【摘要】：作物生產(chǎn)精確管理是基于信息技術(shù)和數(shù)據(jù)知識(shí)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù),其結(jié)合了農(nóng)作物信息的采集、數(shù)據(jù)處理和管理調(diào)控等技術(shù)措施,能夠最大限度的利用生產(chǎn)資源,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效、高產(chǎn)和低污染,對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重大的推動(dòng)作用。農(nóng)作物信息的采集是作物生產(chǎn)精確管理實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物信息快速、準(zhǔn)確的獲取,是當(dāng)今精確農(nóng)業(yè)所亟需解決的關(guān)鍵問題。本論文針對(duì)田間作物生長信息獲取的迫切需求,研制了一種基于主動(dòng)光源的作物生長信息監(jiān)測儀。首先,論文闡明了我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)所面臨的問題及精確農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要性,并分析作物生長信息的獲取對(duì)于實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)精確管理的重要作用,綜合敘述了近年來國內(nèi)外關(guān)于作物生長信息光譜監(jiān)測設(shè)備研發(fā)的進(jìn)展以及存在的問題,提出了本研究的研究目的與意義,并規(guī)劃與確定了研究內(nèi)容和技術(shù)路線。根據(jù)本研究的內(nèi)容分析了基于光譜無損監(jiān)測的特點(diǎn)和優(yōu)越性,簡述了作物近紅外光譜無損監(jiān)測的響應(yīng)機(jī)理、作物冠層反射光譜特性的描述方法和所監(jiān)測的光譜植被指數(shù)的定義,設(shè)計(jì)了基于主動(dòng)光源的作物生長信息監(jiān)測儀的總體實(shí)現(xiàn)方案。其次,本文根據(jù)作物冠層行播分布特性和稻麥作物敏感波段730nm、810nm獲取需要,設(shè)計(jì)了用于獲取作物冠層730nm、810nm反射光譜的作物冠層反射光譜傳感器。該傳感器主要包括由光源驅(qū)動(dòng)電路與光源光路單元組成的光源系統(tǒng)、光譜信號(hào)采集光路單元與微弱信號(hào)調(diào)理電路組成的光譜信號(hào)采集系統(tǒng)以及雙激光精確測距系統(tǒng)。其中光源系統(tǒng)采用LED恒流調(diào)制和濾光片濾光結(jié)合的方式,防止外界光信號(hào)對(duì)測試結(jié)果的影響,光源調(diào)制頻率為1KHz,濾光片中心波長為730nm和810nm,帶寬均為10nm。其中光源驅(qū)動(dòng)電路由方波信號(hào)發(fā)生器、電平轉(zhuǎn)換電路、恒流驅(qū)動(dòng)電路組成;微弱信號(hào)調(diào)理電路由前級(jí)I-V放大電路、無源帶通濾波器電路、后級(jí)同向放大電路、信號(hào)檢波電路組成。作物冠層反射光譜傳感器光源系統(tǒng)發(fā)出光強(qiáng)恒定的730nm、810nm調(diào)制光譜信號(hào)照射作物冠層,光譜信號(hào)采集系統(tǒng)接收作物冠層反射的調(diào)制光譜信號(hào),實(shí)現(xiàn)作物冠層反射光譜強(qiáng)度的獲取。其中光源光路單元實(shí)現(xiàn)LED光源光線的準(zhǔn)直與聚光,光譜信號(hào)采集光路單元實(shí)現(xiàn)作物冠層反射光譜的聚光和濾波功能。再次,本文依據(jù)作物冠層反射光譜傳感器輸出信號(hào)和田間測試需要,采用內(nèi)部集成ADC模塊的ATmega32作為核心控制芯片,配合溫濕度傳感器、鍵盤輸入、液晶顯示、聲光提醒、SD卡存儲(chǔ)和電源管理等組成的控制部分硬件電路;采用C語言設(shè)計(jì)嵌入式控制軟件,實(shí)現(xiàn)作物生長信息的采集、顯示和存儲(chǔ),利用SolidWorks設(shè)計(jì)了監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)圖,并根據(jù)結(jié)構(gòu)圖對(duì)監(jiān)測儀進(jìn)行機(jī)械加工。最后,本文為了檢驗(yàn)監(jiān)測儀的測試性能,分別對(duì)監(jiān)測儀進(jìn)行了功能試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。功能試驗(yàn)包括穩(wěn)定性測試、抗光照干擾測試、回程誤差測試、標(biāo)定試驗(yàn)、溫度性能測試等試驗(yàn);田間試驗(yàn)包括反射率驗(yàn)證、作物生長信息驗(yàn)證、葉面積指數(shù)驗(yàn)證等試驗(yàn)。通過功能試驗(yàn)和田間試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的作物生長信息監(jiān)測儀的性能良好,能夠滿足大田作物生長信息的快速、準(zhǔn)確獲取的需要。
[Abstract]:Precise management of crop production is a kind of modern agricultural cultivation technology based on information technology and data knowledge. It combines the technical measures of crop information collection, data processing and management control. It can maximize the use of production resources and achieve high efficiency, high yield and low pollution of agricultural production. It is of great significance to the development of modern agriculture. Acquisition of crop information is the basis of accurate management of crop production. How to obtain crop information quickly and accurately is the key problem to be solved urgently in precision agriculture nowadays. Firstly, the paper clarifies the problems faced by traditional agriculture and the importance of precision agriculture development in China, and analyzes the important role of crop growth information acquisition in the realization of accurate management of crop production. The development and existence of spectral monitoring equipment for crop growth information at home and abroad in recent years are summarized. According to the contents of this study, the characteristics and advantages of non-destructive monitoring based on spectroscopy are analyzed, and the response mechanism of near-infrared spectroscopy for non-destructive monitoring of crops, the description method of reflectance spectroscopy characteristics of crop canopy and the monitored light are briefly described. Secondly, according to the characteristics of crop canopy row-seeding distribution and the needs of acquiring sensitive bands 730 nm and 810 nm of rice and wheat, a crop canopy reflectance spectrum sensor was designed to obtain the reflectance spectrum of 730 nm and 810 nm of crop canopy. The sensor mainly consists of a light source system consisting of a light source driving circuit and a light source light path unit, a spectrum signal acquisition system consisting of a spectrum signal acquisition light path unit and a weak signal conditioning circuit, and a double laser precise ranging system. The modulation frequency of the light source is 1 KHz, the central wavelength of the filter is 730 nm and 810 nm, and the bandwidth is 10 nm. The light source system of the crop canopy reflectance spectrum sensor emits 730 nm of constant light intensity, 810 nm modulated spectral signal to irradiate the crop canopy, and the spectral signal acquisition system receives the modulated spectral signal reflected by the crop canopy to obtain the intensity of the crop canopy reflectance spectrum. Thirdly, according to the output signal of crop canopy reflectance spectrum sensor and the need of field test, this paper uses ATmega32 integrated with ADC module as the core control chip, with temperature and humidity sensor, keyboard. Input, LCD display, acoustooptic reminder, SD card storage and power management and other components of the control part of the hardware circuit; C language design embedded control software to achieve crop growth information collection, display and storage, using SolidWorks designed the monitor structure diagram, and according to the structure diagram of the monitor for mechanical processing. The function test includes stability test, anti-light interference test, return error test, calibration test and temperature performance test, and field test includes reflectance test, crop growth information test and leaf area index test. The results of functional test and field test show that the designed crop growth information monitor has good performance and can meet the needs of fast and accurate acquisition of crop growth information.
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S126

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本文編號(hào)：2201875