一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，由控制器、传感器高度调节装置、外部扩展接口、对管传感器阵列、存储器、外设接口、通信接口和电源组成。在控制器作用下，利用对管传感器阵列对株高信息进行获取，结合各功能模块，实现对株高的精确、快速、在线监测。本发明专利技术株高测量系统智能化程度高、成本低、抗干扰能力强、结构简单，可对低杆和高杆作物进行株高的在线实时测量。

A low cost and high-precision plant height measurement system based on infrared light sensitive tube array

The invention discloses a method based on the infrared photo tube array with low cost and high precision height measurement system consists of controller, sensor height adjusting device, external expansion interface, the tube sensor array, memory, peripheral interface, communication interface and power supply. Under the influence of the controller, the information of plant height is obtained by using the sensor array, and the accurate, fast and on-line monitoring of the plant height is realized by combining the functional modules. The height measuring system of the invention has the advantages of high intelligence, low cost, strong anti-interference ability and simple structure, and can be used for on-line and real-time measurement of the plant height of the rod and rod crops.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，属于智能化农业机械领域。
技术介绍
作物长势信息是获取作物营养状况、水分、病虫草害、生理等信息和按照作物生长状况对作物进行科学管理的基础和依据。目前，我国的设施园艺栽培总面积处于世界第一，但我国设施农业的科技和总体发展水平低，设施园艺环境调控水平和荷兰等农业发达国家相比差距较大，严重阻碍了设施农业的高效发展。突出的问题是目前主要依据温室环境因子进行温室环境控制，没有考虑植物生长的状况和植物生长的实际需要，没有做到精准管理，造成作物产量不高，运行能耗偏大。按照“优质、高效、节能、低碳、安全”的要求，需解决按照作物生长真实需要进行水肥药动态控制和一体化管理。株高是作物长势信息的关键指标之一，因此，获得作物的株高信息是农田自动化管理中非常重要的环节，是实现农业现代化的关键技术之一。株高的人工手动测量虽然准确度高，但费时、费力，已不能满足现代农业发展的需要。在现有技术中，一些学者利用超声波传感器、激光测距传感器以及机器视觉对株高的实时监控进行了研究并取得了一定成果。论文1《Performanceevaluationofmultiplegroundbasedsensorsmountedonacommercialwildblueberryharvestertosenseplantheight,fruityieldandtopographicfeaturesinreal-time》(ComputersandElectronicsinAgriculture,2013)将超声波传感器安装到商用野蓝莓收获机上对株高的测量进行了研究，结果表明：超声波传感器的电压输出与株高的手动测量值显著相关；论文2《Plantheightestimationusingtwosensingsystems》(ASAEannualinternationalmeeting,2012)融合立体机器视觉和超声波传感，对玉米株高进行了研究，然而由于对环境干扰(如土壤条件、光照强度、冠层形状及颜色等)的敏感性，限制了机器视觉在生产实践中的应用。超声波传感器和激光测距传感器在株高测量中面临的主要难题是传感器难于对准作物的主茎部，导致测量精度低。论文3《Terrestriallaserscanningforplantheightmeasurementandbiomassestimationofmaize》(J].TheInternationalArchivesofthePhotogrammetry,RemoteSensingandSpatialInformationSciences,2011)利用近地激光扫描技术对玉米植株株高和生物质量进行了测量；论文4《Multi-temporalcropsurfacemodelsderivedfromterrestriallaserscanningforaccurateplantheightmeasurementandbiomassestimationofbarley》(ProceedingsoftheWorkshoponUAV-basaedRemoteSensingMethodsforMonitoringGeographischeArbeiten,2014)和论文5《Multitemporalcropsurfacemodels:accurateplantheightmeasurementandbiomassestimationwithterrestriallaserscanninginpaddyrice》(JournalofAppliedRemoteSensing,2014)分别对大麦和水稻株高进行了研究，测量精度达到厘米级仍不够高，另外这两项研究中均采用了价格高的三维激光扫描仪RieglVZ-1000，导致株高监控系统价格高。综上所述，目前对株高实时监测存在价格高、测量精度低、抗干扰能力弱的缺陷，迫切需要研发低成本、高精度、抗干扰(尤其是环境光照)能力强的株高实时监测技术和装置来弥补。论文6《3YDX-3型烟草打顶抑芽机设计》(农业工程学报，2010)中公开了一种基于光敏对管的烟草株高检测系统，该系统采用16对光敏对管对烟草株高进行测量，16对光敏对管安装在距离为200mm的两个相对支架上，每个支架上安装8个发射管和8个接收管，按照发射管和接收管交错排列方式安装，即发射管—接收管——发射管……接收管方式排列，同一支架上，相邻两对管的距离为20mm,其中一个支架上相应位置安装的发射管与另一个支架相同高度上安装的接收管对应，该系统的不足之处是：由于同一支架上安装相邻两对管的距离为20mm，导致测量分辨率为20mm，测量精度较低。论文7《智能烟草打顶抑芽机控制系统》中公开的烟草高度测量系统，采用将15个集接收和发送为一体的漫发射式红外光电传感器，15个传感器固定安装在一个竖直支架上成一列“一”字排开，但由于相邻传感器间的距离仅为20mm，仍然存在论文6测量精度低的缺陷，另外由于传感器存在一个较大的反射角，导致一个传感器的反射信号可能被其他的传感器接收，从而导致株高测量误差的增加。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，以实现快速、在线、实时获取株高信息，提高智能化，降低成本，提高精度，提升抗外界环境干扰能力，增加适用范围，使安装方便。为了解决以上技术问题，本专利技术采用151对对射式红外光敏对管组成的阵列对株高进行检测，具体技术方案如下：一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，包括：控制器主机板(4)、传感器高度调节装置(5)、外部扩展接口(6)、对管传感器阵列(7)、存储器(8)、通信接口(9)、外设接口(10)和电源(11)；其特征在于还包括：电源(11)、存储器(8)、通信接口(9)、外设接口(10)均与控制器主机板(4)直接相连；对管传感器阵列(7)通过外部扩展接口(6)与控制器主机板(4)连接；传感器高度调节装置(5)的一端与管传感器阵列(7)机械连接，另一端与控制器(25)电气连接。所述对管传感器阵列(7)由焊接在电路板A和电路板B上的151对对射式红外光敏对管组成；所述光敏对管由发射管(1)和接收管(2)配对而成；所述两块电路板尺寸大小相同，使用时安装在作物(3)两侧，电路板A上的发射管(1)与电路板B相应位置的接收管(2)一一相对安装并保持一条直线；在电路板A和电路板B上分别焊接有10列对管传感器，相邻两列传感器间距为15mm，第一列安装有16个传感器，每相邻两个传感器的间距为20mm，16个传感器的有效范围为300mm；从第2列开始，每列传感器安装位置依次比前一列低2mm，同一列两传感器之间的距离均为20mm；每列或者相邻两列传感器按照发射管-接收管-发射管-接收管……的顺序交错安装。所述的外部扩展接口(6)包括译码器(12)、地址锁存器(13)和并行接口芯片(14)组成，并行接口芯片(14)通过译码器(12)与地址锁存器(13)与控制器(25)连接。所述外设接口(10)包括电机驱动器(20)、步进电机(21)、显示器(18)和键盘(19)；显示器(18)和键盘(19)分别与控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，包括：控制器主机板(4)、传感器高度调节装置(5)、外部扩展接口(6)、对管传感器阵列(7)、存储器(8)、通信接口(9)、外设接口(10)和电源(11)；其特征在于还包括：电源(11)、存储器(8)、通信接口(9)、外设接口(10)均与控制器主机板(4)直接相连；对管传感器阵列(7)通过外部扩展接口(6)与控制器主机板(4)连接；传感器高度调节装置(5)的一端与管传感器阵列(7)机械连接，另一端与控制器(25)电气连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，包括：控制器主机板(4)、传感器高度调节装置(5)、外部扩展接口(6)、对管传感器阵列(7)、存储器(8)、通信接口(9)、外设接口(10)和电源(11)；其特征在于还包括：电源(11)、存储器(8)、通信接口(9)、外设接口(10)均与控制器主机板(4)直接相连；对管传感器阵列(7)通过外部扩展接口(6)与控制器主机板(4)连接；传感器高度调节装置(5)的一端与管传感器阵列(7)机械连接，另一端与控制器(25)电气连接。2.根据权利要求1所述的一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，其特征在于：所述对管传感器阵列(7)由焊接在电路板A和电路板B上的151对对射式红外光敏对管组成；所述光敏对管由发射管(1)和接收管(2)配对而成；所述两块电路板尺寸大小相同，使用时安装在作物(3)两侧，电路板A上的发射管(1)与电路板B相应位置的接收管(2)一一相对安装并保持一条直线；在电路板A和电路板B上分别焊接有10列对管传感器，相邻两列传感器间距为15mm，第一列安装有16个传感器，每相邻两个传感器的间距为20mm，16个传感器的有效范围为300mm；从第2列开始，每列传感器安装位置依次比前一列低2mm，同一列两传感器之间的距离均为20mm；每列或者相邻两列传感器按照发射管-接收管-发射管-接收管……的顺序交错安装。3.根据权利要求1所述的一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，其特征在于：所述的外部扩展接口(6)包括译码器(12)、地址锁存器(13)和并行接口芯片(14)组成，并行接口芯片(14)通过译码器(12)与地址锁存器(13)与控制器(25)连接。4.根据权利要求1所述的一种基于红外光敏对管阵列的低成本高精度株高测量系统，其特征在于：所述外设接口(10)包括电机驱动器(20)、步进电机(21)、显示器(18)和键盘(19)；显示器(18)和键盘(19)分别与控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晋阳，魏新华，毛罕平，李美清，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32