温室智能装备系列之十一 近地光谱技术在温室生产中的应用

马 伟 王 秀 毛益进

◇研究背景

温室生产过程中的作物长势监测是作物生长管理的重要依据。科学地获取第一手的温室作物长势数据、植被生长状态、植被覆盖度等信息，能够为精准水、肥管理提供可靠的基础数据，因此也一直是温室园艺生产环节关注的热点问题。目前，应用比较广泛的是对植被指数的监测，包括LAI和NDVI。LAI是指叶面积指数(Leaf Area Index)，又叫叶面积系数，是一块农田上作物叶片的总面积与占地面积的比值。即叶面积指数=绿叶总面积／占地面积。叶面积指数是反映作物群体大小的动态指标。在一定的范围内，作物的产量随叶面积指数的增大而提高。当叶面积超过一定的限度后，田间通风不好，光照不足，光合效率减弱，产量反而下降。NDVI是指归一化植被指数(NormalIzed Difference Vegetation Index)，利用两个波段反射率进行计算得出，是反映农作物长势和营养信息的重要参数之一，根据该参数可以获得不同季节的农作物对氮的需求量，对合理施用氨肥具有一定的指导作用。植被指数在作物生产决策中得到广泛应用。美国俄克拉荷马州立大学在2002年推出了GreenSeeker光传感器实时变量施肥机系统，这种系统根据植物光谱理论实时计算出作物的生长条件和营养状况。杨玮等(2007)通过采用NDVI指数和氮肥优化算法，采用变量施肥技术实现作物长势趋于平衡。台湾大学林慧美等对在温室环境下相关植被指数的获取和应用进行了系统的论述，并将相关植被指数应用于温室灌溉水量的分级中。温室精准管理中植物长势监测是一个重要的环节，获得的植被指数数据可以在作物历史数据库保存查询，有非常重要的价值。

◇地物光谱仪

温室环境下，植物长势NDVI数值的测量如果采用地物光谱仪进行测量，该测量方法存在视场角较小、对日光照明条件有较高要求的限制，而且设备结构复杂、质量较大、价值昂贵、操作困难，所以进行大面积推广应用有诸多困难。因此，在温室实际生产中需要开发小巧便携式的NDVI测量仪，以便非常方便地对作物长势进行精确测定。

◇基于自然光测量的便携NDVI测量仪

GreenSeeker手持式NDVI测量仪利用自然太阳光源能够非常方便地由一个人测量、记录NDVI数值。该测量仪可对单个的测量点进行测量，测量时可通过将测量数值和对应的编号保存在系统自带的掌上电脑中，也可通过掌上电脑实时地读取相关的植被指数值。图1为在温室环境下使用手持式NDVI测量仪，图2为NDVI掌上电脑。

由于国外引进的仪器价格昂贵不利于推广应用，因此自主开发了一种基于ARM单片机芯片的小型NDVI测量仪，该测量仪可以在测量作物长势的同时，将测量点的坐标等外界传感器参数同时记录到测量系统的USB移动存储器中，测量完成后只需将记录数据的USB存储器拔下，将数据导入到系统的推荐施肥系统软件中，即可利用该测定数据实现系统的推荐施肥使用。

◇系统原理

利用太阳光照射，测试仪内14个光传感器，分别是1是红光入射光传感器，2是红光植被反射光传感器，3是红外入射光传感器，4是红外植被反射光传盛器。以ARM7为微控制器，配置相应的接口电路完成传感器信号采集、USB盘实现数据存储、CAN总线数据通信、检测信号显示。传感器信号采集部分包括特殊光谱响应特性的光电传感器、光学系统。NDVI测试仪硬件结构如图3所示。

特殊光谱响应的光电传感器由窄带干涉滤光片、硅光电二极管及其适配放大器等组成。窄带干涉滤光片只允许中心波长附近通带内的光通过，4个窄带干涉滤光片分为两组，每组为特性相同的两滤光片，它们的中心波长分别位于植被光谱反射率曲线斜率最大处两边的近红外(0.77μm～0.86μm)和红光(0.62μm～0.68μm)波段，红光波段为植被叶绿体峰值吸收区域，干涉滤光片的带宽应保证在通带内光谱反射率没有明显变化，以保证NDVI的测量精度。4个硅光电二极管与4个窄带干涉滤光片组成两组光电传感器，分别用于近红外和红光两特征波长处入射光和植被的反射光的探测，硅光电二极管在近红外和红光特征波长处具有较高的光谱灵敏度，其光敏面尺寸要保证在不同的日光照射条件下有足够大信号输出和线性度。用于入射日光信号探测的两个光电传感器安装在测试仪的上方，用于植被反射光探测的两个光电传感器安装在仪器的下方面向植被。

ARM7微控制器的主要任务是数据采集、控制、显示。系统设有5个按键，这些按键分别用来控制本装置的供电，复位微处理器，测量目标作物，储器数据保存到U盘中。其中，AVD转换器的输入端连接放大电路输出的4个信号，经过AVD转换后，通过数据线输出到微控制器上，4个通道采集到的传感器的值传输到微控制器进行运算后在液晶上显示出归一化植被指数值。

主控单元用于实现数据处理、外设控制。涉及的外设包括CAN总线控制器、USB盘模块、串口、AD。考虑到测量系统的升级方便性、成本的总体价格、功耗、紧凑性，在设计中选用具有ARM7内核的LPC2119作为微控制器。

◇结构描述

ARM7是一个通用的32位微处理器，具有高性能和低功耗的特点。其结构是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。因此使用一个微型、廉价的处理器核即可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第3条指令从存储器中取出。该处理器使用了一个被称为THUMB的独特的结构化策略，非常适用于对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。在THUMB后面一个关键的概念是“超精简指令集”。具有标准32位ARM和16位THUMB两个指令集，THUMB指令集的16位指令长度使其可以达到标准ARM代码两倍的密度，却仍然保持ARM的大多数性能上的优势，这些优势是使用16位寄存器的16位处理器所不具有的。

◇电源电路

LPC2119要使用两组电源，I/O口供电电源为3.3V，内核及片外外设供电电源为1.8V，所以系统设计为3.3V应用系统。首先，输入12V直流电源，然后通过LM7805将电源稳压至5V，再使用LD0芯片(低压差电源芯片)稳压输出3.3V及1.8V电压。LDO芯片采用了LM117MPX-18和LM117MPX-3.3，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。LM117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压精度±1％以内，还具有电流限制和热保护功能。使用时，其输出端需要钽电容来改善瞬态响应和稳定性。

◇时钟电路

LPC2119可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时

钟，使系统运行速度更快(CPU最大操作时钟为60MHz)。如不使用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率范围是1MHz～30MHz，外部时钟频率范围是1MHz～50 MHz；若使用了片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率范围是10MHz～25MHz，外部时钟频率范围是10MHz～25MHz，该测试仪采用片内PLL功能及ISP下载功能，使用的外部晶振频率为11.059MHz。时钟电路如图4所示。

◇复位电路

考虑到温室的湿热环境，以及ARM的芯片高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。因此，复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片MA×708SD，提高系统的可靠性。由于在进行JTAG调试时，nRST、nTRST是可由JTAG仿真器控制复位的，所以使用了三态缓冲门74HC125进行驱动。信号nRST连接到LPC2119芯片的复位脚，信号nTRST连接到LPC2119芯片内部JTAG接口电路复位脚。当复位按键RST按下时，MAX708SD立即输出复位信号，其引脚RST输出低电平导致74HC125D导通，信号nRST、nTRST将输出低电平使系统复位。平时MAX708SD的RST输出高电平，系统可正常运行或JTAG仿真调试。

◇液晶显示电路

推广应用时的实际情况要求设备必须有简单的汉字界面显示。该测试仪的液晶显示模块是带汉字字库的图形点阵液晶显示模块，内含ST7920驱动控制器，8000多国标一、二级简体字库，编码调用汉字字符，可图文混排，并提供串行／并行两用接口。电源操作范围宽(2.7V～5.5V)，低功耗设计满足产品的省电要求。同时，与单片机等微控制器的接口界面灵活。液晶显示电路用于显示系统的工作状态以及土壤电导率数据。VDD可为3V或为5V，根据所使用的液晶进行选择，VO、VR两端外接一电阻，用于亮度调节。D2用于分压，保证液晶进行背光时工作在4.0V～4.4V，起到保护液晶的作用。

◇U盘存储电路

温室环境的实际生产中U盘比较普及，普通用于容易接受这种存储方式。易于采购和携带，具有多种容量可供选用，而且携带方便、存储量大、掉电数据不丢失、即插即用。采用U盘存储数据，可广泛应用到需要与计算机不定期交互数据的数据采集系统中，解决了掌上电脑或其他较笨重的设备带到温室进行数据更新和采集的麻烦，具有良好的实用价值。U盘存储电路用于实现RAM中的数据按照海量存储协议规定的数据格式存储到U盘中，电路采用U盘模块来完成。U盘模块上面集成了一个单片机和USB控制器芯片和少量的外部元件。其中USB芯片已经集成了海量存储协议，单片机内部集成了USB功能软件与底层软件。LPC2119控制器通过串口与U盘模块连接。U盘模块的参数配置通过配置线与计算机通过USB口完成。便携式NDVI测试仪如图5所示。

仪器用于测量红光和红外光特征波长处入射光信号的传感器，使用时垂直向上。为了减小日光入射角对信号幅度造成的影响，传感器前设有毛玻璃或乳白玻璃的漫射体，漫射体下方是相应波长的窄带干涉滤光片和硅光电二极管。而用于测量红光和红外光特征波长处植被反射光信号的传感器。使用时垂直向下，在最下方是相应波长的窄带干涉滤光片，它的上面为接收物镜，使所要求的探测范围，在离植被一定距离处成像在物镜上方的硅光电二极管光敏面上。

◇应用

温室生产中的水肥管理可以参照相关的植被指数，NDVI归一化指数测量仪在使用过程中存在一定的限制和误差。针对蔬菜甘蓝灌溉水分试验研究后，林慧美等指出，NDVI数值在苗期的前20天是非常准确的反映相关的水分情况，但叶片不断长大后因为植被覆盖率超过一定程度就无法准确判别，应和LAI指数结合使用。天气干热引起的叶子萎缩也可能影响测量值的实际精度。由于受株高等的限制，手持NDVI测试仪适合矮株型作物使用，也可以广泛应用于工厂化育苗的幼苗期。

光谱技术已经在农业遥感中得到广泛应用，在大面积农田监测中发挥了明显的优势。由于温室生产具有室内、密闭的特点，在作物长势监测中除采用茎、果生长膨大传感器外，手持近地光谱设备由于实时性高、速度快、价格低，能够有效满足植株长势检测需要，在温室生产精准管理中发挥重要作用。