郭新东，孙 瑜，张永梅

（山西农业大学信息科学与工程学院，山西太谷 030801）

0 引言

玉米是中国第一大粮食作物，在国民经济和粮食安全方面发挥了重要作用。玉米叶片中的水分含量能够反映整株玉米的生长信息，是玉米生长过程中的重要生理指标[1-3]。实时获取玉米叶片水分对于玉米状况监测、灌溉模式、生理生化研究和旱情预测等方面均具有重要意义。国内外常用的水分检测方法有症状检测法、生理指标测定法、电容电阻检测仪检测法等。这些检测方法检测结果显示直观、测量准确，但也存在破坏作用、检测过程复杂和耗时耗力等缺点。近红外光谱与有机分子中含氢基团(OH、NH、CH)振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息[4-5]。基于近红外光谱的检测技术快速、无接触、精度较高，在农业领域有着广泛的应用[6]。周翔等[7]基于近红外高光谱技术进行甜菜种子活性检测，模型预测准确率达到91.92%，已满足农业生产要求。刘晓等[8]分析了近红外光谱技术在茶类鉴定、产地识别、等级评价、茶饮料辨别等方面的应用，并通过光谱技术快速检测茶叶中各化学品质成分的含量。王转卫等[9]基于近红外光谱技术研究了发育后期苹果内部品质检测。韦紫玉等[10]基于近红外漫反射光谱技术研究小麦蛋白质含量检测。Wang 等[11]研究了均匀化对近红外漫反射光谱法检测牛奶蛋白含量的影响。基于近红外的水分检测应用也较广泛，Zhou等[12]设计了一种基于近红外LED光源的土壤水分探测器，使用多种波长LED综合判定土壤水分。蔡盛康等[13]研究了基于NIRS 技术的丹参配方颗粒水分与指标成分的快速测定方法。张艳敏等[14]基于光谱技术检测玉米种子的含水率和活力。然而近红外光谱仪器一般价格昂贵、田间操作不灵活，也不利于做仪器的二次开发，因此不适用于农业生产应用[15]。新型近红外仪器的研究已经有一定的成果。洪期鸣[16]研究与优化了近红外水分仪，设计了完整的恒低温控制系统，优化后的近红外水分仪在精度和灵敏度方面都有明显提升。但是传统近红外分析仪大多选用白炽灯作为光源，整体功耗大且发热明显，长时间使用影响试验的准确性和仪器的寿命，并且仪器发射的连续光谱中只有很小的一部分红外光线是实际测量中应用的。而近红外发光二极管LED 可发出特定波长范围的光线，单色性好，无热辐射性，方便制作便携式设备。玉米生长指标敏感波段的研究成果[17-18]证明叶片在900～1600 nm近红外光谱中有特定波长的光吸收峰。通过测量叶片对特定波长光的吸收率就可以得到叶片含水量信息。本研究以波长为1450 nm的LED为单波段光源，通过光探测装置将光信号转换为电信号，设计信号调理电路并计算出叶片对光源吸收率，建立近红外光吸收率与叶片含水率拟合函数，然后由光吸收率与拟合模型反演出叶片含水率，设计基于STM32的便携式近红外水分无损测量仪。

1 便携近红外叶片水分无损检测系统设计

1.1 总体设计

便携式近红外水分测量仪由光源-传感器模块、信号调理模块、单片机主控模块、键盘及显示模块、电源模块等组成，系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框图

系统使用1450 nm 的红外发光二极管作为发光源，铟嫁砷红外探测器作为红外光传感接受光信号并转换为电信号，经过信号调理电路输入单片机进行函数运算，最终由显示屏显示电信号及含水量，控制按键用于单片机功能转换，系统电源给单片机系统及光源供电。

1.2 光源——传感器电路

采用光谱稳定、单一、方向性良好的LED 发管二极管做光源[19]，型号为CY-C5MM1401R-T1，发光光谱1400～1450 nm，发射角度15°，光谱稳定，照射角度集中。采用以铟嫁砷(InGaAs)为材料的PIN型光电二极管作为光电探测器接收近红外光，响应范围800～1700 nm，响应度0.85 A/W。近红外光分析方法采用透射形式[20]，使光源照射穿过样本，测量投射过的光强。使发光二极管、被测叶片与红外探测器位于一条直线上，光源-红外探测器结构设计如图2所示。用黑色不透光的中性笔笔帽和笔杆，LED光源固定在笔杆尾部，红外探测器固定在笔帽头部与在一起。1450 nm LED光源发出的红外光线垂直透过被测叶片，再垂直入射红外探测器，被测叶片的接触面积约为1 cm，红外探测器与被测叶片的距离和角度保持固定。不夹住叶片时将笔帽和笔杆直接闭合可采集光源发射的全光信号，而将笔帽和笔杆夹住叶片闭合可采集经叶片吸收后的光透射信号。红外探测器接收到包含特征光信息和噪声干扰的光辐射信号，光照变化产生的电流信号变化。

图2 光源-红外光探测器结构

1.3 信号调理电路

信号调理电路主要由跨阻放大器、二阶有源低通滤波、反相比例运算放大和电压跟随器电路等组成，作用是将信号进行适度放大、滤波、整形等，从中提取出特征光信息，电路如图3 所示。跨阻放大器[21]用在红外光探测器前端，将红外光探测器产生的微弱的光电流信号转换并放大成为便于后续电路处理的变化较明显的有效电压信号，跨阻放大器主要由运算放大器和电阻等组成。二阶有源低通滤波器将信号采集过程中夹杂的空气红外线杂波滤除掉。有源滤波是由电阻、电容和运算放大器组成，主动产生一个与滤除的谐波大小相同但相位相反的谐波，来抵消电路中谐波。反相比例运算放大电路将信号进行前序电路处理的相位上的反转信号反向，从而便于单片机处理。电压跟随器电路起隔离保护作用，其输出电压基本与输入电压保持不变，让前后级电路隔离。放大电路后加入2 个肖特基二极管作为保护电路，使电压稳定在0～3.3 V之间，以免信号放大后的电压过大或者其他原因引起的电压过大损坏电路。

图3 信号调理电路

调理后的信号送入到STM32 进行AD 转换。STM32内部ADC属于逐次逼近型，分辨率为12位，对信号进行量化换算为电压值，如式(1)。

式中，V为显示电压值，A为模数转换器的实际值。

1.4 单片机控制模块

本系统单片机选用STM32F103c8T6[22]为处理核心，其引脚数目少，体积小巧，运行功耗低，便于便携式设备使用[23]。输入接口采集1450 nm 波段光信号、叶片透射光信号，对采集到的光信号进行预处理、计算出光吸收率。耦合出玉米叶片近红外光与含水率模型后，将模型写入STM32，进而近红外水分仪再次测量试验得到的光信号与拟合模型反演出玉米叶片含水率，并由LCD实时显示，通过控制按键切换光谱测量、含水率诊断、复位3种工作模式。单片机各引脚如表1所示。

表1 STM32引脚说明

1.5 电源模块

整个电路要设计3 个供电模块，一个是STM32和光源发射电路的供电模块，一个是给模拟放大电路提供的4.5 V供电电源，另一个是-4.5 V的供电电源。电路系统供电为5 V 电压，首先选择了220 V 降双7.5 V的变压器，变压器后接一个桥式整流电路将交流电整流为直流电，经过电解电容滤波，在电解电容后接入三端稳压芯片lm78及lm79系列，lm7805输出电压为5 V，lm7905输出电压为-5 V。三端稳压器后面接入0.1 μF的电容，最终得到了±5 V的稳压电源。

1.6 键盘显示模块

系统设计有3 层显示界面，最初显示基准值设置界面，检测到操作后显示光测量界面、含水量显示界面，通过3 个键盘模块相互转换，显示屏选用OLED12864[24]，使用4 线公针连接到单片机上，采用I2C通信方式，模块内部包含64×64的数据RAM。

1.7 系统程序设计

系统软件将实现光信号采集、含水率诊断、复位功能，如图4 所示。（1）数据采集。实时采集无叶片时全光信号和叶片透射光信号，转换为电压信号后经ADC转换为数字信号由STM32 记录存储。（2）数据计算。水分标定试验后将光吸收率和叶片含水率的拟合函数写入STM32，根据新采集的全光谱电压值、光透射电压值的计算出叶片光吸收率，从而由拟合函数反演出叶片含水率。（3）数据显示。能够在液晶屏上实时显示全光谱电压值、光透射的电压值以及叶片含水率。（4）按键控制。通过按键切换3种工作模式。

图4 系统程序流程图

1.8 系统实物

系统实物设计如图5所示，主要有信号采集模块、信号调理与主控、显示模块和电源模块。

图5 系统实物图

2 结果与分析

2.1 水分标定

试验地点位于山西农业大学移动式控制大棚玉米试验田，玉米生长期获得充足阳光。试验地土地平整，肥力均匀，前茬小麦。试验玉米品种‘中地159’，株高80 cm左右，株型紧凑，玉米培育实施水分胁迫。样品光谱采集时期为处于抽穗期的玉米植株，分别采集水分胁迫下新鲜玉米叶片，采集时间为12:00—14:00。采集时，首先在无叶片下闭合LED 光源-红外光探测器，记录此时测量电路显示的电压值即全光电压值并作为基准电压。然后用光源-红外光探测器夹住玉米叶片，记录测量电路显示的电压值即叶片光透射电压值，测量时分别在叶片叶头、叶中和叶尾采集3 个点，在叶片上每点再测3次共计9个值，取平均值即为叶片光平均透射电压值。叶片光吸收率由式(2)计算。

使用烘干法测量叶片实际含水率。使用精度为精度0.001 g的精密天平测量叶片湿重，把叶片放入烘干风箱加热至100℃，烘干至恒质量，取出记录叶片干重。测量叶片含水率计算如式(3)。

2.2 线性拟合

近红外光吸收率与玉米叶片含水率信息使用Matlab耦合建模[25-26]。52组试验样本的光吸收率和含水率数据使用Matlab做建模预处理筛选，相关性分析通过设置阈值排除2 组超过阈值的相关性较差数据，得到50组有效数据，按照3:1的比例将数据随机分为2组，其中取40组作为建模集、10组用于测试集，数据分布如表2。

表2 叶片含水率分布

使用Matlab 软件对光吸收率和玉米叶片含水率进行线性拟合，线性拟合结果如图6 所示。得到叶片含水率(Y)与光吸收率(X)的关系式Y=0.6886X+49.352。模型相关系数Rc值为0.8019，RMSEC为0.51。

图6 光吸收率-水分含量拟合曲线

2.3 系统误差分析

测试集玉米叶片样本10个，由测试集样本光吸收率与线性拟合公式Y=0.6886X+49.352 反演出叶片含水率，叶片水分仪预测与烘干法实测值比较及系统误差如表3所示。本系统最大测量误差1.80%，测量误差平均值为0.964%，满足试验要求。将线性拟合关系式写入STM32单片机系统中，可实现玉米叶片水分信息的快速无损检测。

表3 叶片水分测量误差分析 %

3 结论与讨论

笔者设计了一种基于近红外的玉米叶片水分无损检测仪。采用1450 nm的LED光源和铟镓砷红外光电探测器，测量全光电压值和叶片光透射电压值计算光吸收率，设计了跨阻放大器、二阶有源低通滤波电路、反相比例运算放大电路、电压跟随器等信号调理电路把微弱的电流信号处理成便于处理的电压信号，采用STM32电路实时处理，最后由OLED显示屏显示。使用标准烘干法测量叶片真实含水率，拟合光吸收率与玉米叶片含水率的函数关系，并反演出测试玉米叶片的含水率。对玉米叶片的试验结果表明，近红外水分检测仪的叶片含水率和光吸收率拟合模型建模集相关系数R为0.8019，RMSE为0.51，测试集最大测量误差1.80%，测量误差平均值为0.964%，满足农业生产的基本要求。该仪器低成本、测量快速实时，易于在农业生产中进行推广。便携式水分无损检测仪还可以进行以下改进：光源的选择上加入参比波长，提高仪器检测精度；在实际使用中电路温度等因素影响测量结果和系统使用寿命，加入温度控制电路。