郭新東，孫 瑜，張永梅

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷 030801）

0 引言

玉米是中國第一大糧食作物，在國民經(jīng)濟(jì)和糧食安全方面發(fā)揮了重要作用。玉米葉片中的水分含量能夠反映整株玉米的生長(zhǎng)信息，是玉米生長(zhǎng)過程中的重要生理指標(biāo)[1-3]。實(shí)時(shí)獲取玉米葉片水分對(duì)于玉米狀況監(jiān)測(cè)、灌溉模式、生理生化研究和旱情預(yù)測(cè)等方面均具有重要意義。國內(nèi)外常用的水分檢測(cè)方法有癥狀檢測(cè)法、生理指標(biāo)測(cè)定法、電容電阻檢測(cè)儀檢測(cè)法等。這些檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果顯示直觀、測(cè)量準(zhǔn)確，但也存在破壞作用、檢測(cè)過程復(fù)雜和耗時(shí)耗力等缺點(diǎn)。近紅外光譜與有機(jī)分子中含氫基團(tuán)(OH、NH、CH)振動(dòng)的合頻和各級(jí)倍頻的吸收區(qū)一致，通過掃描樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中有機(jī)分子含氫基團(tuán)的特征信息[4-5]?；诮t外光譜的檢測(cè)技術(shù)快速、無接觸、精度較高，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6]。周翔等[7]基于近紅外高光譜技術(shù)進(jìn)行甜菜種子活性檢測(cè)，模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到91.92%，已滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。劉曉等[8]分析了近紅外光譜技術(shù)在茶類鑒定、產(chǎn)地識(shí)別、等級(jí)評(píng)價(jià)、茶飲料辨別等方面的應(yīng)用，并通過光譜技術(shù)快速檢測(cè)茶葉中各化學(xué)品質(zhì)成分的含量。王轉(zhuǎn)衛(wèi)等[9]基于近紅外光譜技術(shù)研究了發(fā)育后期蘋果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)。韋紫玉等[10]基于近紅外漫反射光譜技術(shù)研究小麥蛋白質(zhì)含量檢測(cè)。Wang 等[11]研究了均勻化對(duì)近紅外漫反射光譜法檢測(cè)牛奶蛋白含量的影響?；诮t外的水分檢測(cè)應(yīng)用也較廣泛，Zhou等[12]設(shè)計(jì)了一種基于近紅外LED光源的土壤水分探測(cè)器，使用多種波長(zhǎng)LED綜合判定土壤水分。蔡盛康等[13]研究了基于NIRS 技術(shù)的丹參配方顆粒水分與指標(biāo)成分的快速測(cè)定方法。張艷敏等[14]基于光譜技術(shù)檢測(cè)玉米種子的含水率和活力。然而近紅外光譜儀器一般價(jià)格昂貴、田間操作不靈活，也不利于做儀器的二次開發(fā)，因此不適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用[15]。新型近紅外儀器的研究已經(jīng)有一定的成果。洪期鳴[16]研究與優(yōu)化了近紅外水分儀，設(shè)計(jì)了完整的恒低溫控制系統(tǒng)，優(yōu)化后的近紅外水分儀在精度和靈敏度方面都有明顯提升。但是傳統(tǒng)近紅外分析儀大多選用白熾燈作為光源，整體功耗大且發(fā)熱明顯，長(zhǎng)時(shí)間使用影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和儀器的壽命，并且儀器發(fā)射的連續(xù)光譜中只有很小的一部分紅外光線是實(shí)際測(cè)量中應(yīng)用的。而近紅外發(fā)光二極管LED 可發(fā)出特定波長(zhǎng)范圍的光線，單色性好，無熱輻射性，方便制作便攜式設(shè)備。玉米生長(zhǎng)指標(biāo)敏感波段的研究成果[17-18]證明葉片在900～1600 nm近紅外光譜中有特定波長(zhǎng)的光吸收峰。通過測(cè)量葉片對(duì)特定波長(zhǎng)光的吸收率就可以得到葉片含水量信息。本研究以波長(zhǎng)為1450 nm的LED為單波段光源，通過光探測(cè)裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并計(jì)算出葉片對(duì)光源吸收率，建立近紅外光吸收率與葉片含水率擬合函數(shù)，然后由光吸收率與擬合模型反演出葉片含水率，設(shè)計(jì)基于STM32的便攜式近紅外水分無損測(cè)量?jī)x。

1 便攜近紅外葉片水分無損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

便攜式近紅外水分測(cè)量?jī)x由光源-傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、單片機(jī)主控模塊、鍵盤及顯示模塊、電源模塊等組成，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)使用1450 nm 的紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光源，銦嫁砷紅外探測(cè)器作為紅外光傳感接受光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路輸入單片機(jī)進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，最終由顯示屏顯示電信號(hào)及含水量，控制按鍵用于單片機(jī)功能轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)電源給單片機(jī)系統(tǒng)及光源供電。

1.2 光源——傳感器電路

采用光譜穩(wěn)定、單一、方向性良好的LED 發(fā)管二極管做光源[19]，型號(hào)為CY-C5MM1401R-T1，發(fā)光光譜1400～1450 nm，發(fā)射角度15°，光譜穩(wěn)定，照射角度集中。采用以銦嫁砷(InGaAs)為材料的PIN型光電二極管作為光電探測(cè)器接收近紅外光，響應(yīng)范圍800～1700 nm，響應(yīng)度0.85 A/W。近紅外光分析方法采用透射形式[20]，使光源照射穿過樣本，測(cè)量投射過的光強(qiáng)。使發(fā)光二極管、被測(cè)葉片與紅外探測(cè)器位于一條直線上，光源-紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。用黑色不透光的中性筆筆帽和筆桿，LED光源固定在筆桿尾部，紅外探測(cè)器固定在筆帽頭部與在一起。1450 nm LED光源發(fā)出的紅外光線垂直透過被測(cè)葉片，再垂直入射紅外探測(cè)器，被測(cè)葉片的接觸面積約為1 cm，紅外探測(cè)器與被測(cè)葉片的距離和角度保持固定。不夾住葉片時(shí)將筆帽和筆桿直接閉合可采集光源發(fā)射的全光信號(hào)，而將筆帽和筆桿夾住葉片閉合可采集經(jīng)葉片吸收后的光透射信號(hào)。紅外探測(cè)器接收到包含特征光信息和噪聲干擾的光輻射信號(hào)，光照變化產(chǎn)生的電流信號(hào)變化。

圖2 光源-紅外光探測(cè)器結(jié)構(gòu)

1.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要由跨阻放大器、二階有源低通濾波、反相比例運(yùn)算放大和電壓跟隨器電路等組成，作用是將信號(hào)進(jìn)行適度放大、濾波、整形等，從中提取出特征光信息，電路如圖3 所示。跨阻放大器[21]用在紅外光探測(cè)器前端，將紅外光探測(cè)器產(chǎn)生的微弱的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大成為便于后續(xù)電路處理的變化較明顯的有效電壓信號(hào)，跨阻放大器主要由運(yùn)算放大器和電阻等組成。二階有源低通濾波器將信號(hào)采集過程中夾雜的空氣紅外線雜波濾除掉。有源濾波是由電阻、電容和運(yùn)算放大器組成，主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)與濾除的諧波大小相同但相位相反的諧波，來抵消電路中諧波。反相比例運(yùn)算放大電路將信號(hào)進(jìn)行前序電路處理的相位上的反轉(zhuǎn)信號(hào)反向，從而便于單片機(jī)處理。電壓跟隨器電路起隔離保護(hù)作用，其輸出電壓基本與輸入電壓保持不變，讓前后級(jí)電路隔離。放大電路后加入2 個(gè)肖特基二極管作為保護(hù)電路，使電壓穩(wěn)定在0～3.3 V之間，以免信號(hào)放大后的電壓過大或者其他原因引起的電壓過大損壞電路。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

調(diào)理后的信號(hào)送入到STM32 進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換。STM32內(nèi)部ADC屬于逐次逼近型，分辨率為12位，對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化換算為電壓值，如式(1)。

式中，V為顯示電壓值，A為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際值。

1.4 單片機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)單片機(jī)選用STM32F103c8T6[22]為處理核心，其引腳數(shù)目少，體積小巧，運(yùn)行功耗低，便于便攜式設(shè)備使用[23]。輸入接口采集1450 nm 波段光信號(hào)、葉片透射光信號(hào)，對(duì)采集到的光信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、計(jì)算出光吸收率。耦合出玉米葉片近紅外光與含水率模型后，將模型寫入STM32，進(jìn)而近紅外水分儀再次測(cè)量試驗(yàn)得到的光信號(hào)與擬合模型反演出玉米葉片含水率，并由LCD實(shí)時(shí)顯示，通過控制按鍵切換光譜測(cè)量、含水率診斷、復(fù)位3種工作模式。單片機(jī)各引腳如表1所示。

表1 STM32引腳說明

1.5 電源模塊

整個(gè)電路要設(shè)計(jì)3 個(gè)供電模塊，一個(gè)是STM32和光源發(fā)射電路的供電模塊，一個(gè)是給模擬放大電路提供的4.5 V供電電源，另一個(gè)是-4.5 V的供電電源。電路系統(tǒng)供電為5 V 電壓，首先選擇了220 V 降雙7.5 V的變壓器，變壓器后接一個(gè)橋式整流電路將交流電整流為直流電，經(jīng)過電解電容濾波，在電解電容后接入三端穩(wěn)壓芯片lm78及l(fā)m79系列，lm7805輸出電壓為5 V，lm7905輸出電壓為-5 V。三端穩(wěn)壓器后面接入0.1 μF的電容，最終得到了±5 V的穩(wěn)壓電源。

1.6 鍵盤顯示模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3 層顯示界面，最初顯示基準(zhǔn)值設(shè)置界面，檢測(cè)到操作后顯示光測(cè)量界面、含水量顯示界面，通過3 個(gè)鍵盤模塊相互轉(zhuǎn)換，顯示屏選用OLED12864[24]，使用4 線公針連接到單片機(jī)上，采用I2C通信方式，模塊內(nèi)部包含64×64的數(shù)據(jù)RAM。

1.7 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件將實(shí)現(xiàn)光信號(hào)采集、含水率診斷、復(fù)位功能，如圖4 所示。（1）數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)采集無葉片時(shí)全光信號(hào)和葉片透射光信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)由STM32 記錄存儲(chǔ)。（2）數(shù)據(jù)計(jì)算。水分標(biāo)定試驗(yàn)后將光吸收率和葉片含水率的擬合函數(shù)寫入STM32，根據(jù)新采集的全光譜電壓值、光透射電壓值的計(jì)算出葉片光吸收率，從而由擬合函數(shù)反演出葉片含水率。（3）數(shù)據(jù)顯示。能夠在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示全光譜電壓值、光透射的電壓值以及葉片含水率。（4）按鍵控制。通過按鍵切換3種工作模式。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

1.8 系統(tǒng)實(shí)物

系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)如圖5所示，主要有信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)理與主控、顯示模塊和電源模塊。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖

2 結(jié)果與分析

2.1 水分標(biāo)定

試驗(yàn)地點(diǎn)位于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)移動(dòng)式控制大棚玉米試驗(yàn)田，玉米生長(zhǎng)期獲得充足陽光。試驗(yàn)地土地平整，肥力均勻，前茬小麥。試驗(yàn)玉米品種‘中地159’，株高80 cm左右，株型緊湊，玉米培育實(shí)施水分脅迫。樣品光譜采集時(shí)期為處于抽穗期的玉米植株，分別采集水分脅迫下新鮮玉米葉片，采集時(shí)間為12:00—14:00。采集時(shí)，首先在無葉片下閉合LED 光源-紅外光探測(cè)器，記錄此時(shí)測(cè)量電路顯示的電壓值即全光電壓值并作為基準(zhǔn)電壓。然后用光源-紅外光探測(cè)器夾住玉米葉片，記錄測(cè)量電路顯示的電壓值即葉片光透射電壓值，測(cè)量時(shí)分別在葉片葉頭、葉中和葉尾采集3 個(gè)點(diǎn)，在葉片上每點(diǎn)再測(cè)3次共計(jì)9個(gè)值，取平均值即為葉片光平均透射電壓值。葉片光吸收率由式(2)計(jì)算。

使用烘干法測(cè)量葉片實(shí)際含水率。使用精度為精度0.001 g的精密天平測(cè)量葉片濕重，把葉片放入烘干風(fēng)箱加熱至100℃，烘干至恒質(zhì)量，取出記錄葉片干重。測(cè)量葉片含水率計(jì)算如式(3)。

2.2 線性擬合

近紅外光吸收率與玉米葉片含水率信息使用Matlab耦合建模[25-26]。52組試驗(yàn)樣本的光吸收率和含水率數(shù)據(jù)使用Matlab做建模預(yù)處理篩選，相關(guān)性分析通過設(shè)置閾值排除2 組超過閾值的相關(guān)性較差數(shù)據(jù)，得到50組有效數(shù)據(jù)，按照3:1的比例將數(shù)據(jù)隨機(jī)分為2組，其中取40組作為建模集、10組用于測(cè)試集，數(shù)據(jù)分布如表2。

表2 葉片含水率分布

使用Matlab 軟件對(duì)光吸收率和玉米葉片含水率進(jìn)行線性擬合，線性擬合結(jié)果如圖6 所示。得到葉片含水率(Y)與光吸收率(X)的關(guān)系式Y(jié)=0.6886X+49.352。模型相關(guān)系數(shù)Rc值為0.8019，RMSEC為0.51。

圖6 光吸收率-水分含量擬合曲線

2.3 系統(tǒng)誤差分析

測(cè)試集玉米葉片樣本10個(gè)，由測(cè)試集樣本光吸收率與線性擬合公式Y(jié)=0.6886X+49.352 反演出葉片含水率，葉片水分儀預(yù)測(cè)與烘干法實(shí)測(cè)值比較及系統(tǒng)誤差如表3所示。本系統(tǒng)最大測(cè)量誤差1.80%，測(cè)量誤差平均值為0.964%，滿足試驗(yàn)要求。將線性擬合關(guān)系式寫入STM32單片機(jī)系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)玉米葉片水分信息的快速無損檢測(cè)。

表3 葉片水分測(cè)量誤差分析 %

3 結(jié)論與討論

筆者設(shè)計(jì)了一種基于近紅外的玉米葉片水分無損檢測(cè)儀。采用1450 nm的LED光源和銦鎵砷紅外光電探測(cè)器，測(cè)量全光電壓值和葉片光透射電壓值計(jì)算光吸收率，設(shè)計(jì)了跨阻放大器、二階有源低通濾波電路、反相比例運(yùn)算放大電路、電壓跟隨器等信號(hào)調(diào)理電路把微弱的電流信號(hào)處理成便于處理的電壓信號(hào)，采用STM32電路實(shí)時(shí)處理，最后由OLED顯示屏顯示。使用標(biāo)準(zhǔn)烘干法測(cè)量葉片真實(shí)含水率，擬合光吸收率與玉米葉片含水率的函數(shù)關(guān)系，并反演出測(cè)試玉米葉片的含水率。對(duì)玉米葉片的試驗(yàn)結(jié)果表明，近紅外水分檢測(cè)儀的葉片含水率和光吸收率擬合模型建模集相關(guān)系數(shù)R為0.8019，RMSE為0.51，測(cè)試集最大測(cè)量誤差1.80%，測(cè)量誤差平均值為0.964%，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本要求。該儀器低成本、測(cè)量快速實(shí)時(shí)，易于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行推廣。便攜式水分無損檢測(cè)儀還可以進(jìn)行以下改進(jìn)：光源的選擇上加入?yún)⒈炔ㄩL(zhǎng)，提高儀器檢測(cè)精度；在實(shí)際使用中電路溫度等因素影響測(cè)量結(jié)果和系統(tǒng)使用壽命，加入溫度控制電路。