一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，包括多光谱探测模块、光学相机模块、姿态传感模块、微控制器、微型计算机模块和网络通信模块。所述多光谱探测模块包括多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块和传感器控制主板；多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块平行设置，通过SPI总线连接到微控制器；姿态传感模块安装于传感器控制主板上，通过IIC总线连接到微控制器；微控制器、光学相机模块与网络通信模块通过USB总线连接到微型计算机模块。本发明专利技术结构简单，能实现作物冠层多波段反射光谱光照条件自适应测量，并获取作物冠层真彩色图像信息，从而实现作物营养状况、长势信息实时采集与动态监测。

A multispectral and optical camera sensor device for crop growth monitoring

【技术实现步骤摘要】
一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置
本专利技术属于农业无损检测与探测
(植物生理仪器领域)，具体涉及一种用于作物长势监测的非成像多光谱及光学相机传感器装置。
技术介绍
作物长势是当前和近期作物生长状况及其变化快慢和均匀程度的综合体现，可通过形态指标和营养指标来进行表征。其中形态指标反映了近期作物生长发育情况，包括，如叶面积、覆盖度、高度等信息，而营养指标反映了当前作物营养健康状况，包括，如色素含量、氮素含量、水分含量等信息。作物长势状况总体反应了作物生长状况与受外界条件胁迫情况，是对作物进行水肥调控、估产的重要依据。遥感探测技术在农作物生长状况监测、评估、研究与应用方面发挥了重要作用。作物形成不同的长势状况主要是由于形态与营养指标的变化引起，而二者指标的变化会在不同波段形成特定吸收和散射特性，从而在反射光谱波段形成较明显的差异。因此，可通过光谱仪等设备对光谱信息进行探测，结合模型反演作物形态与营养指标的含量特征，从而用于反映作物总体长势状况。目前，许多研究虽基于卫星高光谱遥感、无人机高光谱遥感、地物光谱仪实测等技术获取了作物长势状况相关的高光谱信息，然而这些技术手段获取的高光谱数据成本较高，而且数据冗余性强、处理复杂，导致获取的作物长势信息实时性较差。为减少获取光谱数据的冗余性、降低数据处理难度，一些研究提出了选取若干特定波段用于反映作物长势信息。而且目前也有学者基于多光谱技术研发了一些传感器，包括成像光谱仪及非成像光谱仪。例如，申请专利号【201610015206.0】采用相机与窄带滤光片组合的成像光谱方式。这些装置虽能以较低成本获取光谱和图像信息，但没有入射光探测装置，对天气条件要求较高。在天气条件稳定的环境精度较高，但对多云、阴天等天气的适应能力较差。另外，此类装置可扩展性较差，各相机之间的图像标定、匹配算法较为复杂、后期数据处理也相对复杂，故目前此类装置所能提供的波段数量较少，导致获取的光谱信息不完整。申请专利号【200410074311.9】为代表的设备为非成像光谱设备，能够使用较低成本的光电传感器获取光谱信息，但丢失了大量反应作物冠层结构的图像信息，且大都是采用人工手持方式进行数据采集，这种采集方式无法满足现代智慧农业的自动化发展需求。申请专利号【201920791243.X】为代表的农田环境采集装置虽然能实现自动化数据采集，但传感器探测对象以传统气象要素为主，虽然有部分装置搭载RGB相机，但仍以监测农田安全为目的。虽然气象要素对作物的生长具有很大的影响作用，但无法反应土壤中营养物质以及水肥因素对作物生长的影响，也就无法真正反映作物长势状况。目前作物长势监测研究大多基于静态图像或光谱数据，且数据获取和处理时效性差，分析结果具有一定滞后性，少有学者研究作物生长过程连续动态的光谱变化特征。而且，针对作物生长过程中光谱、叶片及冠层形状、生育期等信息进行连续动态观测的图谱采集传感器的研究还鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术针对现有的农田环境作物长势监测传感器数据处理难度高、实时性低、获取图像和光谱数据不完整、光谱波段针对性低、可扩展性差、自动化程度低等问题，在能同时获取反映作物长势生化参量的光谱信息和作物结构的图像信息的前提下，专利技术了一种针对作物长势监测的特定光谱波段与图像采集、处理及监测的传感器装置，利用光电传感器以及无线传输技术对作物冠层多波段反射光谱以及真彩色图像进行实时采集与传输，成本低廉、使用便捷。本专利技术采用的技术方案是：一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，包括多光谱探测模块、光学相机模块、姿态传感模块、微控制器、微型计算机模块和网络通信模块。所述多光谱探测模块由多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块、传感器控制主板三部分构成；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块平行安装；所述多光谱入射光探测模块提供自适应光照功能，所述多光谱反射光探测模块使用反射光窄带滤光片获取设定波长的反射光谱信息；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块通过SPI总线与微控制器相连接。所述光学相机模块安装于多光谱反射光探测模块中部，用于同步采集作物冠层图像信息。所述姿态传感模块固定安装于多光谱入射光探测模块和多光谱反射光探测模块之间的传感器控制主板上，通过IIC总线与微控制器相连接。所述微型计算机模块通过USB通信与微控制器相连接，与所述网络通信模块共同放置于防水箱中，用于信息的处理与存储。所述多光谱探测模块使用窄带滤光片产生530nm、570nm、680nm、700nm、740nm、780nm六个特征波长。所述光学相机模块由RGB相机、相机支架和镜头保护玻璃构成，安装于所述多光谱反射光探测模块中心部位，用于实现冠层图像的采集。所述多光谱入射光探测模块包括六个入射光探测器，所述多光谱反射光探测模块包括六个反射光探测器，共同构成六个光谱探测通道，用于测量冠层入射光辐亮度以及反射光辐亮度。所述六个反射光探测器，以摄像头安装孔为中心，在三个方向上采用每组两个反射光探测器相邻平行安装的方式排布，与所述RGB相机、光谱探测通道之间获取最小化的视场差距。所述姿态传感模块与多光谱入射光探测模块平行安装，由x、y、z三轴加速度计与x、y、z三轴陀螺仪的集成芯片及外围电路构成，使用卡尔曼滤波方式计算姿态数据，实现本监测传感器整体姿态检测。所述微型计算机模块由嵌入式单板微型计算机、散热装置、保护外壳组成，所述嵌入式单板微型计算机运行linux系统，用于各传感器采集信息的汇总处理。所述网络通信模块采用高性能网桥模块进行网络中继，使用4G、5G网卡模块通过USB、RJ45、串口、共享热点方式为微型计算机模块提供网络连接。本专利技术的有益效果是：针对反映作物长势信息的特征波段进行光谱探测模块设计，并通过多光谱探测模块和图像采集分开设计的方式，使用较低成本同时获取用于作物长势监测的光谱和图像信息，提高了传感器的可扩展性，并通过微型计算机自动完成信息采集，实现作物长势不同生育期长时间连续监测，提高作物长势监测的自动化程度。本专利技术的非成像多光谱传感器获取的多光谱反射率可用于反演作物生理及生化组分含量信息，其光学相机获取的真彩色图片可用于提取作物覆盖度及生育期等信息。上述信息可用于作物长势快速无损监测，对于作物生长状况监测以及后续产量估算意义重大。附图说明图1为本专利技术的系统框图；图2为本专利技术的多光谱及光学相机传感器主视图；图3为入射光探测器结构图；图4为反射光探测器结构图；图5为多光谱入射光探测模块布局图；图6为多光谱反射光探测模块布局图；图7为滤光片透射率曲线与典型植物反射率光谱曲线；图8为本专利技术的安装示意图；图9为本专利技术的白板标定(校正)示意图。图中：1、入射光探测器；2、多光谱入射光探测模块；3、传感器控制主板；4、姿态传感模块；5、微控制器；6、光学相机模块；7、多光谱反射光探测模块；8、反射光探测器；9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：/n包括多光谱探测模块、光学相机模块、姿态传感模块、微控制器、微型计算机模块和网络通信模块；/n所述多光谱探测模块由多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块、传感器控制主板三部分构成；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块平行安装；所述多光谱入射光探测模块提供自适应光照功能，所述多光谱反射光探测模块使用反射光窄带滤光片获取设定波长的反射光谱信息；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块通过SPI总线与微控制器相连接；/n所述光学相机模块安装于多光谱反射光探测模块中部，用于同步采集作物冠层图像信息；/n所述姿态传感模块固定安装于多光谱入射光探测模块和多光谱反射光探测模块之间的传感器控制主板上，通过IIC总线与微控制器相连接；/n所述微型计算机模块通过USB总线与微控制器相连接，与所述网络通信模块共同放置于防水箱中，用于信息的处理与存储。/n

【技术特征摘要】
1.一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：
包括多光谱探测模块、光学相机模块、姿态传感模块、微控制器、微型计算机模块和网络通信模块；
所述多光谱探测模块由多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块、传感器控制主板三部分构成；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块平行安装；所述多光谱入射光探测模块提供自适应光照功能，所述多光谱反射光探测模块使用反射光窄带滤光片获取设定波长的反射光谱信息；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块通过SPI总线与微控制器相连接；
所述光学相机模块安装于多光谱反射光探测模块中部，用于同步采集作物冠层图像信息；
所述姿态传感模块固定安装于多光谱入射光探测模块和多光谱反射光探测模块之间的传感器控制主板上，通过IIC总线与微控制器相连接；
所述微型计算机模块通过USB总线与微控制器相连接，与所述网络通信模块共同放置于防水箱中，用于信息的处理与存储。


2.根据权利要求1所述的一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：
所述多光谱探测模块使用窄带滤光片产生530nm、570nm、680nm、700nm、740nm、780nm六个特征波长。


3.根据权利要求1所述的一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：
所述光学相机模块由RGB相机、相机支架和镜头保护玻璃构成，用于实现冠层图像的采集。


4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴开华，李凯强，周贤锋，张竞成，张垚，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33