至控制装置。
本发明作物植被指数测定系统的传感装置，通过四个光学通道，可同时采集作物冠层反射光红光波段的强度、作物冠层反射光近红外波段的强度、作物冠层太阳辐射光红光波段的强度和作物冠层太阳辐射光近红外波段的强度。且光学通道外壳由4个分体的圆筒状部分通过螺纹连接而成，使得光通道内部的光学元件便于拆卸和更换。采用平凸式乳白漫透射片作为光学窗口作为采集经太阳光的光学窗口，减轻了太阳光角度对测量结果的影响。另外，采用凸透镜对相对微弱的作物冠层反射光聚光，进一步提高光学探测部分的灵敏度，保证了测量精度。传感装置采用低功耗ZigBee作为无线通信模块，在非工作时可处于休眠模式。 图3a为图1中控制装置的结构示意图，如图3a所示，图1中控制装置11包括第二无线通信模块111、显示模块112和计算模块113。 第二无线通信模块111用于接收来自第一无线通信模块的反射光电压信号和太阳光电压信号；反射光电压信号和太阳光电压信号，为传感装置中光学探测器测得的电压值。显示模块112与第一无线通信模块连接用于显示反射光电压信号和太阳光电压信号；计算模块113与第二无线通信模块连接，用于根据反射光电压信号和太阳光电压信号，计算作物的植被指数；显示模块112还与计算模块连接，用于显示作物的植被指数。
在上述方案基础上，控制装置还包括存储模块。存储模块与计算模块连接的，用于存储作物的植被指数；存储模块还与第二通信模块连接，用于存储反射光电压信号和太阳光电压信号。 计算模块113计算作物的植被指数前，需先对标准白板进行标定测量。已知标准白板的NDVI值为O，对白板进行标定可以获得传感装置的光学特性参数k，k反映了传感装置中光学通道的特性，稳定的光学系统中，k应该为一个恒定常数。传感装置中四个光学通道的电压值依次为UJ (作物冠层反射光中红光波段)，U^'(作物冠层反射光中近红外波段)，UK'(作物冠层太阳辐射光中红光波段)，UIK'(作物冠层太阳辐射光中近红外波段)，计算k公式如公式l所示<formula>formula see original document page 8</formula> 作物植被指数NDVI的计算公式如公式2所示<formula>formula see original document page 8</formula>
通过对特定作物特定生长周期的冠层光谱指数测量，可以进一步建立基于NDVI指数值的叶绿素含量C的指数曲线预测方程
C = fleWMW (公式3) 其中Imvi为NDVI植被指数，a，b均为常数，大小因不同作物、不同种类以及不同测量周期等而异，具体数值由标定实验获得。 传感装置快速重复采集20次光学通道的测量值，对20个测量值取平均值后发送给控制装置ll。从而减少了测量结果的随机误差，使测量结果更可靠。控制装置上集成了LCD显示器，除了能显示传感装置中4个光学通道的测量值外，还能实时显示计算后得到的NDVI植被指数及植被营养状态的建议。 具体地，第二无线通信模块111可采用JN5139芯片。可利用JN5139芯片的UART接口 、通用数字I/O 口 ，为控制装置11提供液晶显示设备、键盘、串行设备等外设。另外，还可利用JN5139芯片的Flash闪存，存储由传感装置10采集到的数据。每采集一次数据，四个光学探测器测得的电压值和计算得出的k值、NDVI值连同测量顺序号按一定的格式共同存入Flash中。再通过串口将Flash中的数据上传到计算机。 控制装置是测定系统的协调器，负责组建网络。由于控制装置而时刻准备接收来自传感装置的无线数据，不能进入休眠模式，否则将无法接收到来自传感装置的无线数据。控制装置上电后进入初始化程序，搜索并组建整个网络，然后进入等待中断的空闲模式。在该模式下，控制装置的所有部件都正常上电工作。当有无线数据接收时程序自动转到数据接收子程序，如果是外部键盘产生的中断，程序进行10ms的去抖，判断出中断的来源后，跳转到与其相应的中断处理程序。 控制装置的工作流程，具体参见图3b所示，图3b为图3a所示控制装置的工作流程图，由于中断的数量比较多，图3b中只代表性地绘示了无线数据接收、串口上传数据至计算机、数据保存三个中断处理流程。如图3b所示，控制装置初始化后，进入等待中断状态。当第二无线通信模块(RF射频)接收到传感装置的无线数据时，产生无线数据接收中断，之后依次进行数据接收、数据处理和数据显示存储操作。当接收到通过键盘触发的上传数据中断时，先从Flash中读取数据，再经串口传输至个人计算机。当接收到通过键盘触发的数据保存中断时，对键盘去抖后，将数据存储至Flash中。处理完中断后，控制装置继续进入等特中断状态，等待下一个中断的到来。 本发明作物植被指数测定系统中控制装置，采用低功耗ZigBee作为无线通信模
块，与多个传感装置组成无线传感网络，可同时对分布在不同位置的多个作物进行植被指
数测定。控制装置接收到传感装置发送的测量结果后，通过相应算法直接计算出作物植被
指数，并通过显示模块提供给用户。同时，显示装置还可显示从传感装置处接收到的测量结
果。通过通用输入输出接口连接的键盘，提高了控制装置的可操作性。 本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过
程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序
在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括R0M、 RAM、磁碟或者
光盘等各种可以存储程序代码的介质。 最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然
9可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
一种作物植被指数测定系统，其特征在于，包括至少一个传感装置，用于测量作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，并将所述作物冠层反射光的强度和所述作物冠层太阳辐射光的强度，通过无线通信链路发送给控制装置；所述控制装置，用于通过所述无线通信链路接收所述传感装置发送的所述作物冠层反射光的强度和所述作物冠层太阳辐射光的强度，并根据所述作物冠层反射光的强度和所述作物冠层太阳辐射光的强度，计算所述作物的植被指数。
2. 根据权利要求1所述的作物植被指数测定系统，其特征在于，所述传感装置包括光学通道，用于分别采集作物冠层反射光和作物冠层太阳辐射光；光电转换电路，与所述光学通道连接，用于将所述光学通道采集到的所述作物冠层反射光的强度转换为反射光电压信号并进行放大处理；还用于将所述光学通道采集到的所述作物冠层太阳辐射光的强度转换成太阳光电压信号并进行放大处理；第一无线通信模块，与所述光电转换电路连接，用于分别将经过放大处理的所述反射光电压信号和所述太阳光电压信号，通过所述无线通信链路发送给所述控制装置。
3. 根据权利要求2所述的作物植被指数测定系统，其特征在于，所述控制装置包括第二无线通信模块，用于接收来自所述第一无线通信模块的所述反射光电压信号和所述太阳光电压信号；显示模块，与所述第二无线通信模块连接，用于显示所述反射光电压信号和所述太阳光电压信号；计算模块，与所述第二无线通信模块连接，用于根据所述反射光电压信号和所述太阳光电压信号，计算所述作物的植被指数；所述显示模块，还与所述计算模块连接，用于显示所述作物的植被指数。
4. 根据权利要求3所述的作物植被指数测定系统，其特征在于，多个所述传感装置和所述控制装置通过所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块，组成紫峰无线传感网络。
5. 根据权利要求2所述的作物植被指数测定系统，其特征在于，所述光学通道包括第一光学通道、第二光学通道、第三光学通道和第四光学通道；第一光学通道，用于采集所述作物冠层反射光中红光波段的强度；第二光学通道用于采集所述作物冠层反射光中近红外波段的强度；第三光学通道用于采集作物冠层太阳辐射光中红光波段的强度；第四光学通道用于采集作物冠层太阳辐射光中近红外波段的强度。
6. 根据权利要求5所述的作物植被指数测定系统，其特征在于，所述第一光学通道、所述第二光学通道、所述第三光学通道或所述第四光学通道，由4个分体的圆筒状部分通过螺纹连接而成，包括在通道内部依次设置的光学窗口、滤光片、凸透镜和光学探测器。
7. 根据权利要求5所述的作物植被指数测定系统，其特征在于，所述第一光学通道的光学探测器和所述第三光学通道的光学探测器，分别为PIN型Si光电二极管；所述第二光学通道的光学探测器和所述第四光学通道的光学探测器，分别为InGaAs光电二极管。
8. 根据权利要求5所述的作物植被指数测定系统，其特征在于，所述第三光学通道的光学窗口和所述第四光学通道的光学窗口，分别为平凸式乳白漫反射片；所述第一光学通道的光学窗口的材料为K9材料；所述第二光学通道的光学窗口的材料为石英玻璃。
9. 根据权利要求5所述的作物植被指数测定系统，其特征在于，所述第一光学通道、 所述第二光学通道、所述第三光学通道和所述第四光学通道的滤光片，分别为干涉型滤光 片；所述第一光学通道的滤光片的中心波长和第三光学通道的滤光片的中心波长，分别为 620nm;所述第二光学通道的滤光片的中心波长和所述第四光学通道的滤光片的中心波长， 分别为1220nm。
10. 根据权利要求3所述的作物植被指数测定系统，其特征在于，所述传感装置还包 括与所述计算模块连接的存储模块，用于存储所述作物的植被指数；所述存储模块还与 所述第二通信模块连接，用于存储所述反射光电压信号和所述太阳光电压信号。
全文摘要
本发明提供一种作物植被指数测定系统，包括至少一个传感装置，用于测量作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，并将作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，通过无线通信链路发送给控制装置；控制装置，用于通过无线通信链路接收传感装置发送的作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，并根据作物冠层反射光的强度和作物冠层太阳辐射光的强度，计算作物的植被指数。本发明作物植被指数测定系统，能同时满足测量准确且便于携带的田间测量需求，实现了同时多点测量多个作物植被指数的目的。
文档编号G01N21/25GK101793680SQ201010129740
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者刘刚, 崔笛, 李修华, 李民赞, 汪懋华 申请人:中国农业大学