CN212379296U - 一种便携式光谱数据采集装置及作物长势监测*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及农作物监测技术领域，公开了一种便携式光谱数据采集装置及作物长势监测***，该便携式光谱数据采集装置包括本体；本体上设有入射光通道、反射光通道及无线传输模块；入射光通道与反射光通道均包括多个，并呈一一相对设置；入射光通道内装有第一光谱探头，用于接收太阳光；反射光通道内装有第二光谱探头，用于接收来自作物的反射光；第一光谱探头与第二光谱探头均连接无线传输模块；本实用新型不仅结构简单、携带方便、实现了信息检测与传输的集成化设计，还实现了对作物光谱信息的无损采集，采集效率高、采集信息全面，便于对采集到的信息进行实时在线分析与显示，尤其适用于获取茶叶的长势状态，为茶园的科学管理提供了依据。

Description

一种便携式光谱数据采集装置及作物长势监测***

技术领域

本实用新型涉及农作物监测技术领域，特别是涉及一种便携式光谱数据采集装置及作物长势监测***。

背景技术

近年来，随着农业信息化的快速发展，对农作物进行高效便捷地监测已成为迫切需要。对于农作物，尤其是一些具有经济附加值的作物，例如：茶叶，有必要对其进行实时的长势监测，了解作物在相应生育阶段的生长状态，并且对作物长势的监测也直接关系到对作物的管理，同时进一步影响到作物的生长品质。

然而，传统的对农作物的监测方式为，采用田间样本获取、实验室仪器测量及使用纸和笔记录测量结果的方式，不仅效率低、成本高，而且由于采集样本的生理信息被不同程度的破坏，导致检测结果不准确，同时，由于检测对象本身的生长状态信息变化较快，而在检测效率较为低下的情况下，这势必会导致检测结果的时间跨度大，数据一致性较差，从而给检测结果的可信度增添了更多不确定因素。

尽管当前也存在一些检测作物信息的仪器仪表，但这些仪器仪表大多体积大、集成度低，从而不便于携带，并没有实现对作物的无损检测，且检测的信息量少，检测效率低下，不便于对检测信息进行实时在线分析，并实时获取作物的长势情况。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种便携式光谱数据采集装置，用于解决现有的检测作物信息的仪器仪表不便于携带，没有实现无损检测，检测的信息量少，不便于对检测信息进行实时在线分析的问题。

本实用新型实施例还提供一种基于上述便携式光谱数据采集装置的作物长势监测***，以便实时获取作物的长势情况。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例一方面提供了一种便携式光谱数据采集装置，包括本体；所述本体上设有入射光通道、反射光通道及无线传输模块；其中，所述入射光通道与所述反射光通道均包括多个，并呈一一相对设置；所述入射光通道内装有第一光谱探头，用于接收太阳光；所述反射光通道内装有第二光谱探头，用于接收来自作物的反射光；所述第一光谱探头与所述第二光谱探头均连接所述无线传输模块。

其中，所述本体上还设有水平仪；所述入射光通道与所述反射光通道平行设置并垂直于所述本体的上端面与下端面，所述入射光通道的端口形成在所述上端面，所述反射光通道的端口形成在所述下端面。

其中，所述入射光通道内还设有余弦校正器与第一滤光片，所述余弦校正器、所述第一滤光片及所述第一光谱探头沿着所述太阳光的入射方向依次排布；和/或，所述反射光通道内还设有透光片与第二滤光片，所述透光片、所述第二滤光片及所述第二光谱探头沿着所述反射光的入射方向依次排布。

其中，所述余弦校正器位于所述入射光通道的端口处；所述透光片位于所述反射光通道的端口处，且所述透光片与所述第二滤光片之间的距离占所述反射光通道深度的70％-80％。

其中，所述第一光谱探头与所述第二光谱探头均包括CCD探测器，所述无线传输模块包括蓝牙模块。

其中，所述本体内还设置有处理模块、光电转换模块及存储模块，所述第一光谱探头与所述第二光谱探头分别通过相应的光电转换模块连接所述处理模块，所述处理模块连接所述无线传输模块与所述存储模块。

其中，所述本体上还设置有电源数据接口与供电管理模块，所述电源数据接口分别连接所述处理模块与所述供电管理模块，所述供电管理模块通过电源开关连接所述处理模块。

其中，所述供电管理模块包括可充电电池与电量监测模块，所述可充电电池连接电源数据接口与所述处理模块，所述电量监测模块连接所述可充电电池与所述处理模块；所述处理模块还分别连接电量指示灯、充电状态指示灯、无线传输指示灯及设备工作指示灯。

本实用新型实施例另一方面还提供了一种作物长势监测***，包括服务器、显示模块及如上所述的便携式光谱数据采集装置；所述便携式光谱数据采集装置通讯连接所述服务器，所述服务器通讯连接所述显示模块，其中，所述服务器用于基于所述便携式光谱数据采集装置采集到的光谱信息实时生成作物的监测结果，所述显示模块同步显示所述监测结果。

本实用新型实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本实用新型实施例提供的便携式光谱数据采集装置，采用无接触的方式对作物进行光谱采集，在采样检测时，以入射光通道接收的太阳光为参照，将反射光通道朝向作物并接收来自作物的反射光，可基于多组一一相对设置的入射光通道与反射光通道，对作物同时实现多个波段的光谱采集，并可将采集到的光谱信息通过无线传输模块传输至服务器进行在线分析。由此，本实用新型不仅结构简单、携带方便，实现了作物光谱信息采集与无线传输的集成化设计，而且实现了对作物光谱信息的无损采集，采集效率高、采集信息全面，还便于对采集到的信息进行实时在线分析。

本实用新型实施例提供的作物长势监测***，由于采用了上述便携式光谱数据采集装置，可基于服务器内置的分析模型对便携式光谱数据采集装置采集到的数据进行分析处理，实时生成监测结果，并通过显示模块对作物的监测结果进行同步显示，以便监测人员实时获取作物的长势情况。

另外，本实用新型尤其适用于基于对茶叶的光谱检测与分析，获取茶叶的监测结果包括：茶多酚含量、咖啡碱含量、糖含量、水浸出物含量、归一化植被指数NDVI、叶绿素含量等指标，以便实时了解茶叶的长势情况，并进一步为茶园的科学管理提供有力的依据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所示的便携式光谱数据采集装置对作物进行光谱检测的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所示的太阳光在入射光通道内入射的结构示意图；

图3为本实用新型实施例所示的经过作物的反射光在反射光通道内入射的结构示意图；

图4为本实用新型实施例所示的便携式光谱数据采集装置的控制结构框图。

图中，1、本体；2、入射光通道；3、反射光通道；4、水平仪；5、电源数据接口；6、电源开关；7、电量指示灯；8、充电状态指示灯；9、无线传输指示灯；10、设备工作指示灯；11、第一圆圈；12、第二圆圈；13、余弦校正器；14、第一滤光片；15、第一光谱探头；16、透光片；17、第二滤光片；18、第二光谱探头；19、光电转换模块；20、处理模块；21、存储模块；22、无线传输模块；23、可充电电池；24、电量监测模块；25、服务器；26、显示模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参见图1，本实施例提供了一种便携式光谱数据采集装置，包括本体1；本体1上设有入射光通道2、反射光通道3及无线传输模块22；其中，入射光通道2与反射光通道3均包括多个，并呈一一相对设置；入射光通道2内装有第一光谱探头15，用于接收太阳光；反射光通道3内装有第二光谱探头18，用于接收来自作物的反射光；第一光谱探头15与第二光谱探头18均连接无线传输模块22。

具体的，本实施例所示的便携式光谱数据采集装置，采用无接触的方式对作物进行光谱采集，在采样检测时，以入射光通道2接收的太阳光为参照，将反射光通道3朝向作物并接收来自作物的反射光，可基于多组一一相对设置的入射光通道2与反射光通道3，对作物同时实现多个波段的光谱采集，并可将采集到的光谱信息通过无线传输模块22传输至服务器25进行在线分析。由此，本实用新型不仅结构简单、携带方便，实现了作物光谱信息采集与无线传输的集成化设计，而且实现了对作物光谱信息的无损采集，采集效率高、采集信息全面，还便于对采集到的信息进行实时在线分析。

在此应指出的是，本体1的形状可以为长方体，其长、宽、高分别为14cm、6cm、1.25cm，在本体1沿高度方向的四个棱边均为圆弧形倒角结构，从而造型美观，且本体1使用铝合金材料，强度高，质量小，可使得装置的总质量达到130g，大大方便了户外的携带与光谱采集操作。

与此同时，由于在对作物进行光谱采集时，必须以入射的太阳光作为参照，从而入射光通道2与反射光通道3是成对设置的，对于每一对入射光通道2与反射光通道3的排布位置可以不作具体限定，只要便于通过入射光通道2采集入射的太阳光，并便于通过反射光通道3采集作物对太阳光进行实时反射的反射光即可。本实施例通过设置多个一一相对设置的入射光通道2与反射光通道3，可实现对作物同时进行多个波段的光谱采集。

如图1所述，本实施例在用于对茶叶进行光谱采集时，由于光谱波段在650nm和810nm，且半波宽25nm时，能够通过光谱采集较好地获取茶叶中茶多酚含量、咖啡碱含量、糖含量、水浸出物含量及叶绿素含量，从而本实施例中入射光通道2与反射光通道3具体可各设置两个，且入射光通道2与反射光通道3的直径为8mm，其中一组相对设置的入射光通道2与反射光通道3用于对应采集810nm的入射光波与810nm的反射光波，该光波的半波宽为25nm；相应地，另一组相对设置的入射光通道2与反射光通道3用于对应采集650nm的入射光波与650nm的反射光波，该光波的半波宽为25nm。

在一个优选实施例中，为了便于通过入射光通道2获取入射的太阳光，并通过反射光通道3获取作物对太阳光进行实时反射的反射光，本实施例将入射光通道2与反射光通道3平行设置并垂直于本体1的上端面与下端面，入射光通道2的端口形成在上端面，反射光通道3的端口形成在下端面，并在此基础上，通过在本体1上设置水平仪4，水平仪4可以为本领域所公知的气泡水平仪4，以保证在测量时本体1上端面或下端面的水平度，从而可确保太阳光或经过作物的反射光均是垂直的方式入射至相应的通道中，进而确保测量数据的有效性。

如图1所示，在本体1的下侧分别示意了第一圆圈11与第二圆圈12，第一圆圈11表示810nm反射光通道视场，第二圆圈12表示650nm反射光通道视场，从而在本体1上端面或下端面处于水平状态时，可相对获取较大视角范围的反射光通道视场。

在另一个优选实施例中，如图2所示，在入射光通道2内还设有余弦校正器13与第一滤光片14，余弦校正器13、第一滤光片14及第一光谱探头15沿着太阳光的入射方向依次排布，其中，余弦校正器13为聚四氟乙烯材料制成，厚度为1mm，直径为8mm，为了确保入射光通道2能够对入射的太阳光在180°的视角范围内接收，应将余弦校正器13设置在入射光通道2的端口处，并在将余弦校正器13设计为1mm厚时，不仅能够有效减弱入射的太阳光，以对第一光谱探头15形成保护，而且还可以使得从不同方向入射的太阳光最后能够均匀地照在第一光谱探头15上。

与此同时，第一滤光片14采用3.5mm厚度设计，直径为8mm，通过如此厚度设计，一方面可增强第一滤光片14的抗破碎能力，另一方面还能起到多层镀膜作用，使得滤光效果更好。

如图3所示，在反射光通道3内还设有透光片16与第二滤光片17，透光片16、第二滤光片17及第二光谱探头18沿着反射光的入射方向依次排布。由于通过作物的反射光较弱，从而基于保护第二光谱探头18的考虑，在反射光通道3的端口处设置透光片16，该透光片16的直径为8mm，对自然光透过率超过99％。

与此同时，第二滤光片17采用3.5mm厚度设计，直径为8mm，对自然光透过率超过99％，如此在保证了进光量足够的同时，还避免了过多杂散光进入而对光照产生影响，并保护了内部的第二光谱探头18。另外，为了确保反射光通道3能够对经过作物的反射光在50°的视角范围内接收，本实施例可设置透光片16与第二滤光片17之间的距离占反射光通道3深度的70％-80％，其中，透光片16与第二滤光片17之间的距离可具体为8.6mm。

在另一个优选实施例中，在本体1内还设置有处理模块20、光电转换模块19及存储模块21，如图4所示，第一光谱探头15与第二光谱探头18分别通过相应的光电转换模块19连接处理模块20，处理模块20连接无线传输模块22与存储模块21。

具体的，第一光谱探头15与第二光谱探头18对应与一个光电转换模块19相连接，光电转换模块19在将采集到的光谱信息进行光电转换后，传输至处理模块20，处理模块20可以理解为本领域所公知的带有模数转换功能的处理芯片，从而处理模块20将接收到的模拟量信息转换成数字量信息，一方面可以通过存储模块21进行本地存储，另一方面也可以通过无线传输模块22无线上传至服务器，以便基于服务器25内置的分析模型对数据进行进一步的分析处理。

与此同时，考虑到实现采集装置的小型化、集成化，大幅度缩减配置成本，并便于在户外对数据进行无线上传与分析，第一光谱探头15与第二光谱探头18均可以为本领域所公知的CCD探测器，无线传输模块22优选为本领域所公知的蓝牙模块，以便将检测数据通过蓝牙无线传输至手持终端，如：智能手机，并由智能手机对接收到的进行进一步的数据分析，当然，无线传输模块22也可以为本领域所公知的3G模块或4G模块，以便与远端的服务器无线通讯连接。

优选地，如图4所示，本实施例中本体1上还设置有电源数据接口5与供电管理模块，电源数据接口5分别连接处理模块20与供电管理模块，供电管理模块通过电源开关6连接处理模块20，其中，如图1所示，电源开关6设置在本体1的上端面上，并可选择触摸式防水设计。

具体的，电源数据接口5可以为本领域所公知的TYPE-C接口，从而既能够实现充电功能，又可以进行数据传输。供电管理模块包括可充电电池23与电量监测模块24，从而电源数据接口5与处理模块20的信息传输端口通讯连接，并与可充电电池23电连接，由可充电电池23为本体1内的其它各个模块提供工作电源，并可通过按压电源开关6控制可充电电池23的供电状态，同时电量监测模块24用于实时检测可充电电池23的剩余电量，并将检测到的信息反馈至处理模块20，其中，电量监测模块24为本领域所公知的用于检测电池剩余电量的芯片。

与此同时，处理模块20的输出端还分别连接电量指示灯7、充电状态指示灯8、无线传输指示灯9及设备工作指示灯10。如图1所示，电量指示灯7可设置三个，可分别提示可充电电池23的电量为33％、66％、100％，充电状态指示灯8、无线传输指示灯9及设备工作指示灯10分别设置一个，并且，电量指示灯7、充电状态指示灯8、无线传输指示灯9及设备工作指示灯10在本体1的上端面上排布呈一条直线。

由此，在电源数据接口5通过相匹配的数据线连接外部电源，以进行充电时，处理模块20可实时控制充电状态指示灯8点亮；基于电量监测模块24实时对充电电池的剩余电量的检测与反馈，可由处理模块20分别控制不同的电量指示灯7依次点亮，以直观地显示可充电电池23内的电量情况；另外，操作人员在按动本体1上的电源开关6，以对作物进行光谱采集时，处理模块20也会控制本体1上的设备工作指示灯10同步点亮，同时无线传输模块22，如蓝牙模块，在进行无线数据传输时，控制模块还会控制无线传输指示灯9点亮。

优选地，如图4所示，本实施例还提供了一种作物长势监测***，包括服务器25、显示模块26及如上所述的便携式光谱数据采集装置；便携式光谱数据采集装置通讯连接服务器25，服务器25通讯连接显示模块26，其中，服务器25用于基于便携式光谱数据采集装置采集到的光谱信息实时生成作物的监测结果，由显示模块26进行同步显示，其中，显示模块26可以为本领域所公知的显示器。

具体的，本实施例提供的作物长势监测***，由于采用了上述便携式光谱数据采集装置，可基于服务器25内置的分析模型对便携式光谱数据采集装置采集到的数据进行分析处理，实时生成作物的监测结果，并通过显示模块26对监测结果进行同步显示，以便监测人员实时获取作物的长势情况。

其中，本实施例可优选具有联网与显示功能的智能手机来实现服务器25与显示模块26的作业功能。

在对作物，尤其是具有经济附加值的茶叶的长势监测时，可在智能手机内设单独开发的app访问端，该app访问端可与便携式光谱数据采集装置中的蓝牙模块进行无线数据传输，从而用户可基于app访问端发出数据请求指令，由便携式光谱数据采集装置响应并将采集的光谱信息上传给app访问端，app访问端将接收到的光谱信息回传给智能手机中的模型更新管理模块，该模型更新管理模块将接收到的数据根据地理位置、测量对象、品种、生育期等信息进行匹配后加入到同一类别的历史数据库中，并经过一定的算法，形成茶叶茶多酚含量、咖啡碱含量、糖含量、水浸出物含量、归一化植被指数NDVI、叶绿素含量、预测当前产量等多种监测参数，并将这些监测参数反馈至相应的分析模型，以供app访问端进行计算使用，app访问端基于接收到的检测参数，通过分析模型实时计算得到当前测量位点茶叶的长势状态信息并予以显示。

由此，本实施例所示的作物长势监测***，不仅能很好满足茶叶生长过程中对长势状态的实时采集分析显示，而且由于分析模型可实时更新，灵活选用，因此对于不同的茶叶品种、不同生育期、不同生长地点的检测分析更加精确，数据分析精度更高，可为茶园的科学管理提供有力的依据。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式光谱数据采集装置，其特征在于，包括本体；所述本体上设有入射光通道、反射光通道及无线传输模块；

其中，所述入射光通道与所述反射光通道均包括多个，并呈一一相对设置；所述入射光通道内装有第一光谱探头，用于接收太阳光；所述反射光通道内装有第二光谱探头，用于接收来自作物的反射光；所述第一光谱探头与所述第二光谱探头均连接所述无线传输模块。

2.根据权利要求1所述的便携式光谱数据采集装置，其特征在于，

所述本体上还设有水平仪；所述入射光通道与所述反射光通道平行设置并垂直于所述本体的上端面与下端面，所述入射光通道的端口形成在所述上端面，所述反射光通道的端口形成在所述下端面。

3.根据权利要求1或2所述的便携式光谱数据采集装置，其特征在于，所述入射光通道内还设有余弦校正器与第一滤光片，所述余弦校正器、所述第一滤光片及所述第一光谱探头沿着所述太阳光的入射方向依次排布；

和/或，所述反射光通道内还设有透光片与第二滤光片，所述透光片、所述第二滤光片及所述第二光谱探头沿着所述反射光的入射方向依次排布。

4.根据权利要求3所述的便携式光谱数据采集装置，其特征在于，

所述余弦校正器位于所述入射光通道的端口处；所述透光片位于所述反射光通道的端口处，且所述透光片与所述第二滤光片之间的距离占所述反射光通道深度的70％-80％。

5.根据权利要求1所述的便携式光谱数据采集装置，其特征在于

所述第一光谱探头与所述第二光谱探头均包括CCD探测器，所述无线传输模块包括蓝牙模块。

6.根据权利要求1或2所述的便携式光谱数据采集装置，其特征在于，所述本体内还设置有处理模块、光电转换模块及存储模块，所述第一光谱探头与所述第二光谱探头分别通过相应的光电转换模块连接所述处理模块，所述处理模块连接所述无线传输模块与所述存储模块。

7.根据权利要求6所述的便携式光谱数据采集装置，其特征在于，

所述本体上还设置有电源数据接口与供电管理模块，所述电源数据接口分别连接所述处理模块与所述供电管理模块，所述供电管理模块通过电源开关连接所述处理模块。

8.根据权利要求7所述的便携式光谱数据采集装置，其特征在于，

所述供电管理模块包括可充电电池与电量监测模块，所述可充电电池连接电源数据接口与所述处理模块，所述电量监测模块连接所述可充电电池与所述处理模块；所述处理模块还分别连接电量指示灯、充电状态指示灯、无线传输指示灯及设备工作指示灯。

9.一种作物长势监测***，其特征在于，包括服务器、显示模块及如权利要求1至8任一所述的便携式光谱数据采集装置；所述便携式光谱数据采集装置通讯连接所述服务器，所述服务器通讯连接所述显示模块，其中，所述服务器用于对所述便携式光谱数据采集装置采集到的光谱信息进行处理，实时生成作物的监测结果，所述显示模块同步显示所述监测结果。

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