一種基於紅外光敏對管陣列的低成本高精度株高測量系統的製作方法

2023-05-28 10:56:21 2

本發明涉及一種基於紅外光敏對管陣列的低成本高精度株高測量系統，屬於智能化農業機械領域。

背景技術：

作物長勢信息是獲取作物營養狀況、水分、病蟲草害、生理等信息和按照作物生長狀況對作物進行科學管理的基礎和依據。目前，我國的設施園藝栽培總面積處於世界第一，但我國設施農業的科技和總體發展水平低，設施園藝環境調控水平和荷蘭等農業發達國家相比差距較大，嚴重阻礙了設施農業的高效發展。突出的問題是目前主要依據溫室環境因子進行溫室環境控制，沒有考慮植物生長的狀況和植物生長的實際需要，沒有做到精準管理，造成作物產量不高，運行能耗偏大。按照「優質、高效、節能、低碳、安全」的要求，需解決按照作物生長真實需要進行水肥藥動態控制和一體化管理。株高是作物長勢信息的關鍵指標之一，因此，獲得作物的株高信息是農田自動化管理中非常重要的環節，是實現農業現代化的關鍵技術之一。

株高的人工手動測量雖然準確度高，但費時、費力，已不能滿足現代農業發展的需要。在現有技術中，一些學者利用超聲波傳感器、雷射測距傳感器以及機器視覺對株高的實時監控進行了研究並取得了一定成果。論文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)將超聲波傳感器安裝到商用野藍莓收穫機上對株高的測量進行了研究，結果表明：超聲波傳感器的電壓輸出與株高的手動測量值顯著相關；論文2《Plant height estimation using two sensing systems》(ASAE annual international meeting,2012)融合立體機器視覺和超聲波傳感，對玉米株高進行了研究，然而由於對環境幹擾(如土壤條件、光照強度、冠層形狀及顏色等)的敏感性，限制了機器視覺在生產實踐中的應用。超聲波傳感器和雷射測距傳感器在株高測量中面臨的主要難題是傳感器難於對準作物的主莖部，導致測量精度低。論文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)利用近地雷射掃描技術對玉米植株株高和生物質量進行了測量；論文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)和論文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)分別對大麥和水稻株高進行了研究，測量精度達到釐米級仍不夠高，另外這兩項研究中均採用了價格高的三維雷射掃描儀Riegl VZ-1000，導致株高監控系統價格高。綜上所述，目前對株高實時監測存在價格高、測量精度低、抗幹擾能力弱的缺陷，迫切需要研發低成本、高精度、抗幹擾(尤其是環境光照)能力強的株高實時監測技術和裝置來彌補。

論文6《3YDX-3型菸草打頂抑芽機設計》(農業工程學報，2010)中公開了一種基於光敏對管的菸草株高檢測系統，該系統採用16對光敏對管對菸草株高進行測量，16對光敏對管安裝在距離為200mm的兩個相對支架上，每個支架上安裝8個發射管和8個接收管，按照發射管和接收管交錯排列方式安裝，即發射管—接收管——發射管……接收管方式排列，同一支架上，相鄰兩對管的距離為20mm,其中一個支架上相應位置安裝的發射管與另一個支架相同高度上安裝的接收管對應，該系統的不足之處是：由於同一支架上安裝相鄰兩對管的距離為20mm，導致測量解析度為20mm，測量精度較低。論文7《智能菸草打頂抑芽機控制系統》中公開的菸草高度測量系統，採用將15個集接收和發送為一體的漫發射式紅外光電傳感器，15個傳感器固定安裝在一個豎直支架上成一列「一」字排開，但由於相鄰傳感器間的距離僅為20mm，仍然存在論文6測量精度低的缺陷，另外由於傳感器存在一個較大的反射角，導致一個傳感器的反射信號可能被其他的傳感器接收，從而導致株高測量誤差的增加。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供種基於紅外光敏對管陣列的低成本高精度株高測量系統，以實現快速、在線、實時獲取株高信息，提高智能化，降低成本，提高精度，提升抗外界環境幹擾能力，增加適用範圍，使安裝方便。

為了解決以上技術問題，本發明採用151對對射式紅外光敏對管組成的陣列對株高進行檢測，具體技術方案如下：

一種基於紅外光敏對管陣列的低成本高精度株高測量系統，包括：控制器主機板(4)、傳感器高度調節裝置(5)、外部擴展接口(6)、對管傳感器陣列(7)、存儲器(8)、通信接口(9)、外設接口(10)和電源(11)；其特徵在於還包括：電源(11)、存儲器(8)、通信接口(9)、外設接口(10)均與控制器主機板(4)直接相連；對管傳感器陣列(7)通過外部擴展接口(6)與控制器主機板(4)連接；傳感器高度調節裝置(5)的一端與管傳感器陣列(7)機械連接，另一端與控制器(25)電氣連接。

所述對管傳感器陣列(7)由焊接在電路板A和電路板B上的151對對射式紅外光敏對管組成；所述光敏對管由發射管(1)和接收管(2)配對而成；所述兩塊電路板尺寸大小相同，使用時安裝在作物(3)兩側，電路板A上的發射管(1)與電路板B相應位置的接收管(2)一一相對安裝並保持一條直線；在電路板A和電路板B上分別焊接有10列對管傳感器，相鄰兩列傳感器間距為15mm，第一列安裝有16個傳感器，每相鄰兩個傳感器的間距為20mm，16個傳感器的有效範圍為300mm；從第2列開始，每列傳感器安裝位置依次比前一列低2mm，同一列兩傳感器之間的距離均為20mm；每列或者相鄰兩列傳感器按照發射管-接收管-發射管-接收管……的順序交錯安裝。

所述的外部擴展接口(6)包括解碼器(12)、地址鎖存器(13)和並行接口晶片(14)組成，並行接口晶片(14)通過解碼器(12)與地址鎖存器(13)與控制器(25)連接。

所述外設接口(10)包括電機驅動器(20)、步進電機(21)、顯示器(18)和鍵盤(19)；顯示器(18)和鍵盤(19)分別與控制器(25)直接相連，步進電機(21)通過電機驅動器(20)與控制器(25)連接。

所述通信接口(9)包括無線發送模塊(15)、無線接收模塊(16)和PC機(17)，無線發送模塊(15)與控制器(25)連接，無線接收模塊(16)與PC機(17)連接，PC機(17)和控制器(25)之間通過無線發送模塊(15)和無線接收模塊(16)進行數據及控制命令的無線傳輸。

所述傳感器高度調節裝置(5)由步進電機(21)、滾子(22)、電機驅動器(20)、導軌滑塊機構(24)、鋼絲繩(23)、支架(26)和橫拉杆(27)組成；步進電機(21)和滾子(22)通過減速器相連，三者均固定在支架(26)上，鋼絲繩(23)的一端與滾子(22)連接，另一端連接固定對管傳感器陣列(7)的橫拉杆(27)；橫拉杆(27)的左右兩端分別與導軌滑塊機構(24)的兩滑塊連接；橫拉杆(27)的上端與鋼絲繩(23)連接，下端與對管傳感器陣列(7)連接。

所述步進電機(21)和電機驅動器(20)分別為常州長風電機有限公司生產的86BYGH450C-02型步進電機和CF20611D驅動器。

所述的無線發送模塊(15)和無線接收模塊(16)為深圳捷迅易聯科技有限公司生產的YL-100IL型無線收發模塊。

所述的解碼器(12)和地址鎖存器(13)分別為74LS138解碼器和74LS373地址鎖存器。

所述的並行接口晶片(14)為ATMEL公司生產的8255A晶片。

所述的顯示器(18)為LCD12864液晶顯示器。

所述的鍵盤(19)為4行4列的矩陣式鍵盤。

所述的滾子(22)為直徑為40mm的不鏽鋼滾子，與鋼絲繩的一端連接。

所述的控制器主機板(4)由ATMEL公司生產的控制器AT89S52(4)和相應外圍電路組成。

所述的電磁閥(7)選用6013型直動式電磁閥高速開關電磁閥，一端串聯著噴頭，另一端接對應噴杆區的噴施流量傳感器。

所述的存儲器(8)為ATMEL公司生產的24C64。

所述的對射式紅外光敏對管為深圳恒生光電有限公司生產的FBCB30型對射式紅外光敏對管。

本發明具有有益效果。

(1)本發明在對株高的檢測中，利用光敏對管傳感器對株高進行檢測，而沒有利用機器視覺、超聲波傳感器和雷射測距傳感器的測量方法，既避免了機器視覺方法易受環境因素尤其是光照的影響，又解決了超聲波傳感器和雷射測距傳感器難於對準植株主莖部的最高位置的問題，提高了測量精度和抗幹擾能力，降低了成本。(2)和機器視覺、超聲波傳感器和雷射測距傳感器的測量方法相比，本發明使用的光敏對管傳感器成本大大降低，具有成本低的優點。

附圖說明

圖1為本發明株高測量系統的硬體電路示意圖；

圖2a為本發明紅外光敏對管排列的主視圖；

圖2b為本發明紅外光敏對管排列的A向側視圖；

圖3為本發明株高測量系統的的控制器結構示意圖；

圖4為本發明株高傳感器高度調節裝置示意圖；

圖5為本發明株高測量軟體流程圖；

圖6為本發明株高測量系統試驗結果圖。

其中：1-發射管；2-接收管；3-作物；4-控制器主機板；5-傳感器高度調節裝置；6-外部擴展接口；7-對管傳感器陣列；8-存儲器；9-通信接口；10-外設接口；11-電源；12-解碼器；13-地址鎖存器；14-並行接口晶片；15-無線發送模塊；16-無線接收模塊；17-PC機；18-顯示器；19-鍵盤；20-電機驅動器；21-步進電機；22-滾子；23-鋼絲繩；24-導軌滑塊機構；25-控制器；26-支架；27-橫拉杆。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，對本發明的技術方案做進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明採用的基於紅外光敏對管陣列的低成本高精度株高測量系統包括：控制器主機板4、傳感器高度調節裝置5、外部擴展接口6、對管傳感器陣列7、存儲器8、通信接口9、外設接口10和電源11。電源11、存儲器8、通信接口9、外設接口10與控制器主機板4直接相連；對管傳感器陣列7通過外部擴展接口6與控制器主機板4連接；傳感器高度調節裝置5一端與對管傳感器陣列7機械連接，另一端與控制器主機板25電氣連接；

所述的存儲器8為ATMEL公司生產的24C64，用於對檢測到的株高數據的存儲。

如圖2所示，對管傳感器陣列7由焊接在兩塊電路板上的151對對射式紅外光敏對管組成；光敏對管由發射管1和接收管2配對而成；兩塊電路板尺寸大小相同，使用時安裝在植株3兩側，其中一塊電路板上的發射管1與另外一塊電路板相應位置的接收管2一一相對安裝並保持一條直線；在每一塊電路板上焊接有10列對管傳感器，相鄰兩列傳感器間距為15mm，第一列安裝有16個傳感器，每相鄰兩個傳感器的間距為20mm，16個傳感器的有效範圍為300mm；從第2列開始，每列傳感器安裝位置依次比前一列低2mm，同一列兩傳感器之間的距離均為20mm；每列或者相鄰兩列傳感器按照發射管-接收管-發射管-接收管……的順序交錯安裝；

對射式紅外光敏對管為深圳恒生光電有限公司生產的FBCB30型對射式紅外光敏對管。

如圖3所示，控制器主機板由ATMEL公司生產的控制器AT89S52 4和相應外圍電路組成；

所述的外部擴展接口6包括解碼器12、地址鎖存器13和並行接口晶片14組成，並行接口晶片14通過解碼器12與地址鎖存器13與控制器25連接；

所述的解碼器12和地址鎖存器13分別為74LS138解碼器和74LS373地址鎖存器；

所述的並行接口晶片14為ATMEL公司生產的8255A晶片；

所述的外設接口包括電機驅動器20、步進電機21、顯示器18和鍵盤19；顯示器18和鍵盤19分別與控制器25直接相連，步進電機21通過電機驅動器20與控制器25連接；

所述的步進電機21和電機驅動器20分別為常州長風電機有限公司生產的86BYGH450C-02型步進電機和CF20611D驅動器，二者用於對對管傳感器陣列高度的調節；

所述的顯示器18為LCD12864液晶顯示器；

所述的鍵盤19為4行4列的矩陣式鍵盤；

所述的通信接口包括無線發送模塊15、無線接收模塊16和PC機17，無線發送模塊15與控制器25連接，無線接收模塊16與PC機17連接，PC機17和控制器25之間通過無線發送模塊15和無線接收模塊16進行數據及控制命令的無線傳輸；

所述的無線發送模塊和無線接收模塊為深圳捷迅易聯科技有限公司生產的YL-100IL型無線收發模塊。

如圖4所示，傳感器高度調節裝置由步進電機21、滾子22、電機驅動器20、導軌滑塊機構24、鋼絲繩23、支架26和橫拉杆27組成；步進電機21和滾子22通過減速器相連，三者均固定在支架26上，鋼絲繩23一端與滾子22連接，另一端連接到固定對管傳感器陣列7的橫拉杆27；橫拉杆27的左右兩端分別與導軌滑塊機構24的兩滑塊連接，上端與鋼絲繩23連接，下端與對管傳感器陣列7連接；

所述的滾子22為直徑為40mm的不鏽鋼滾子，固定於支架26上，與鋼絲繩的一端連接；

圖5為株高測量軟體流程圖：首先進行樣本信號採集，根據採集的樣本信號計算當前相對高度hi，將hi上次採集的相對高度hi-1進行比較，若hi>hi-1，則株高H＝hi，否則H＝hi-1。最後判斷hi是否為0，若為0，則結束，否則返回進行下一輪樣本信號的採集。

圖6所示為株高的實際測量值和預測值之間具有良好的線性關係，實驗證明，本發明所涉及的株高測量系統的測量絕對誤差為±4mm。

本發明的工作過程如下：將發明系統掛接在拖拉機或移動平臺，通過傳感器高度調節裝置5調節對管傳感器陣列7的高度位置，使植株最高點在對管傳感器陣列7的300mm的敏感範圍內以適應對不同高度植株的株高測量，啟動拖拉機或移動平臺，使得株高測量系統在拖拉機或移動平臺作用下沿著植株行以一定速度前進，同時開啟控制器主機板4以一定的採樣周期採集株高信息並進行株高計算，獲得的株高顯示在顯示器18上或存儲在存儲器8中，存儲在存儲器8中的數據信息通過無線發送模塊15和無線接收模塊16將株高數據發送到PC機17待進一步分析和記錄，從而實現對株高的實時、快速、在線、準確測量。

最後需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改和等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍內。