一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统的制作方法

本发明涉及一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，属于智能化农业机械领域。

背景技术：

作物长势信息是获取作物营养状况、水分、病虫草害、生理等信息和按照作物生长状况对作物进行科学管理的基础和依据。目前，我国的设施园艺栽培总面积处于世界第一，但我国设施农业的科技和总体发展水平低，设施园艺环境调控水平和荷兰等农业发达国家相比差距较大，严重阻碍了设施农业的高效发展。突出的问题是目前主要依据温室环境因子进行温室环境控制，没有考虑植物生长的状况和植物生长的实际需要，没有做到精准管理，造成作物产量不高，运行能耗偏大。按照“优质、高效、节能、低碳、安全”的要求，需解决按照作物生长真实需要进行水肥药动态控制和一体化管理。株高是作物长势信息的关键指标之一，因此，获得作物的株高信息是农田自动化管理中非常重要的环节，是实现农业现代化的关键技术之一。

株高的人工手动测量虽然准确度高，但费时、费力，已不能满足现代农业发展的需要。在现有技术中，一些学者利用超声波传感器、激光测距传感器以及机器视觉对株高的实时监控进行了研究并取得了一定成果。论文1《Performance evaluation of multiple ground based sensors mounted on a commercial wild blueberry harvester to sense plant height,fruit yield and topographic features in real-time》(Computers and Electronics in Agriculture,2013)将超声波传感器安装到商用野蓝莓收获机上对株高的测量进行了研究，结果表明：超声波传感器的电压输出与株高的手动测量值显著相关；论文2《Plant height estimation using two sensing systems》(ASAE annual international meeting,2012)融合立体机器视觉和超声波传感，对玉米株高进行了研究，然而由于对环境干扰(如土壤条件、光照强度、冠层形状及颜色等)的敏感性，限制了机器视觉在生产实践中的应用。超声波传感器和激光测距传感器在株高测量中面临的主要难题是传感器难于对准作物的主茎部，导致测量精度低。论文3《Terrestrial laser scanning for plant height measurement and biomass estimation of maize》(J].The International Archives of the Photogrammetry,Remote Sensing and Spatial Information Sciences,2011)利用近地激光扫描技术对玉米植株株高和生物质量进行了测量；论文4《Multi-temporal crop surface models derived from terrestrial laser scanning for accurate plant height measurement and biomass estimation of barley》(Proceedings of the Workshop on UAV-basaed Remote Sensing Methods for Monitoring Geographische Arbeiten,2014)和论文5《Multitemporal crop surface models:accurate plant height measurement and biomass estimation with terrestrial laser scanning in paddy rice》(Journal of Applied Remote Sensing,2014)分别对大麦和水稻株高进行了研究，测量精度达到厘米级仍不够高，另外这两项研究中均采用了价格高的三维激光扫描仪Riegl VZ-1000，导致株高监控系统价格高。综上所述，目前对株高实时监测存在价格高、测量精度低、抗干扰能力弱的缺陷，迫切需要研发低成本、高精度、抗干扰(尤其是环境光照)能力强的株高实时监测技术和装置来弥补。

论文6《3YDX-3型烟草打顶抑芽机设计》(农业工程学报，2010)中公开了一种基于光敏对管的烟草株高检测系统，该系统采用16对光敏对管对烟草株高进行测量，16对光敏对管安装在距离为200mm的两个相对支架上，每个支架上安装8个发射管和8个接收管，按照发射管和接收管交错排列方式安装，即发射管—接收管——发射管……接收管方式排列，同一支架上，相邻两对管的距离为20mm,其中一个支架上相应位置安装的发射管与另一个支架相同高度上安装的接收管对应，该系统的不足之处是：由于同一支架上安装相邻两对管的距离为20mm，导致测量分辨率为20mm，测量精度较低。论文7《智能烟草打顶抑芽机控制系统》中公开的烟草高度测量系统，采用将15个集接收和发送为一体的漫发射式红外光电传感器，15个传感器固定安装在一个竖直支架上成一列“一”字排开，但由于相邻传感器间的距离仅为20mm，仍然存在论文6测量精度低的缺陷，另外由于传感器存在一个较大的反射角，导致一个传感器的反射信号可能被其他的传感器接收，从而导致株高测量误差的增加。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，以实现快速、在线、实时获取株高信息，提高智能化，降低成本，提高精度，提升抗外界环境干扰能力，增加适用范围，使安装方便。

为了解决以上技术问题，本发明采用151对对射式红外光敏对管组成的阵列对株高进行检测，具体技术方案如下：

一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，包括：控制器主机板(4)、传感器高度调节装置(5)、外部扩展接口(6)、对管传感器阵列(7)、存储器(8)、通信接口(9)、外设接口(10)和电源(11)；其特征在于还包括：电源(11)、存储器(8)、通信接口(9)、外设接口(10)均与控制器主机板(4)直接相连；对管传感器阵列(7)通过外部扩展接口(6)与控制器主机板(4)连接；传感器高度调节装置(5)的一端与管传感器阵列(7)机械连接，另一端与控制器(25)电气连接。

所述对管传感器阵列(7)由焊接在电路板A和电路板B上的151对对射式红外光敏对管组成；所述光敏对管由发射管(1)和接收管(2)配对而成；所述两块电路板尺寸大小相同，使用时安装在作物(3)两侧，电路板A上的发射管(1)与电路板B相应位置的接收管(2)一一相对安装并保持一条直线；在电路板A和电路板B上分别焊接有10列对管传感器，相邻两列传感器间距为15mm，第一列安装有16个传感器，每相邻两个传感器的间距为20mm，16个传感器的有效范围为300mm；从第2列开始，每列传感器安装位置依次比前一列低2mm，同一列两传感器之间的距离均为20mm；每列或者相邻两列传感器按照发射管-接收管-发射管-接收管……的顺序交错安装。

所述的外部扩展接口(6)包括译码器(12)、地址锁存器(13)和并行接口芯片(14)组成，并行接口芯片(14)通过译码器(12)与地址锁存器(13)与控制器(25)连接。

所述外设接口(10)包括电机驱动器(20)、步进电机(21)、显示器(18)和键盘(19)；显示器(18)和键盘(19)分别与控制器(25)直接相连，步进电机(21)通过电机驱动器(20)与控制器(25)连接。

所述通信接口(9)包括无线发送模块(15)、无线接收模块(16)和PC机(17)，无线发送模块(15)与控制器(25)连接，无线接收模块(16)与PC机(17)连接，PC机(17)和控制器(25)之间通过无线发送模块(15)和无线接收模块(16)进行数据及控制命令的无线传输。

所述传感器高度调节装置(5)由步进电机(21)、滚子(22)、电机驱动器(20)、导轨滑块机构(24)、钢丝绳(23)、支架(26)和横拉杆(27)组成；步进电机(21)和滚子(22)通过减速器相连，三者均固定在支架(26)上，钢丝绳(23)的一端与滚子(22)连接，另一端连接固定对管传感器阵列(7)的横拉杆(27)；横拉杆(27)的左右两端分别与导轨滑块机构(24)的两滑块连接；横拉杆(27)的上端与钢丝绳(23)连接，下端与对管传感器阵列(7)连接。

所述步进电机(21)和电机驱动器(20)分别为常州长风电机有限公司生产的86BYGH450C-02型步进电机和CF20611D驱动器。

所述的无线发送模块(15)和无线接收模块(16)为深圳捷迅易联科技有限公司生产的YL-100IL型无线收发模块。

所述的译码器(12)和地址锁存器(13)分别为74LS138译码器和74LS373地址锁存器。

所述的并行接口芯片(14)为ATMEL公司生产的8255A芯片。

所述的显示器(18)为LCD12864液晶显示器。

所述的键盘(19)为4行4列的矩阵式键盘。

所述的滚子(22)为直径为40mm的不锈钢滚子，与钢丝绳的一端连接。

所述的控制器主机板(4)由ATMEL公司生产的控制器AT89S52(4)和相应外围电路组成。

所述的电磁阀(7)选用6013型直动式电磁阀高速开关电磁阀，一端串联着喷头，另一端接对应喷杆区的喷施流量传感器。

所述的存储器(8)为ATMEL公司生产的24C64。

所述的对射式红外光敏对管为深圳恒生光电有限公司生产的FBCB30型对射式红外光敏对管。

本发明具有有益效果。

(1)本发明在对株高的检测中，利用光敏对管传感器对株高进行检测，而没有利用机器视觉、超声波传感器和激光测距传感器的测量方法，既避免了机器视觉方法易受环境因素尤其是光照的影响，又解决了超声波传感器和激光测距传感器难于对准植株主茎部的最高位置的问题，提高了测量精度和抗干扰能力，降低了成本。(2)和机器视觉、超声波传感器和激光测距传感器的测量方法相比，本发明使用的光敏对管传感器成本大大降低，具有成本低的优点。

附图说明

图1为本发明株高测量系统的硬件电路示意图；

图2a为本发明红外光敏对管排列的主视图；

图2b为本发明红外光敏对管排列的A向侧视图；

图3为本发明株高测量系统的的控制器结构示意图；

图4为本发明株高传感器高度调节装置示意图；

图5为本发明株高测量软件流程图；

图6为本发明株高测量系统试验结果图。

其中：1-发射管；2-接收管；3-作物；4-控制器主机板；5-传感器高度调节装置；6-外部扩展接口；7-对管传感器阵列；8-存储器；9-通信接口；10-外设接口；11-电源；12-译码器；13-地址锁存器；14-并行接口芯片；15-无线发送模块；16-无线接收模块；17-PC机；18-显示器；19-键盘；20-电机驱动器；21-步进电机；22-滚子；23-钢丝绳；24-导轨滑块机构；25-控制器；26-支架；27-横拉杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图1所示，本发明采用的基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统包括：控制器主机板4、传感器高度调节装置5、外部扩展接口6、对管传感器阵列7、存储器8、通信接口9、外设接口10和电源11。电源11、存储器8、通信接口9、外设接口10与控制器主机板4直接相连；对管传感器阵列7通过外部扩展接口6与控制器主机板4连接；传感器高度调节装置5一端与对管传感器阵列7机械连接，另一端与控制器主机板25电气连接；

所述的存储器8为ATMEL公司生产的24C64，用于对检测到的株高数据的存储。

如图2所示，对管传感器阵列7由焊接在两块电路板上的151对对射式红外光敏对管组成；光敏对管由发射管1和接收管2配对而成；两块电路板尺寸大小相同，使用时安装在植株3两侧，其中一块电路板上的发射管1与另外一块电路板相应位置的接收管2一一相对安装并保持一条直线；在每一块电路板上焊接有10列对管传感器，相邻两列传感器间距为15mm，第一列安装有16个传感器，每相邻两个传感器的间距为20mm，16个传感器的有效范围为300mm；从第2列开始，每列传感器安装位置依次比前一列低2mm，同一列两传感器之间的距离均为20mm；每列或者相邻两列传感器按照发射管-接收管-发射管-接收管……的顺序交错安装；

对射式红外光敏对管为深圳恒生光电有限公司生产的FBCB30型对射式红外光敏对管。

如图3所示，控制器主机板由ATMEL公司生产的控制器AT89S52 4和相应外围电路组成；

所述的外部扩展接口6包括译码器12、地址锁存器13和并行接口芯片14组成，并行接口芯片14通过译码器12与地址锁存器13与控制器25连接；

所述的译码器12和地址锁存器13分别为74LS138译码器和74LS373地址锁存器；

所述的并行接口芯片14为ATMEL公司生产的8255A芯片；

所述的外设接口包括电机驱动器20、步进电机21、显示器18和键盘19；显示器18和键盘19分别与控制器25直接相连，步进电机21通过电机驱动器20与控制器25连接；

所述的步进电机21和电机驱动器20分别为常州长风电机有限公司生产的86BYGH450C-02型步进电机和CF20611D驱动器，二者用于对对管传感器阵列高度的调节；

所述的显示器18为LCD12864液晶显示器；

所述的键盘19为4行4列的矩阵式键盘；

所述的通信接口包括无线发送模块15、无线接收模块16和PC机17，无线发送模块15与控制器25连接，无线接收模块16与PC机17连接，PC机17和控制器25之间通过无线发送模块15和无线接收模块16进行数据及控制命令的无线传输；

所述的无线发送模块和无线接收模块为深圳捷迅易联科技有限公司生产的YL-100IL型无线收发模块。

如图4所示，传感器高度调节装置由步进电机21、滚子22、电机驱动器20、导轨滑块机构24、钢丝绳23、支架26和横拉杆27组成；步进电机21和滚子22通过减速器相连，三者均固定在支架26上，钢丝绳23一端与滚子22连接，另一端连接到固定对管传感器阵列7的横拉杆27；横拉杆27的左右两端分别与导轨滑块机构24的两滑块连接，上端与钢丝绳23连接，下端与对管传感器阵列7连接；

所述的滚子22为直径为40mm的不锈钢滚子，固定于支架26上，与钢丝绳的一端连接；

图5为株高测量软件流程图：首先进行样本信号采集，根据采集的样本信号计算当前相对高度h_i，将h_i上次采集的相对高度h_i-1进行比较，若h_i>h_i-1，则株高H＝h_i，否则H＝h_i-1。最后判断h_i是否为0，若为0，则结束，否则返回进行下一轮样本信号的采集。

图6所示为株高的实际测量值和预测值之间具有良好的线性关系，实验证明，本发明所涉及的株高测量系统的测量绝对误差为±4mm。

本发明的工作过程如下：将发明系统挂接在拖拉机或移动平台，通过传感器高度调节装置5调节对管传感器阵列7的高度位置，使植株最高点在对管传感器阵列7的300mm的敏感范围内以适应对不同高度植株的株高测量，启动拖拉机或移动平台，使得株高测量系统在拖拉机或移动平台作用下沿着植株行以一定速度前进，同时开启控制器主机板4以一定的采样周期采集株高信息并进行株高计算，获得的株高显示在显示器18上或存储在存储器8中，存储在存储器8中的数据信息通过无线发送模块15和无线接收模块16将株高数据发送到PC机17待进一步分析和记录，从而实现对株高的实时、快速、在线、准确测量。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。