基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统设计

刘 源，张 飙，杨小平

（桂林理工大学信息学院，广西 桂林 541004）

基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统设计

刘 源＊，张 飙，杨小平

（桂林理工大学信息学院，广西 桂林 541004）

为了快速高效地对植物叶片光合功能进行测试，以叶绿素荧光动力学为依据，设计了一套基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统.实验结果表明：与传统的叶绿素荧光检测仪器相比，该系统检测速度快、执行效率高、应用范围广，为植物叶片光合功能的测定提供了一种实时、快速、高效的检测工具.

叶片光合功能；旋翼无人机；荧光参数；叶绿素荧光动力学；环境因子

叶绿素荧光动力学技术是一种快速高效的植物叶片光合功能测试技术，近年来，在植物逆境生理研究和植物生理生态学中应用广泛［1－4］.目前，市场上比较流行的便携式叶绿素荧光仪，如PAM－2100、MINI－PAM 等，都是叶绿素荧光动力学技术的典型应用［5－6］.司马伟昌［7］，张彪［8］，赵友全［9］等利用叶绿素荧光动力学技术制作的叶绿素检测仪器大多局限于光源选择或电路控制方面，且当前的产品和研究成果仍不适合完成快速、大量的实时检测任务.本文设计了一套基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统，以叶绿素荧光动力学技术为依据，将叶绿素荧光检测系统、环境因子检测系统与旋翼无人机飞控系统相结合，以快速获取目标植物的叶绿素荧光参数.

1 系统设计方案

系统主要由叶绿素荧光检测系统、环境因子检测系统、存储处理子系统和旋翼无人机飞控系统构成，其结构如图1所示.

1）工作原理：采用LED阵列产生饱和脉冲强光激发植物叶绿素产生荧光；通过OS5p脉冲调制荧光模块完成植物荧光参数的测量；设计环境因子检测子系统，实现对采集现场环境中温度、湿度、光照、CO2浓度等因子的检测；将各检测模块的数据存储至存储器中，进行多源数据处理；旋翼无人机搭载叶绿素荧光参数检测系统进行检测.

2）处理步骤：将经过整合的检测系统搭载在多旋翼无人机上，升空前开启该系统，操作无人机升空至目标植物上空，靠近测量区域；检测系统按照预先设定的测量步骤对目标区域进行环境因子、稳态荧光、荧光激发、PSII原初光能转化等一系列检测工作，并将检测数据存入存储芯片；操作无人机飞行至下一目标区进行测量；待无人机完成测量返回地面后，将数据传入PC机进行查错、数据融合及分析处理等.

图1 系统的硬件结构示意图Fig.1 Sketch of system hardware

2 系统实现

本设计方案主要由改造的旋翼无人机、LED阵列设计、叶绿素荧光检测模块、环境因子测量与存储系统五部分实现.

1）改造的旋翼无人机.实验选择武汉某公司生产的电动多轴六旋翼无人机，飞行高度低于2 000 m，巡航速度为0～30 km·h－1，巡航时间为25 min，空机质量4 kg，最大负荷载质量为3 kg，可控制距离为5 km，起降方式为垂直起降.根据该无人机的性能特征，须将整个叶绿素荧光检测系统质量控制在3 kg以内.为了实现无人机负载的控制目标，笔者对无人机电源部分进行了改造.通过设计电源转换和稳压监控电路，使得无人机电源分别为LED阵列、叶绿素荧光检测模块以及环境因子测量与存储系统提供电能.虽然该方案会降低无人机飞行的有效距离，但是能够大幅减少荧光检测系统的总质量.改造后荧光测量模块为1.53 kg，其他硬件模块总质量控制在0.6 kg以内，满足无人机最大负载要求，改造方案有效.

2）LED阵列.叶绿素荧光激发光源有红光、蓝光等多种选择，本设计选用红光作为激发光源，波长为660 nm.综合激发光源设计和电路设计要求，LED阵列在设计时选用了LuxeonI型红光超高亮度LED（Philips公司），如图2所示，具有足够的流明保持率，从而保证了发光强度测量的稳定性.

图2 LED阵列Fig.2 LED Array

3）叶绿素荧光检测模块.采用OS5p脉冲调制式叶绿素荧光测量模块完成植物光适应下的稳态荧光Fs、光适应下的最大荧光F′m、实际量子效率ΦPSII、实际电子传递速率rETR等参数的测量.OS5p叶绿素荧光测量模块提供原初光能转化、实际量子产量Yield、荧光动力和快速荧光动力等4种调制测量模式，可用于测量目前叶绿素荧光研究中的常用参数［10］.本系统的部分参数：饱和脉冲是卤光灯与LED；卤光灯最大发光强度为0～15 000μmol·（m2·s）－1，LED最大发光强度为0～4 500μmol·（m2·s）－1；调制光为红光（660 nm LED）和蓝光（450 nm LED）；光化光可调，LED光源发光强度为0～3 000μmol·（m2·s）－1，卤光灯发光强度为0～6 000μmol·（m2·s）－1；远红光为735 nm的LED，用来测定荧光淬灭计算值F′O，强度可调；检测模式为脉冲调制模式，在25 Hz～1 MHz调制频率范围内自动调整；采样周期在2 s～45 min范围内可调.根据系统设计需要，利用该模块采集最大光合作用产量Y和最大光量子产量（Fv／Fm），选择原初光能转化模式，调制光与光化光选择红光LED，采样周期设为3 s.

4）环境因子测量子系统.检测环境因子与存储子系统硬件设计包括CPU主控单元的设计、传感器电路的设计、数据采集接口电路设计、通讯接口电路设计和存储器电路设计等.其中温度传感器选用数字式温度传感器DS18B20，简化硬件设计的同时，更减小了系统的质量；湿度传感器与湿度变送器采用MS－Z2高分子电阻型湿敏元件［11］，具有感湿范围大、测量线性率保持好等优点；光电传感器可选范围较广，常见的主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池（硅光电池、硒光电池）等材质［12］，本设计采用硅光电池作为光电转换元件，以提高测量精度，增强光电稳定性；使用MH－410D NDIR红外线二氧化碳气体浓度传感器检测分析CO2浓度，该设计测量速度快、分辨率高、准确性好，且由于体积小便于硬件电路设计等特点，在监控研究中应用较广泛［13］.

5）处理子系统.可编程恒流源子系统用来控制LED阵列输出，该系统最大可输出电流1 000 m A，输出调节最小电流为1 m A，输出最大抑制波动为0.2 m A.程序处理主要包括下位机和上位机两部分.下位机采用嵌入式编程方法，完成对LED阵列输出控制、植物荧光检测、各传感电路的控制、数据存储、数据通讯等功能；上位机软件采用高级编程，主要实现数据传输、数据存储、结果分析等功能，其中结果分析主要是对多源数据进行融合与处理，是整个系统的重要分析环节.此外，系统还可实现历史数据的查询、汇总及打印等辅助操作.

3 应用测试

笔者利用六旋翼电动无人机进行了多次飞行测量实验.无人机一次完整充电平均可飞行3 km，飞行高度控制在1～20 m，飞行时间约10 min，平均每次飞行采样70～100个，采集数据有效率为60%～75%.飞行期间，环境因子采集子系统能够实现设计对各环境因子的采集；CPU控制单元与存储单元工作正常.飞行结束后的数据传输结果表明，系统通讯功能也正常.

图3为在广西植物研究所内进行的某次飞行测量后系统自动输出显示窗口.目标植被为澳洲坚果品种Pahala（HAES788），树龄为8 a，树高8～13 m，胸径为13～18 cm.设定采样周期为3 s，采样飞行时间为8 min，共采样80个，经上位机处理得到65个有效采样值.由图3可知，平均稳态荧光Fs＝3.6，光适应下最大荧光F′m＝9，实际量子产量为0.60.

图3 测量值曲线输出显示窗口Fig.3 Measured value curve output display window

通过测试可知，本文构建的基于旋翼无人机的叶绿荧光检测软硬件系统是一种快速、高效、实时的新型植物叶绿素检测系统，但由于采集数据有效率仅达60%～75%，未达理想目标，故今后将进一步完善设计方案并提高数据采集的有效率，以提升整个系统的准确性和实用性.

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A design of chlorophyll fluorescence parameters detection system based on unmanned aerial vehicle（UAV）

LIU Yuan＊，ZHANG Biao，YANG Xiaoping

（Coll of Inf Sci ＆Engin，Guilin Univ of Technol，Guilin 541004，China）

In order to quickly and efficiently test leaf photosynthetic function，a system is designed based on chlorophyll fluorescence parameters detection system of UAV.Experimental results show that compared with traditional chlorophyll fluorescence detecting instruments，the system detects with high speed and efficiency.It has a wide range of applications for plant photosynthesis functional determination and provides a fast，efficient detection tool.

leaf photosynthetic function；Rotor UAV；chlorophyll fluorescence dynamics；fluorescence parameters；environmental factors

O 657.323；V279

A

1007－824X（2014）01－0038－04

2013－04－28.＊ 联系人，E－mail：liuyuan7＠hotmail.com.

广西壮族自治区自然科学基金资助项目（2013GXNSFBA019277）；广西空间信息与测绘重点实验室基金资助项目（桂科能11－031－08－11）；广西教育厅科技资助项目（200911MS106）.

刘源，张飙，杨小平.基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统设计 ［J］.扬州大学学报：自然科学版，2014，17（1）：38－41.

（责任编辑 林 子）