一种太阳光内红、蓝光检测方法及应用系统与流程

本发明涉及一种智能植物种植检测领域，特别涉及一种太阳光内红、蓝光检测方法及应用系统。
背景技术：
：农业是我国重要的支柱产业，但是我国却是一个相对落后的农业大国，农作物种植方法设备简单，农作物的监控管理技术落后等等问题严重影响了我国农业的发展。同时大多数想创业的年轻人更关注的是环境与功能齐全的城市，而离开农村离开农业，这样使农业从业者的素质每况愈下与后继人才日渐匮乏。除了农业从业者的数量减少，农业监控技术方面也由于过去技术发展的限制，导致农业生产中的许多环节的监控智能化、信息平台化还处于比较原始和被动的状态，主要还是依靠人工进行监控和信息交互。植物种植与多方面的因素有关，其中温度、湿度、光照和二氧化碳的浓度对其影响最大。太阳光光照是由许多不同波长的光波所组成，在太阳辐射光谱中只有5%左右的比例是对光合作用产生影响的，其中以波长400～520nm的蓝光以及610～7200nm的红色光对光合作用贡献最大。而现有的技术没有准确的计算太阳光中红、蓝光所占百分比的方法，LED补光系统通常采用固定的红、蓝光光照比不变的模式，未考虑测量时的太阳高度角（太阳高度角与时间、经度、纬度及日期有关），以及温度、湿度和二氧化碳浓度对光合作用的影响，造成了补光不足或补光过剩的现象，甚至造成光拟制和光破坏现象，严重影响植物的正常生长。同时也缺少一套完整且通用性高的植物检测系统来对植物进行实时监测。技术实现要素：本发明的目的是提供一种太阳光内红、蓝光检测方法，所述方法能够计算出不同太阳高度角时太阳光内红、蓝光所占的百分比，另外提供一种太阳光内红、蓝光检测方法的应用系统，该系统能检测温度、湿度、二氧化碳浓度以及太阳光光照强度且通过上位机计算出太阳光内红、蓝光所占的百分比，并设置有显示模块用于数据的显示。为了解决上述技术问题，本发明实施例提提供一种太阳光内红、蓝光检测方法，包括步骤：步骤S1、利用观察法通过实验得到不同太阳高度角下红、蓝光占太阳光的比例；步骤S2、确定波长所占比例与太阳高度角对应关系；步骤S3、利用最小二乘法得到方程组；步骤S4、拟合出红光与蓝光检测模型，并通过选取合适的经验公式求出拟合函数f（x）；步骤S5、代入太阳高度角计算公式，最终确定不同太阳高度角时太阳光内红、蓝光所占的百分比对应关系式。其中，所述步骤S2具体包括：设定太阳高度角为自变量x，红光占太阳光的百分比为因变量f（x），则，其中是事先选定的一组函数，是待定系数（k=1,2,...,m,m<n）。其中，所述步骤S3具体包括：根据最小二乘准则令,为求使J达到最小，只需要利用极值的必要条件得到关于的线性方程组,记，方程组组可表示为，所述方程组称为法方程组，其中，为经验公式，当线性无关时，R列满秩，可逆，于是方程组有唯一解。其中，所述步骤S4具体包括：红光拟合函数采用幂函数形式，蓝光拟合函数采用对数函数形式，根据实验数据中x，y的测量值，做出x，y的散点图，并对比典型曲线图选取合适的经验公式，其中y为红光占太阳光的百分比，x为对应的太阳高度角的值，最后利用拟合曲线f（x）对上述函数进行拟合，得到蓝光对数形式的拟合函数，红光幂函数形式的拟合函数。其中，所述步骤S5具体包括：根据太阳高度角的计算公式，式中:φ是纬度、δ是赤纬(太阳倾角或日偏角)、w是时角，δ变化于±23.5°之间，T为真太阳时间，在要求不严格时可以认为赤纬及时角的计算公式分别为，，将蓝光对数形式的拟合函数和红光幂函数形式的拟合函数分别代入太阳高度角的计算公式得到，红光占太阳光百分比的对应式蓝光占太阳光百分比的对应式。实施本发明实施例，具有如下有益效果：针对现在分波段光强检测仪器存在价格高、难扩展等问题，本发明实施例提出了一种分波段光强快速检测方法，主要检测对绿色植物光合作用影响最大的红、蓝光。通过实验的方式建立了太阳光中红、蓝光光强占太阳总光强的百分比与测量时的太阳高度角的对应函数关系模型，具有较好的通用性和可移植性。本发明实施例还提供了一种太阳光内红、蓝光检测方法的应用系统，包括：微处理器及与微处理器连接的采集模块、通讯模块和液晶显示模块，所述采集模块包括温度采集单元、湿度采集单元、二氧化碳采集单元和光照强度采集单元，还包括与微处理连接并带有通讯接口的上位机，所述上位机利用如权利要求1所述的方法得到不同时间段太阳光内红、蓝光所占的百分比。其中，所述温度采集单元包括温度传感器以及与温度传感器输出端连接的第一AD转换单元，所述第一AD转换单元输出端连接微处理器；所述湿度采集单元包括湿度传感器以及与湿度传感器输出端连接的第二AD转换单元，所述第二AD转换单元输出端连接微处理器；所述二氧化碳采集单元包括二氧化碳传感器以及与二氧化碳传感器输出端连接的第三AD转换单元，所述第三AD转换单元输出端连接微处理器；所述光照强度采集单元包括光照强度传感器以及与光照强度传感器输出端连接的第四AD转换单元，所述第四AD转换单元输出端连接微处理器。实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过温度传感器采集到温度值并经过第一AD转换单元转换成相应的数字信号；通过湿度传感器采集到湿度值并经过第二AD转换单元转换成相应的数字信号；通过二氧化碳传感器采集到二氧化碳值并经过第三AD转换单元转换成相应的数字信号；通过光照强度传感器采集到光照强度值并经过第四AD转换单元转换成相应的数字信号，同时上位机利用所述太阳光内红、蓝光检测方法计算出该太阳高度角时太阳光内红、蓝光所占的百分比并通过通讯模块发送至微处理器，与微处理器连接的显示模块显示当前的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度、红光所占太阳光的百分比以及蓝光所占太阳光的百分比。植物生长受多种因素的影响，其中主要影响为温度、湿度、光照强度与二氧化碳浓度，通过采集上述数据实现了对植物环境的实时监控与管理，同时利用太阳光内红、蓝光检测方法计算出不同太阳高度角时太阳光内红、蓝光所占的百分比，根据计算得到的红、蓝光所占的百分，人工LED补光能通过调节红、蓝光强比做到动态优化调控，从而达到促进植物生长发育的目的。附图说明图1为实施例中太阳光内红、蓝光检测方法的流程图；图2为实施例中红、蓝光所占比例与太阳高度角对应关系的散点图；图3为实施例中蓝光的拟合图；图4为实施例中红光的拟合图；图5为实施例中太阳光内红、蓝光检测方法的应用系统的结构框图。图中：1、微处理器；2、通讯模块；3、液晶显示模块；4、上位机；5、温度采集单元；5.1、第一AD转换单元；5.2、温度传感器；6、湿度采集单元；6.1、第二AD转换单元；6.2、湿度传感器；7、二氧化碳采集单元；7.1、第三AD转换单元；7.2、二氧化碳传感器；8、光照强度采集单元；8.1、第四AD转换单元；8.2、光照强度传感器。具体实施方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明。参考图1，一种太阳光内红、蓝光检测方法，步骤S1、利用观察法通过实验得到不同太阳高度角下红、蓝光占太阳光的比例；具体地，利用手持式光谱辐射计GLSPECTIS5.0TOUCH通过30天对不同太阳高度角的观察并测量，处理后得到了15组太阳高度角对应数据，根据单一性原则，30天的测量均为晴天的测量数据，太阳高度角1°5°10°15°20°25°30°35°红光82.147.636.535.234.132.231.931.1蓝光0.54.27.17.98.59.811.011.4太阳高度角40°45°50°55°60°65°70°红光30.330.229.829.128.326.425.6蓝光11.611.811.912.112.212.813.5步骤S2、确定波长所占比例与太阳高度角对应关系；具体地：最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找函数的最佳函数匹配，利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。设定太阳高度角为自变量x，红光占太阳光的百分比为因变量f（x），则（公式1）其中是事先选定的一组函数，是待定系数（k=1,2,...,m,m<n）。步骤S3、利用最小二乘法得到方程组；具体地：根据最小二乘准则令（公式2）为求使J达到最小，只需要利用极值的必要条件得到关于的线性方程组（公式3）记公式3可表示为（公式4）公式4称为法方程组，其中，为经验公式，当线性无关时，R列满秩，可逆，于是方程组公式4有唯一解（公式5）可以看出，只要f（x）关于待定系数线性，在最小二乘法准则公式2下，得到的公式3也一定是线性的。对数据的选取，首要也是最关键的一步是恰当的选取经验公式。步骤S4、拟合出红光与蓝光检测模型，并通过选取合适的经验公式求出拟合函数f（x）；具体地，根据实验中获得的数据画出红、蓝光占太阳光的比例与太阳高度角对应关系的散点图。参考图2，根据散点图确定红光拟合函数采用幂函数形式，蓝光拟合函数采用对数函数形式。进行函数拟合，输入根据实验数据中x，y的测量值，做出x，y的散点图，并对比典型曲线图选取合适的经验公式，其中y为红光占太阳光的百分比，x为对应的太阳高度角的值，得出拟合函数f（x）。参考图3，为蓝光的拟合结果，且蓝光对数形式的拟合函数为（公式6）。参考图4，为红光的拟合结果，且红光幂函数形式的拟合函数为（公式7）步骤S5、代入太阳高度角计算公式，最终确定不同太阳高度角时太阳光内红、蓝光所占的百分比对应关系式；具体地，通过函数拟合，最终得到了蓝光占太阳光的比例与太阳高度角的对应公式6,以及红光占太阳光的比例与太阳高度角的对应公式7。太阳高度角表示太阳光线和电测点地平线之间的夹角，用h表示，其公式可以表示为：（公式8）式中:φ是纬度、δ是赤纬(太阳倾角或日偏角)、w是时角，δ变化于±23.5°之间，T为真太阳时间，在要求不严格时可以认为赤纬及时角的计算公式分别为（公式9）（公式10）其中T为真太阳时（0-24h），考虑我国时间采用北京时间来进行计算，因此T可以表示为（公式11）式中，h为北京时间的小时数，m为分钟，Ø为测量点经度，当T所得为负数时则加上24小时。将蓝光对数形式的拟合函数和红光幂函数形式的拟合函数分别代入太阳高度角的计算公式得到，红光占太阳光百分比的对应式蓝光占太阳光百分比的对应式。参考图5,一种太阳光内红、蓝光检测方法的应用系统，包括：微处理器1及与微处理器1连接的采集模块、通讯模块2和液晶显示模块3，所述采集模块包括温度采集单元5、湿度采集单元6、二氧化碳采集单元7和光照强度采集单元8，还包括与微处理连接并带有通讯接口的上位机4，所述上位机4利用太阳光内红、蓝光检测方法得到不同时间段太阳光内红、蓝光所占的百分比。其中，温度采集单元5包括温度传感器5.2以及与温度传感器5.2输出端连接的第一AD转换单元5.1，所述第一AD转换单元5.1输出端连接微处理器1；湿度采集单元6包括湿度传感器6.2以及与湿度传感器6.2输出端连接的第二AD转换单元6.1，所述第二AD转换单元6.1输出端连接微处理器1；二氧化碳采集单元7包括二氧化碳传感器7.2以及与二氧化碳传感器7.2输出端连接的第三AD转换单元7.1，所述第三AD转换单元7.1输出端连接微处理器1；光照强度采集单元8包括光照强度传感器8.2以及与光照强度传感器8.2输出端连接的第四AD转换单元8.1，所述第四AD转换单元8.1输出端连接微处理器1。具体地：温度传感器5.2采集到温度值的模拟信号，并经过第一AD转换单元5.1转换成数字信号并传输至微处理器1；湿度传感器6.2采集到湿度值的模拟信号，并经过第二AD转换单元6.1转换成数字信号并传输至微处理器1；二氧化碳传感器7.2采集到二氧化碳浓度值的模拟信号，并经过第三AD转换单元7.1转换成数字信号并传输至微处理器1；光照强度传感器8.2采集到光照强度的模拟信号，并经过第四AD转换单元8.1转换成数字信号并传输至微处理器1；微处理接收到上述采集的信号并液晶显示模块3。上位机4根据太阳高度角，即当前采集点的经度、纬度、时间以及日期，并利用太阳光内红、蓝光检测方法计算出阳光内红、蓝光所占的百分比，上位机4与微处理器1连接并将计算出的红、蓝光所占百分比的值通过通讯模块2传输至微处理器1，上位机4设置有通讯接口，且通过串口通讯的方式进行通讯。微处理器1将接收到的红、蓝光所占百分比的值传输至液晶显示模块3，液晶显示模块3能够显示出当前时间的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度、红光占太阳光的百分比以及蓝光占太阳光的百分比，实现实时监控。同时工作人员能够根据所检测的数据做到动态优化调控，除了基本的温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度值，还提供了太阳光中红、蓝光所占的百分比，使人工LED补光脱离传统的红、蓝光光照比不变的模式,实时的调控使植物更好的生长。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。当前第1页1 2 3