基于多波段可见光-近红外光谱土壤有机质检测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于多波段可见光

【技术实现步骤摘要】
基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置与方法


[0001]本专利技术属于农业
，具体涉及一种基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置与方法。

技术介绍

[0002]土壤是在农业生产当中的基础，而土壤里面的有机质含量更是表征土壤肥力的一项重要的指标。土壤有机质含量直接影响作物的生长状况与产量，对土壤结构和保水保肥能力也有着重要意义。
[0003]传统的土壤有机质含量检测使用化学方法：使用标准酸滴定由干烧法(高温电炉灼烧)或湿烧法(重铬酸钾氧化)放出的CO2、使用标准硫酸亚铁溶液滴定过量硫酸条件下剩余氧化剂重铬酸钾或者直接计算高温灼烧后有机质失去的重量。该类方法精度高但操作复杂测试周期长，在实际农业生产中难以展开，仅适用于科研领域，其结果可作为本快速检验装置的检验真值。
[0004]智慧农业借助物联网对不同的农业生产对象实施精准化操作，通过传感设备检测环境的物理参数，对土壤、大气、水等生产环境状况进行实时动态监控，使之符合农业生产环境标准，大大改善了农产品品质，保障农产品符合消费者需求，实现了供给与需求的有效对接。对土壤有机质含量的快速检测是实现农业生产精细化的关键，是智慧农业进一步发展的基础。
[0005]近红外光谱分析法利用有机物质在近红外光谱区的相关特性去快速分析估算这种有机物质，通过样本测得的反射率通过朗伯比尔定律得到吸光度，再将吸光度和样本的成分含量进行相关性分析，并且建立相对应的预测模型，可以通过所寻找到的最优的预测模型根据测得吸光度大小实时的预测出对应的成分多少。该方法测试周期短，操作简单，也没有破坏性。在实际农业生产中，土壤采样和检测设备对智能化、便携性、易操作性有较高要求。因此，本专利技术将基于可见
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近红外光谱分析法，以物联网技术为支持，提出一种便携且易操作的土壤有机质含量快速检测方法与装置，为检测土壤有机质含量、检验智慧农业实施效果提供有力的技术支撑。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种通过所获取的土壤可见
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近红外光谱信息，快速获取土壤有机质含量的便携式土壤有机质含量检测装置和方法。
[0007]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置，包括：
[0009]电源与驱动单元，包括锂电池和恒流模块；所述锂电池用于为整个装置提供电量；所述恒流模块与锂电池通过导线相连，为光学单元提供恒定电流以支持其长时间稳定工作；
[0010]光学单元，包括光源阵列和光电探测器；所述光源阵列由若干个不同波段的LED光源组合而成，用于向土壤发出预设波长的光线并透过光学玻璃镜片在土壤表面形成漫反射或/和散射；所述光电传感器用于收集土壤反射的光信号并转换成电信号，并将电信号发送至信号处理单元；所述光学玻璃镜片为蓝宝石玻璃镜片，用于保护装置的光学单元，并在测试过程中使土壤样本表面光滑平整；
[0011]信号处理单元，包括电流
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电压信号转换电路、放大电路、滤波电路以及模拟
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数字信号转换电路；
[0012]微处理器用于控制光源阵列的发光并接收经信号处理单元处理后的信号，并通过内置控制软件中构建的土壤有机质含量估算模型得到土壤有机质含量，同时将土壤有机质含量结果显示在显示屏上。
[0013]作为优选，所述光源阵列包括七个环绕光电传感器周向设置的LED光源。
[0014]进一步的，第一LED光源发出光线的预设波长为450nm，第二LED光源发出光线的预设波长为520nm，第三LED光源发出光线的预设波长为680nm，第四LED光源发出光线的预设波长为780nm，第五LED光源发出光线的预设波长为808nm，第六LED光源发出光线的预设波长为970nm，第七LED光源发出光线的预设波长为1030nm。
[0015]进一步的，所述LED光源焊接于能辅助散热的铝基板上。
[0016]作为优选，所述电源与驱动单元、光学单元、信号处理单元和微处理器均置于由外壳后盖和外壳前盖组成的密封中空壳体中。
[0017]作为优选，所述电流
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电压信号转换电路用于将光电传感器检测到的电流信号转换成电压信号，并发送至放大电路；所述放大电路用于将电压信号进行放大得到第一信号，并发送至滤波电路；所述滤波电路用于将第一信号进行滤波得到第二信号，并发送至模拟
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数字信号转换电路；所述模拟
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数字信号转换电路用于将第二信号转换成处理后的数字信号，并将处理后的数字信号发送至微处理器。
[0018]作为优选，所述微处理器采用的是装载显示屏的RaspberryPi，并配有基于python开发的控制软件。
[0019]作为优选，所述锂电池工作电压为+5V。
[0020]第二方面，本专利技术提供了一种利用第一方面任一所述基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置的土壤有机质检测方法，具体如下：
[0021]S01，利用所述土壤有机质检测装置测量不点亮LED光源情况下的环境光对应的电压值V
dark
和不同波段光照下标准白板反射光对应电压值V
ref
；
[0022]S02，依次测量不同波段光照下土壤样本的反射电压V
i
，并根据如下公式(1)计算在第i个LED光源照射下土壤的反射率x
i
：
[0023][0024]S03，将步骤S02所得土壤样本的不同波段的光谱反射率作为输入，预测的土壤样本有机质含量y作为输出，利用偏最小二乘法建立所述土壤有机质含量估算模型，模型如下公式(2)所示：
[0025]y＝81.762862+(23.966288*x1)+(
‑
34.746285*x2)+(
‑
40.477200*x3)+(
‑
42.893552*
[0026]x4)+(
‑
3.712786*x5)+(22.208079*x6)+(25.858397*x7)(2)；
[0027]随后将所得土壤有机质含量估算模型置于控制软件中；
[0028]实际使用时，将所述土壤有机质检测装置紧扣于待测土壤上，使光学玻璃镜片直接接触待测土壤，光学单元、待测土壤、光学玻璃镜片与装置外壳形成暗室结构，防止外界光线干扰测试；另一方面通过紧扣至土壤样本该行为能够保证土壤表面平整光滑，降低测量误差；微处理器通过控制光源阵列的发光并接收经信号处理单元处理后的信号，通过内置控制软件中构建的土壤有机质含量估算模型得到土壤有机质含量，同时将土壤有机质含量结果显示在显示屏上。
[0029]作为优选，所述参数i的范围满足1≤i≤7。
[0030]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置，其特征在于，包括：电源与驱动单元(6)，包括锂电池和恒流模块；所述锂电池用于为整个装置提供电量；所述恒流模块与锂电池通过导线相连，为光学单元(5)提供恒定电流以支持其长时间稳定工作；光学单元(5)，包括光源阵列和光电探测器；所述光源阵列由若干个不同波段的LED光源组合而成，用于向土壤发出预设波长的光线并透过光学玻璃镜片(8)在土壤表面形成漫反射或/和散射；所述光电传感器(16)用于收集土壤反射的光信号并转换成电信号，并将电信号发送至信号处理单元(3)；所述光学玻璃镜片(8)为蓝宝石玻璃镜片，用于保护装置的光学单元(5)，并在测试过程中使土壤样本表面光滑平整；信号处理单元(3)，包括电流
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电压信号转换电路、放大电路、滤波电路以及模拟
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数字信号转换电路；微处理器(2)用于控制光源阵列的发光并接收经信号处理单元(3)处理后的信号，并通过内置控制软件中构建的土壤有机质含量估算模型得到土壤有机质含量，同时将土壤有机质含量结果显示在显示屏(7)上。2.根据权利要求1所述的基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置，其特征在于，所述光源阵列包括七个环绕光电传感器(16)周向设置的LED光源。3.根据权利要求2所述的基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置，其特征在于，第一LED光源(9)发出光线的预设波长为450nm，第二LED光源(10)发出光线的预设波长为520nm，第三LED光源(11)发出光线的预设波长为680nm，第四LED光源(12)发出光线的预设波长为780nm，第五LED光源(13)发出光线的预设波长为808nm，第六LED光源(14)发出光线的预设波长为970nm，第七LED光源(15)发出光线的预设波长为1030nm。4.根据权利要求2所述的基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置，其特征在于，所述LED光源焊接于能辅助散热的铝基板上。5.根据权利要求1所述的基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置，其特征在于，所述电源与驱动单元(6)、光学单元(5)、信号处理单元(3)和微处理器(2)均置于由外壳后盖(1)和外壳前盖(4)组成的密封中空壳体中。6.根据权利要求1所述的基于多波段可见光
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近红外光谱土壤有机质检测装置，其特征在于，所述电流
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电压信号转换电路用于将光电传感器(16)检测到的电流信号转换成电压信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：史舟，吴洁琼，周炼清，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：