溫室智能裝備系列之十一 近地光譜技術(shù)在溫室生產(chǎn)中的應(yīng)用

馬 偉 王 秀 毛益進

◇研究背景

溫室生產(chǎn)過程中的作物長勢監(jiān)測是作物生長管理的重要依據(jù)?？茖W(xué)地獲取第一手的溫室作物長勢數(shù)據(jù)、植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度等信息，能夠為精準水、肥管理提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此也一直是溫室園藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)關(guān)注的熱點問題。目前，應(yīng)用比較廣泛的是對植被指數(shù)的監(jiān)測，包括LAI和NDVI。LAI是指葉面積指數(shù)(Leaf Area Index)，又叫葉面積系數(shù)，是一塊農(nóng)田上作物葉片的總面積與占地面積的比值。即葉面積指數(shù)=綠葉總面積／占地面積。葉面積指數(shù)是反映作物群體大小的動態(tài)指標。在一定的范圍內(nèi)，作物的產(chǎn)量隨葉面積指數(shù)的增大而提高。當葉面積超過一定的限度后，田間通風不好，光照不足，光合效率減弱，產(chǎn)量反而下降。NDVI是指歸一化植被指數(shù)(NormalIzed Difference Vegetation Index)，利用兩個波段反射率進行計算得出，是反映農(nóng)作物長勢和營養(yǎng)信息的重要參數(shù)之一，根據(jù)該參數(shù)可以獲得不同季節(jié)的農(nóng)作物對氮的需求量，對合理施用氨肥具有一定的指導(dǎo)作用。植被指數(shù)在作物生產(chǎn)決策中得到廣泛應(yīng)用。美國俄克拉荷馬州立大學(xué)在2002年推出了GreenSeeker光傳感器實時變量施肥機系統(tǒng)，這種系統(tǒng)根據(jù)植物光譜理論實時計算出作物的生長條件和營養(yǎng)狀況。楊瑋等(2007)通過采用NDVI指數(shù)和氮肥優(yōu)化算法，采用變量施肥技術(shù)實現(xiàn)作物長勢趨于平衡。臺灣大學(xué)林慧美等對在溫室環(huán)境下相關(guān)植被指數(shù)的獲取和應(yīng)用進行了系統(tǒng)的論述，并將相關(guān)植被指數(shù)應(yīng)用于溫室灌溉水量的分級中。溫室精準管理中植物長勢監(jiān)測是一個重要的環(huán)節(jié)，獲得的植被指數(shù)數(shù)據(jù)可以在作物歷史數(shù)據(jù)庫保存查詢，有非常重要的價值。

◇地物光譜儀

溫室環(huán)境下，植物長勢NDVI數(shù)值的測量如果采用地物光譜儀進行測量，該測量方法存在視場角較小、對日光照明條件有較高要求的限制，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量較大、價值昂貴、操作困難，所以進行大面積推廣應(yīng)用有諸多困難。因此，在溫室實際生產(chǎn)中需要開發(fā)小巧便攜式的NDVI測量儀，以便非常方便地對作物長勢進行精確測定。

◇基于自然光測量的便攜NDVI測量儀

GreenSeeker手持式NDVI測量儀利用自然太陽光源能夠非常方便地由一個人測量、記錄NDVI數(shù)值。該測量儀可對單個的測量點進行測量，測量時可通過將測量數(shù)值和對應(yīng)的編號保存在系統(tǒng)自帶的掌上電腦中，也可通過掌上電腦實時地讀取相關(guān)的植被指數(shù)值。圖1為在溫室環(huán)境下使用手持式NDVI測量儀，圖2為NDVI掌上電腦。

由于國外引進的儀器價格昂貴不利于推廣應(yīng)用，因此自主開發(fā)了一種基于ARM單片機芯片的小型NDVI測量儀，該測量儀可以在測量作物長勢的同時，將測量點的坐標等外界傳感器參數(shù)同時記錄到測量系統(tǒng)的USB移動存儲器中，測量完成后只需將記錄數(shù)據(jù)的USB存儲器拔下，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)的推薦施肥系統(tǒng)軟件中，即可利用該測定數(shù)據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)的推薦施肥使用。

◇系統(tǒng)原理

利用太陽光照射，測試儀內(nèi)14個光傳感器，分別是1是紅光入射光傳感器，2是紅光植被反射光傳感器，3是紅外入射光傳感器，4是紅外植被反射光傳盛器。以ARM7為微控制器，配置相應(yīng)的接口電路完成傳感器信號采集、USB盤實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、CAN總線數(shù)據(jù)通信、檢測信號顯示。傳感器信號采集部分包括特殊光譜響應(yīng)特性的光電傳感器、光學(xué)系統(tǒng)。NDVI測試儀硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

特殊光譜響應(yīng)的光電傳感器由窄帶干涉濾光片、硅光電二極管及其適配放大器等組成。窄帶干涉濾光片只允許中心波長附近通帶內(nèi)的光通過，4個窄帶干涉濾光片分為兩組，每組為特性相同的兩濾光片，它們的中心波長分別位于植被光譜反射率曲線斜率最大處兩邊的近紅外(0.77μm～0.86μm)和紅光(0.62μm～0.68μm)波段，紅光波段為植被葉綠體峰值吸收區(qū)域，干涉濾光片的帶寬應(yīng)保證在通帶內(nèi)光譜反射率沒有明顯變化，以保證NDVI的測量精度。4個硅光電二極管與4個窄帶干涉濾光片組成兩組光電傳感器，分別用于近紅外和紅光兩特征波長處入射光和植被的反射光的探測，硅光電二極管在近紅外和紅光特征波長處具有較高的光譜靈敏度，其光敏面尺寸要保證在不同的日光照射條件下有足夠大信號輸出和線性度。用于入射日光信號探測的兩個光電傳感器安裝在測試儀的上方，用于植被反射光探測的兩個光電傳感器安裝在儀器的下方面向植被。

ARM7微控制器的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)采集、控制、顯示。系統(tǒng)設(shè)有5個按鍵，這些按鍵分別用來控制本裝置的供電，復(fù)位微處理器，測量目標作物，儲器數(shù)據(jù)保存到U盤中。其中，AVD轉(zhuǎn)換器的輸入端連接放大電路輸出的4個信號，經(jīng)過AVD轉(zhuǎn)換后，通過數(shù)據(jù)線輸出到微控制器上，4個通道采集到的傳感器的值傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M行運算后在液晶上顯示出歸一化植被指數(shù)值。

主控單元用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、外設(shè)控制。涉及的外設(shè)包括CAN總線控制器、USB盤模塊、串口、AD?？紤]到測量系統(tǒng)的升級方便性、成本的總體價格、功耗、緊湊性，在設(shè)計中選用具有ARM7內(nèi)核的LPC2119作為微控制器。

◇結(jié)構(gòu)描述

ARM7是一個通用的32位微處理器，具有高性能和低功耗的特點。其結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計算機(RISC)原理而設(shè)計的。指令集和相關(guān)的譯碼機制比復(fù)雜指令集計算機要簡單得多。因此使用一個微型、廉價的處理器核即可實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng)。由于使用了流水線技術(shù)，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。通常在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行譯碼，并將第3條指令從存儲器中取出。該處理器使用了一個被稱為THUMB的獨特的結(jié)構(gòu)化策略，非常適用于對存儲器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用。在THUMB后面一個關(guān)鍵的概念是“超精簡指令集”。具有標準32位ARM和16位THUMB兩個指令集，THUMB指令集的16位指令長度使其可以達到標準ARM代碼兩倍的密度，卻仍然保持ARM的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢是使用16位寄存器的16位處理器所不具有的。

◇電源電路

LPC2119要使用兩組電源，I/O口供電電源為3.3V，內(nèi)核及片外外設(shè)供電電源為1.8V，所以系統(tǒng)設(shè)計為3.3V應(yīng)用系統(tǒng)。首先，輸入12V直流電源，然后通過LM7805將電源穩(wěn)壓至5V，再使用LD0芯片(低壓差電源芯片)穩(wěn)壓輸出3.3V及1.8V電壓。LDO芯片采用了LM117MPX-18和LM117MPX-3.3，其特點為輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。LM117系列LDO芯片輸出電流可達800mA，輸出電壓精度±1％以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護功能。使用時，其輸出端需要鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

◇時鐘電路

LPC2119可使用外部晶振或外部時鐘源，內(nèi)部PLL電路可調(diào)整系統(tǒng)時

鐘，使系統(tǒng)運行速度更快(CPU最大操作時鐘為60MHz)。如不使用片內(nèi)PLL功能及ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍是1MHz～30MHz，外部時鐘頻率范圍是1MHz～50 MHz；若使用了片內(nèi)PLL功能及ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍是10MHz～25MHz，外部時鐘頻率范圍是10MHz～25MHz，該測試儀采用片內(nèi)PLL功能及ISP下載功能，使用的外部晶振頻率為11.059MHz。時鐘電路如圖4所示。

◇復(fù)位電路

考慮到溫室的濕熱環(huán)境，以及ARM的芯片高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。因此，復(fù)位電路使用了專用微處理器電源監(jiān)控芯片MA×708SD，提高系統(tǒng)的可靠性。由于在進行JTAG調(diào)試時，nRST、nTRST是可由JTAG仿真器控制復(fù)位的，所以使用了三態(tài)緩沖門74HC125進行驅(qū)動。信號nRST連接到LPC2119芯片的復(fù)位腳，信號nTRST連接到LPC2119芯片內(nèi)部JTAG接口電路復(fù)位腳。當復(fù)位按鍵RST按下時，MAX708SD立即輸出復(fù)位信號，其引腳RST輸出低電平導(dǎo)致74HC125D導(dǎo)通，信號nRST、nTRST將輸出低電平使系統(tǒng)復(fù)位。平時MAX708SD的RST輸出高電平，系統(tǒng)可正常運行或JTAG仿真調(diào)試。

◇液晶顯示電路

推廣應(yīng)用時的實際情況要求設(shè)備必須有簡單的漢字界面顯示。該測試儀的液晶顯示模塊是帶漢字字庫的圖形點陣液晶顯示模塊，內(nèi)含ST7920驅(qū)動控制器，8000多國標一、二級簡體字庫，編碼調(diào)用漢字字符，可圖文混排，并提供串行／并行兩用接口。電源操作范圍寬(2.7V～5.5V)，低功耗設(shè)計滿足產(chǎn)品的省電要求。同時，與單片機等微控制器的接口界面靈活。液晶顯示電路用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。VDD可為3V或為5V，根據(jù)所使用的液晶進行選擇，VO、VR兩端外接一電阻，用于亮度調(diào)節(jié)。D2用于分壓，保證液晶進行背光時工作在4.0V～4.4V，起到保護液晶的作用。

◇U盤存儲電路

溫室環(huán)境的實際生產(chǎn)中U盤比較普及，普通用于容易接受這種存儲方式。易于采購和攜帶，具有多種容量可供選用，而且攜帶方便、存儲量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失、即插即用。采用U盤存儲數(shù)據(jù)，可廣泛應(yīng)用到需要與計算機不定期交互數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，解決了掌上電腦或其他較笨重的設(shè)備帶到溫室進行數(shù)據(jù)更新和采集的麻煩，具有良好的實用價值。U盤存儲電路用于實現(xiàn)RAM中的數(shù)據(jù)按照海量存儲協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式存儲到U盤中，電路采用U盤模塊來完成。U盤模塊上面集成了一個單片機和USB控制器芯片和少量的外部元件。其中USB芯片已經(jīng)集成了海量存儲協(xié)議，單片機內(nèi)部集成了USB功能軟件與底層軟件。LPC2119控制器通過串口與U盤模塊連接。U盤模塊的參數(shù)配置通過配置線與計算機通過USB口完成。便攜式NDVI測試儀如圖5所示。

儀器用于測量紅光和紅外光特征波長處入射光信號的傳感器，使用時垂直向上。為了減小日光入射角對信號幅度造成的影響，傳感器前設(shè)有毛玻璃或乳白玻璃的漫射體，漫射體下方是相應(yīng)波長的窄帶干涉濾光片和硅光電二極管。而用于測量紅光和紅外光特征波長處植被反射光信號的傳感器。使用時垂直向下，在最下方是相應(yīng)波長的窄帶干涉濾光片，它的上面為接收物鏡，使所要求的探測范圍，在離植被一定距離處成像在物鏡上方的硅光電二極管光敏面上。

◇應(yīng)用

溫室生產(chǎn)中的水肥管理可以參照相關(guān)的植被指數(shù)，NDVI歸一化指數(shù)測量儀在使用過程中存在一定的限制和誤差。針對蔬菜甘藍灌溉水分試驗研究后，林慧美等指出，NDVI數(shù)值在苗期的前20天是非常準確的反映相關(guān)的水分情況，但葉片不斷長大后因為植被覆蓋率超過一定程度就無法準確判別，應(yīng)和LAI指數(shù)結(jié)合使用。天氣干熱引起的葉子萎縮也可能影響測量值的實際精度。由于受株高等的限制，手持NDVI測試儀適合矮株型作物使用，也可以廣泛應(yīng)用于工廠化育苗的幼苗期。

光譜技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)遙感中得到廣泛應(yīng)用，在大面積農(nóng)田監(jiān)測中發(fā)揮了明顯的優(yōu)勢。由于溫室生產(chǎn)具有室內(nèi)、密閉的特點，在作物長勢監(jiān)測中除采用莖、果生長膨大傳感器外，手持近地光譜設(shè)備由于實時性高、速度快、價格低，能夠有效滿足植株長勢檢測需要，在溫室生產(chǎn)精準管理中發(fā)揮重要作用。