基于C11708MA 微型光譜儀的快速測氮裝置研究與實現(xiàn)

沈家禮 蔣其友 陳 兵 徐夢倩 顧榮成 陳 星

（1、江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容212400 2、江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212013）

氮素不僅是植物蛋白質(zhì)和葉綠素的主要成分，而且是一些酶的組成部分參與植物的多重生化過程，直接或間接影響植物的代謝活動和生長發(fā)育。同時植物葉片氮素含量是反映其生長質(zhì)量高低的重要因素，因此對植物葉片中氮素含量的估測研究具有重要的實用意義。目前已有的測氮裝置有一些不足，如速度慢、體積大，且對植物葉片損害較大。傳統(tǒng)的測單裝置已經(jīng)不能滿足當(dāng)今快速且無損檢測葉片氮素的要求。因此,如何升級優(yōu)化植物葉片氮元素檢測裝置, 在確保植物葉片不受損前提下提高檢測效率和檢測準(zhǔn)確率, 設(shè)計一款易操作易推廣的植物葉片快速測氮裝置,一直都是此項目研究人員積極創(chuàng)新與探索的重要工作。由于高光譜對植物中的N 素、葉綠素等含量極為敏感，植物葉片中N 素含量的變化必定會對其反射光譜信息產(chǎn)生影響，故可根據(jù)葉片的光譜信息估測植物葉片中的N 素含量。

本文先研究葉片氮元素各自敏感波段，再研究能夠涵蓋這些敏感波段的光譜儀，用光譜儀檢測到所有波段光譜，根據(jù)預(yù)先建立的模型，篩選出敏感波段，在樹莓派中實現(xiàn)。

1 光譜測氮

圖1 技術(shù)原理

王賞貴[1]等研究發(fā)現(xiàn)在不同的重要生育期棉花葉片的高光譜特征呈現(xiàn)大體一致的趨勢。在可見光區(qū)域，光譜特征呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，此現(xiàn)象在反射峰處達到最大值，在近紅外區(qū)域，光譜特征呈現(xiàn)趨于平穩(wěn)的趨勢，在波段760～1075nm 較為明顯。楊寶華[7]等基于敏感波段的研究發(fā)現(xiàn)小麥冠層葉片光譜的敏感波段區(qū)在350～1100nm 之間，而大部分波段更是在近紅外光譜760～1300nm 之間。

2 C11708MA 微型光譜儀

C11708MA 微型光譜儀是日本濱松公司推出的新一代微型光譜儀探頭，探頭采用帶光接收狹縫的CMOS 圖像傳感器，整合了MEMS 和圖像傳感器技術(shù)，光譜范圍廣，可以涵蓋340～7800nm、340～850nm、640～1050nm、1550～1850nm。該光譜儀將傳感器、探測光源、樣品池、驅(qū)動電路進行集成，麻雀雖小五臟俱全，僅僅以8 立方厘米的體積就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)大型光譜儀的相似功能。該微型光譜儀集合了精度高、重復(fù)性好、成本低的有點于一身。對植物葉片進行光譜數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲、回訪，最終形成基于光譜數(shù)據(jù)的植物氮元素多元非線性檢測模塊，利用該C11708MA 微型光譜儀與分析儀器相結(jié)合可以快速無損測定植物葉片中的氮元素。

圖2 MS 系列——拇指大小（27.6x16.8x13mm）的光譜儀頭

3 樹莓派

樹莓派由“Raspberry Pi 基金會”開發(fā)，它具有1.2GHz 的CPU,RAM 大小為1GB。具有40 個I/O 端口、Wi-Fi 模塊、4 個USB 接口，可外接設(shè)備等。同時可以寫入操作系統(tǒng)，通過PC 機進行遠程桌面控制。

本組使用的是B+型。樹莓派B+型是與2014 年7 月推出的型號，在原版B 型號的基礎(chǔ)上做出了改進。B+型號樹莓派擁有功耗低、接口豐富的優(yōu)點。B+ 型樹莓派的功耗降低了0.5w-1w 左右，SD 卡插槽也被替換成較為美觀的microSD 卡槽且采用了低噪供電方式的音頻，外部USB 接口被移置到一邊更加美觀。

4 樹莓派如何實現(xiàn)

圖3 樹莓派實現(xiàn)流程圖

圖4 平臺裝置實物圖

表1 MS 系列——光學(xué)特性

C11708MA USART 通信協(xié)議：

（下文中，串口波特率為9600 串口狀態(tài):收一次數(shù)據(jù)，發(fā)一組光譜數(shù)據(jù)）

單片機發(fā)送數(shù)據(jù)0x54 0x20 0x31 0x30 0x30 0x0D 0x0A

（其中0x54 0x20 為頭，0x31 0x30 0x30 積分時間，0x0D 0x0A 為尾結(jié)束符）

光譜儀上傳一組實時光強數(shù)據(jù)，具體如下格式：

圖5

DATA：光譜通道上的AD 采樣值（范圍0X00～0X0FFF，即0～4095），長度256

TIME：當(dāng)前系統(tǒng)采樣積分時間

（DATA、TIME 全為16 位數(shù)據(jù)，串口傳輸，高8 位在前，低8位在后）

如：0X400X41

DATAO 高8 位DATAO 低8 位.

.....

DATA255 高8 位DATA255 低8 位

TIME 高8 位TIME 低8 位

0X300X31

波段提取：

①開始，系統(tǒng)處于監(jiān)控模式；

②C11708MA 微型光譜儀采集到植物葉片的高光譜數(shù)據(jù)，把指令傳給樹莓派；

③樹莓派通過程序端口，完成對光譜反射率的計算，以及葉片氮素含量的反演，并通過程序?qū)⑿畔崟r顯示給用戶；

④裝置間隔0.5 秒后繼續(xù)回到監(jiān)控狀態(tài)；⑤用戶依據(jù)反饋數(shù)據(jù)采取相應(yīng)措施。

5 結(jié)論

本文研究了利用光譜檢測技術(shù)測定植物氮元素含量的相關(guān)模型的最近進展，測試了C11708MA 微型光譜儀的性能，并基于樹莓派設(shè)計了該光譜快速無損測氮裝置，通過設(shè)定不同的模型參數(shù)，篩選出不同植物葉片敏感波段，可以檢測不同作物的氮含量，實驗結(jié)果得到的植物葉片氮元素含量與便攜測氮儀的檢測值相關(guān)性較好。

本文研究時發(fā)現(xiàn)此裝置檢測效果受外界光線干擾影響較大，導(dǎo)致準(zhǔn)確率有所下降，將在以后的研究中持續(xù)改進檢測硬件和模型抗干擾性。