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《南京农业大学》 2016年
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CGMD401作物生长监测诊断仪的电路优化研究

吴顺  
【摘要】:主动光源式作物生长监测诊断仪是通过测量作物冠层对仪器自身携带光源的反射光谱来获取作物生长信息,具有无损、快捷、高效等优点,为作物苗情调查及生产管理提供一种便携式方法与设备。本研究以南京农业大学国家信息农业工程技术中心研制的CGMD401作物生长监测诊断仪为对象,分析了其电路存在的测量精度低、功耗大等问题,提出了基于LED发光强度变化的反射光谱检测以及基于光电信号基波峰值检测的两种方法解决测量精度低的问题;采用LED分时点亮以及芯片按电压分类供电的方式解决电路功耗大的问题。研究结果为作物生产管理提供了可靠、稳定、精确的传感设备,对于推动我国作物栽培信息化提供了技术支撑,促进了我国现代农业的发展。首先,本文介绍了光谱无损监测技术在作物生长信息获取领域中的优势,分析主动光源式作物生长监测诊断仪的研究进展以及存在的问题,结合CGMD401作物生长监测诊断仪电路系统存在测量精度低、功耗大等缺陷确定了本文的研究目的和意义。提出了基于LED发光强度变化的反射光谱检测以及基于光电信号基波幅值检测的两种方法来解决仪器测量精度低的缺陷,采用LED分时点亮以及芯片按电压分类供电的方式解决了功耗大的缺陷,并确定了研究内容和技术路线。其次,从硬件电路和系统软件两个部分对CGMD401作物生长监测诊断仪的电路系统进行优化设计。为了消除LED发光强度对仪器测得的冠层反射光谱的影响,通过仪器内置的光电二极管获取LED发光强度,从而建立冠层反射光谱补偿模型,对仪器测得冠层反射光谱值进行补偿校正,提高了仪器测量的精确性。为了从噪声信号获得光电信号的幅值,运用信号处理电路(由电流电压转换电路、滤波电路、电压转换电路三部分组成)来获得光电信号基波的幅值,利用傅里叶变换的方式将基波幅值变换为光电信号的幅值,提高了仪器的抗干扰性。为了降低仪器电路系统的功耗,通过微处理器输出PWM信号来控制730nm与810nm两个波段LED交替点亮,以及选用低功耗的芯片来完成电路设计,使得仪器的功耗降低到优化前的一半,延长了仪器的工作时间。最后将优化后的硬件电路模块集成到一起,完成了 PCB的设计。系统软件部分以优化后硬件电路为核心,以实现诊断仪的“测量”、“监测”、“诊断”功能为前提,分别从主控程序以及驱动子程序两个部分完成设计。最后,本文为了验证优化后仪器的性能,分别进行仪器的室内验证和田间验证试验。室内验证试验分为电路功能试验以及LED能耗试验。田间试验分为小麦试验和水稻试验。通过室内试验和田间试验结果表明,相比于CGMD401,优化后仪器测得的值与地物光谱仪测得值的相关性有所提升(以小麦试验为例,CGMD401未进行水稻试验),NDVI值相关系决定系数R~2=0.8538(CGMD401的R~2=0.7017),RVI值的R~2=0.8562(CGMD401的R~2=0.7071)。优化后的仪器工作时间为10小时以上(CGMD401工作时间为5小时左右),功耗降低为原来的一半以上。
【学位授予单位】:南京农业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S237

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