郭新東，孫 瑜，張永梅

（山西農(nóng)業(yè)大學信息科學與工程學院，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信息，是玉米生長過程中的重要生理指標[1-3]。實時獲取玉米葉片水分對于玉米狀況監(jiān)測、灌溉模式、生理生化研究和旱情預測等方面均具有重要意義。國內(nèi)外常用的水分檢測方法有癥狀檢測法、生理指標測定法、電容電阻檢測儀檢測法等。這些檢測方法檢測結(jié)果顯示直觀、測量準確，但也存在破壞作用、檢測過程復雜和耗時耗力等缺點。近紅外光譜與有機分子中含氫基團(OH、NH、CH)振動的合頻和各級倍頻的吸收區(qū)一致，通過掃描樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中有機分子含氫基團的特征信息[4-5]?；诮t外光譜的檢測技術(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)進行甜菜種子活性檢測，模型預測準確率達到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)地識別、等級評價、茶飲料辨別等方面的應(yīng)用，并通過光譜技術(shù)快速檢測茶葉中各化學品質(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。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。Wang 等[11]研究了均勻化對近紅外漫反射光譜法檢測牛奶蛋白含量的影響。基于近紅外的水分檢測應(yīng)用也較廣泛，Zhou等[12]設(shè)計了一種基于近紅外LED光源的土壤水分探測器，使用多種波長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成分的快速測定方法。張艷敏等[14]基于光譜技術(shù)檢測玉米種子的含水率和活力。然而近紅外光譜儀器一般價格昂貴、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，長時間使用影響試驗的準確性和儀器的壽命，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際測量中應(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。玉米生長指標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的光吸收峰。通過測量葉片對特定波長光的吸收率就可以得到葉片含水量信息。本研究以波長為1450 nm的LED為單波段光源，通過光探測裝置將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，設(shè)計信號調(diào)理電路并計算出葉片對光源吸收率，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)計基于STM32的便攜式近紅外水分無損測量儀。

1 便攜近紅外葉片水分無損檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

便攜式近紅外水分測量儀由光源-傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、單片機主控模塊、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，銦嫁砷紅外探測器作為紅外光傳感接受光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路輸入單片機進行函數(shù)運算，最終由顯示屏顯示電信號及含水量，控制按鍵用于單片機功能轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)電源給單片機系統(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，測量投射過的光強。使發(fā)光二極管、被測葉片與紅外探測器位于一條直線上，光源-紅外探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖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葉片，再垂直入射紅外探測器，被測葉片的接觸面積約為1 cm，紅外探測器與被測葉片的距離和角度保持固定。不夾住葉片時將筆帽和筆桿直接閉合可采集光源發(fā)射的全光信號，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。紅外探測器接收到包含特征光信息和噪聲干擾的光輻射信號，光照變化產(chǎn)生的電流信號變化。

圖2 光源-紅外光探測器結(jié)構(gòu)

1.3 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要由跨阻放大器、二階有源低通濾波、反相比例運算放大和電壓跟隨器電路等組成，作用是將信號進行適度放大、濾波、整形等，從中提取出特征光信息，電路如圖3 所示?？缱璺糯笃鱗21]用在紅外光探測器前端，將紅外光探測器產(chǎn)生的微弱的光電流信號轉(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，跨阻放大器主要由運算放大器和電阻等組成。二階有源低通濾波器將信號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、電容和運算放大器組成，主動產(chǎn)生一個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。反相比例運算放大電路將信號進行前序電路處理的相位上的反轉(zhuǎn)信號反向，從而便于單片機處理。電壓跟隨器電路起隔離保護作用，其輸出電壓基本與輸入電壓保持不變，讓前后級電路隔離。放大電路后加入2 個肖特基二極管作為保護電路，使電壓穩(wěn)定在0～3.3 V之間，以免信號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 信號調(diào)理電路

調(diào)理后的信號送入到STM32 進行AD 轉(zhuǎn)換。STM32內(nèi)部ADC屬于逐次逼近型，分辨率為12位，對信號進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)換器的實際值。

1.4 單片機控制模塊

本系統(tǒng)單片機選用STM32F103c8T6[22]為處理核心，其引腳數(shù)目少，體積小巧，運行功耗低，便于便攜式設(shè)備使用[23]。輸入接口采集1450 nm 波段光信號、葉片透射光信號，對采集到的光信號進行預處理、計算出光吸收率。耦合出玉米葉片近紅外光與含水率模型后，將模型寫入STM32，進而近紅外水分儀再次測量試驗得到的光信號與擬合模型反演出玉米葉片含水率，并由LCD實時顯示，通過控制按鍵切換光譜測量、含水率診斷、復位3種工作模式。單片機各引腳如表1所示。

表1 STM32引腳說明

1.5 電源模塊

整個電路要設(shè)計3 個供電模塊，一個是STM32和光源發(fā)射電路的供電模塊，一個是給模擬放大電路提供的4.5 V供電電源，另一個是-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)計有3 層顯示界面，最初顯示基準值設(shè)置界面，檢測到操作后顯示光測量界面、含水量顯示界面，通過3 個鍵盤模塊相互轉(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

系統(tǒng)軟件將實現(xiàn)光信號采集、含水率診斷、復位功能，如圖4 所示。（1）數(shù)據(jù)采集。實時采集無葉片時全光信號和葉片透射光信號，轉(zhuǎn)換為電壓信號后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號由STM32 記錄存儲。（2）數(shù)據(jù)計算。水分標定試驗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。能夠在液晶屏上實時顯示全光譜電壓值、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)實物

系統(tǒng)實物設(shè)計如圖5所示，主要有信號采集模塊、信號調(diào)理與主控、顯示模塊和電源模塊。

圖5 系統(tǒng)實物圖

2 結(jié)果與分析

2.1 水分標定

試驗地點位于山西農(nóng)業(yè)大學移動式控制大棚玉米試驗田，玉米生長期獲得充足陽光。試驗地土地平整，肥力均勻，前茬小麥。試驗玉米品種‘中地159’，株高80 cm左右，株型緊湊，玉米培育實施水分脅迫。樣品光譜采集時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，采集時間為12:00—14:00。采集時，首先在無葉片下閉合LED 光源-紅外光探測器，記錄此時測量電路顯示的電壓值即全光電壓值并作為基準電壓。然后用光源-紅外光探測器夾住玉米葉片，記錄測量電路顯示的電壓值即葉片光透射電壓值，測量時分別在葉片葉頭、葉中和葉尾采集3 個點，在葉片上每點再測3次共計9個值，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)計算。

使用烘干法測量葉片實際含水率。使用精度為精度0.001 g的精密天平測量葉片濕重，把葉片放入烘干風箱加熱至100℃，烘干至恒質(zhì)量，取出記錄葉片干重。測量葉片含水率計算如式(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組試驗樣本的光吸收率和含水率數(shù)據(jù)使用Matlab做建模預處理篩選，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)隨機分為2組，其中取40組作為建模集、10組用于測試集，數(shù)據(jù)分布如表2。

表2 葉片含水率分布

使用Matlab 軟件對光吸收率和玉米葉片含水率進行線性擬合，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

測試集玉米葉片樣本10個，由測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，葉片水分儀預測與烘干法實測值比較及系統(tǒng)誤差如表3所示。本系統(tǒng)最大測量誤差1.80%，測量誤差平均值為0.964%，滿足試驗要求。將線性擬合關(guān)系式寫入STM32單片機系統(tǒng)中，可實現(xiàn)玉米葉片水分信息的快速無損檢測。

表3 葉片水分測量誤差分析 %

3 結(jié)論與討論

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