基于可见-近红外光谱的便携式土壤有机质含量检测装置研发

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:milamiya2009
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土壤有机质(SOM)是影响作物产量和质量的重要因素,是土壤健康诊断的重要指标。掌握SOM含量的变化有助于推进测土配方施肥。传统的SOM含量化学分析方法费时、费力、费财。与化学方法相比,光谱检测技术因其检测快速、操作简单等特点,已在SOM含量检测领域得到广泛应用。已有研究表明,可见-近红外波段内部分波长的漫反射光谱信息可以用来评估SOM含量。本文针对目前常见的便携式光谱仪存在的仪器成本高、采集光谱信息冗余等问题,以光谱检测技术为基础,根据土壤光谱采集的特点,采用光电传感器和特定波长的LED光源相结合的检测方式,研发了一种基于可见-近红外光谱的土壤有机质含量检测装置,实现了SOM含量的快速检测,对推进测土配方施肥有重要意义。本文研究内容和结果如下:(1)采集土壤样品光谱数据,利用4种特征波长提取算法筛选出土壤有机质的特征波长。采集土壤样品,分成两份后分别用于光谱采集和有机质含量测定。用蒙特卡洛交叉验证(MCCV)检测异常样品后,分别用连续投影算法(SPA)、阈值优化的窗口竞争性自适应重加权算法(TO-WCARS)、TO-WCARS-SPA和随机蛙跳算法(RF)筛选SOM的特征波长组合,建立SOM含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型。对比分析不同特征波长组合建立的回归模型的精度和各波长的回归系数权重,结合窄带LED光源的波段,确定了SOM的3个特征波长,分别为590 nm、780 nm和940 nm。(2)基于STM32设计SOM含量漫反射光谱检测装置硬件系统。检测装置硬件由探头和控制盒两部分组成,主要包括:控制模块、光源恒流驱动模块、光电转换模块、数据存储模块、人机交互模块和电源模块;根据漫反射光谱检测原理,基于特定波长的LED光源和光电传感器相结合的检测方式,设计了检测光路和探头结构;以STM32单片机为核心,根据模块化设计方法,结合外部接口位置,设计了PCB板和控制盒结构;基于3D打印技术制作探头和控制盒原型。(3)基于C语言开发SOM含量漫反射光谱检测装置软件系统。基于u COSIII操作系统对软件进行任务划分,主要包括:初始化任务、触摸屏任务、数据采集任务、数据存储任务和显示任务。利用STM32单片机的AD转换功能实现数据采集任务;基于Fat Fs文件系统对SD卡进行管理,设计了数据存储任务;基于em Win图形系统驱动屏幕,设计了显示任务界面。实现检测装置从硬件初始化、光源控制、光谱信息采集,到数据存储以及人机交互的整个工作流程。(4)优化检测装置的参数,建立SOM含量的预测模型,验证移植的预测模型的精度。通过光源稳定性试验调整LED驱动电流,减小短时间间隔内LED多次点亮时温度对发光强度的影响;基于齿轮齿条机构实现光电传感器的直线移动,根据光电传感器与土壤表面不同距离的光谱数据的交叉验证模型决定系数确定最佳距离。建立SOM含量预测模型,移植到检测装置中并验证预测精度,结果表明,检测装置SOM含量预测值和实测值的相关系数为0.731,均方根误差为2.642 g·kg-1,基本满足有机质含量测定需求。
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