土壤多光谱信息采集装置技术领域
本发明涉及图像采集技术，尤其涉及一种用于土壤的多光谱信息采集装置。
背景技术
“精细农业”是未来农业发展的重要方向，主要包括三个方面：一是采集田间农作物的长势信息，生成作物长势分布图；二是获取田间农作物生长条件的时空差异信息，例如田间地形、地貌、土壤类型、肥力和墒情等，并结合田间农作物的长势分布信息，通过集成农作物生长发育模拟模型，投入、产出模拟模型和农作物管理专家知识库等建立的农作物管理辅助决策支持系统，在决策者的参与下生成农作物管理、变量作业实施处方图；三是根据农作物管理、变量作业实施处方图生成控制命令，对农业机械的变量作业进行调整与控制，实现农田作物精细农作管理。其中，土壤信息是精细农业技术实践中的首要环节，特别是土壤肥力信息的获取尤为重要，其是进行精细农业的基础。
目前，用于获取土壤多光谱信息的信息采集装置主要包括两大类：高光谱分辨率信息采集装置和高空间分辨率信息采集装置和高光谱分辨率信息采集装置，其中，高光谱分辨率信息采集装置是采用高光谱传感器进行信息的采集，高光谱传感器虽然能较完整的测量出光谱曲线，但每次仅能测量土壤的一个点，效率较低，难以满足土壤多光谱信息这种大量测量的需要。高空间分辨率信息采集装置主要包括普通的消费性相机和用于卫星的航拍仪器，这类信息采集装置可以实现较大的分辨率，但是，其仅能对可见光部分的波段进行响应，而无法对近红外波段进行有效测量，使得在土壤多光谱信息分析时，可靠性较差，结果不准确，且采用卫星拍摄时，成本较高，信息获取具有较大的滞后性；对于以上两方面的不足，美国GSI公司所推出的MS3100/4100系列产品提供了一种解决方法，可一次获得红R、绿G、蓝B、近红外NIR等4个波段中的任意3个，该产品虽然可以得到NIR波段的信息，但是该产品所采用的分光设备的成本很高，在实际应用和推广的过程中，将有难以预见的困难，而且最多一次只能获得3个波段的信息，限制了一起的适用范围；另外，美国Tetracam公司所研制了一种MCA多光谱相机，该光谱相机体积庞大，集成度低，安装和使用上有诸多不便，且该多光谱相机接口过于单一，灵活性较差，实用性较差，成为其推广使用的重大阻碍。
综上，现有用于土壤多光谱信息采集装置要么无法对近红外波段的光谱信息进行采集，导致信息获取不准确，要么成本高，价格昂贵，信息采集量大，信息采集滞后性大，使得现有信息采集装置的实用性较差。
发明内容
本发明提供一种土壤多光谱信息采集装置，可有效克服现有技术存在的问题，降低成本，提高土壤多光谱信息采集装置的实用性。
本发明提供一种土壤多光谱信息采集装置，包括：中央控制器，以及与所述中央控制器连接的第一采集电路和第二采集电路，其中：
所述第一采集电路包括：与所述中央控制器连接的第一传感器驱动模块，以及与所述第一传感器驱动模块连接的可见光传感器，所述可见光传感器用于采集红、绿、蓝三个波段的土壤光谱信息；
所述第二采集电路包括：与所述中央控制器连接的第二传感器驱动模块，以及与所述第二传感器驱动模块连接的近红外传感器，所述近红外传感器用于采集近红外波段的土壤光谱信息；
所述中央控制器用于控制所述第一传感器驱动模块和第二传感器驱动模块，以驱动所述可见光传感器和近红外传感器同步采集土壤光谱信息。
上述的土壤多光谱信息采集装置中，所述可见光传感器为可见光CMOS传感器；和/或，所述近红外传感器为近红外CMOS传感器。
上述的土壤多光谱信息采集装置还可包括：
快门按键输入模块，连接在快门按键和中央控制器之间，用于消除快门按键按下时的电平抖动，以为所述中央控制器输入一个有效脉冲信号。
上述的土壤多光谱信息采集装置还可包括：
SDRAM存储模块，与所述中央控制器连接，用于一帧土壤光谱信息采集过程中进行信息暂存；
CF卡存储模块，与所述中央控制器连接，用于在一帧土壤光谱信息采集完毕后，在所述中央控制器控制下将暂存在所述SDRAM存储模块的一帧土壤光谱信息保存起来。
上述的土壤多光谱信息采集装置中，所述中央控制器采用FPGA为核心的控制器。
本发明提供的土壤多光谱信息采集装置，通过设置可见光传感器和近红外传感器，并通过对该两个传感器进行同步控制，可在同一时刻获得所要采集土壤的红、绿、蓝和近红外四个波段的土壤光谱信息，可用于土壤多光谱信息的采集中，土壤多光谱信息采集装置结构简单，实现方便，成本低，且采集信息方便，可有效提高采集装置的实用性；同时，本发明土壤多光谱信息采集装置中的中央控制器采用FPGA为核心的控制器，除可以实现采集装置内部复杂和精密的逻辑控制以外，还可以为外部提供更加灵活多样的控制接口和图像传输接口，解决了接口部分对于多光谱相机的推广的限制；此外，本发明土壤多光谱信息采集装置通过采用CMOS传感器，可有效提高图像的分辨率，减少采集装置的功耗和图像失真，提高信息采集的准确性和可靠性，基于本实施例装置采集的土壤信息可准确反应土壤中有机质和水分的含量。
附图说明
图1为本发明土壤多光谱信息采集装置实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中快门按键输入模块对信号进行处理的原理示意图；
图3为本发明实施例中传感器驱动模块的电路原理结构示意图；
图4为本发明实施例整体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明土壤多光谱信息采集装置实施例的结构示意图。如图1所示，本实施例土壤多光谱信息采集装置包括：中央控制器1、第一采集电路2和第二采集电路3，所述第一采集电路2和第二采集电路3分别与中央控制器1连接，其中：第一采集电路2包括第一传感器驱动模块21和可见光传感器22，第一传感器驱动模块21与中央控制器1连接，可见光传感器22与第一传感器驱动模块21连接，该可见光传感器22可用于采集红、绿、蓝三个波段的土壤光谱信息；第二采集电路3包括第二传感器驱动模块31和近红外传感器32，第二传感器驱动模块31与中央控制器1连接，近红外传感器32与第二传感器驱动模块31连接，该近红外传感器32可用于采集近红外波段的土壤光谱信息；中央控制器1用于控制第一传感器驱动模块21和第二传感器驱动模块31，以分别驱动可见光传感器22和近红外传感器32同步采集土壤光谱信息。本实施例土壤多光谱信息采集装置可应用于土壤中有机质和水分的信息的采集，在进行信息采集时，可通过中央控制器1控制可见光传感器22和近红外传感器32在某一时刻和地点进行信息的同步采集，获得土壤的红、绿、蓝和近红外四个波段的空间光谱信息，从而可利用该四个波段的土壤光谱信息生成土壤养分分布图，以为精细农业实践提供基础。
本实施例中，上述的可见光传感器22和近红外传感器32均可为CMOS传感器，具体地，可见光传感器22为可见光CMOS传感器，近红外传感器32为近红外CMOS传感器。相对于现有普遍采用CCD传感器的信息采集装置，采用CMOS传感器可具有较高的空间分辨率，较低的功耗和信息失真，可有效保证采集信息的准确性，同时降低能耗。可以看出，由于CMOS传感器具有较低的能耗，通过采用COMS传感器进行空间光谱信息的采集，可有效提高本实施例土壤多光谱信息采集装置进行信息采集时的续航能力，可有效应用于土壤中有机质和水分的含量信息的采集；同时，由于CMOS传感器具有较高的空间分辨率和较小的信息失真，使得采集的光谱信息更加准确，可更加真实准确的反应土壤中有机质和水分的含量信息，可保证精细农业技术的有效实施。
本实施例中，上述的可见光CMOS传感器和近红外CMOS传感器的空间分辨率可为1280*1024，以保证土壤养分信息采集时信息的准确性和可靠性。实际应用中，可根据需要设置合适的空间分辨率，以满足实际采集和分析的需要，获得准确的土壤养分信息分布图。
本实施例土壤多光谱信息采集装置的快门采用按键的输入方式，以便用户可通过按压快门按键进行图像的采集，当用户按下快门按键时，快门按键产生的时刻和持续时间的长短是随机不定的，且存在因开关簧片反弹引起的电平抖动现象。为此，本实施例土壤多光谱信息采集装置还设置有快门按键输入模块，以便对快门按键按下时产生的信号进行处理，具体地，如图1所示，本实施例土壤多光谱信息采集装置还可包括有快门按键输入模块4，与设置在采集装置上的快门按键5和中央控制器1连接，用于消除快门按键5按下时的电平抖动，以为中央控制器1输入一个有效的脉冲信号，从而可有效保证快门按键5按下时，中央控制器1可根据该有效的脉冲信号控制各传感器工作。
本实施例中，上述的快门按键输入模块4具体可以是一个同步消抖电路，以保证采集装置能够捕捉到快门按键按下时的输入脉冲，并保证每一次快门按键的按下，只形成一个有效的脉冲。
图2为本发明实施例中快门按键输入模块对信号进行处理的原理示意图。在秒表系统中，要求得到宽度为一个外部时钟信号clk的周期的键入脉冲，因此，上述的快门按键输入模块4的工作原理是：每按一下快门按键，快门按键输入模块4将输出一个有效的快门脉冲。具体地，如图2所示，其中shutter为输入快门按键输入模块的快门信号，shuttter0为经过快门按键输入模块处理后的输出信号，该输出信号shutter0输出至中央控制器；状态控制信号shutter_temp1是快门信号shutter在时钟信号clk1的下降沿进行锁存的锁存信号，状态控制信号shutter_temp2是状态控制信号shutter_temp1在时钟信号clk1的下降沿进行锁存的锁存信号，状态控制信号shutter_temp3是状态控制信号shutter_temp2的反相信号，复位脉冲就是时钟信号clk1、状态控制信号shutter_temp1和状态控制信号shutter_temp3的逻辑与。通过对快门按键按下时产生的信号进行处理，可有效保证输入到中央控制器的控制信号的准确性，从而在该控制信号作用下，中央控制器可同步控制可见光传感器和近红外传感器工作，分别采集红、绿、蓝三个波段的土壤光谱信息和近红外波段的土壤光谱信息。
本实施例中，上述的第一传感器驱动模块21和第二传感器驱动模块31可为相同的功能模块，具体可由核心控制模块和波形发生模块组成，以用于产生CMOS传感器工作的必要波形，以及读出COMS传感器所采集的光谱信息，并将这些光谱信息传输至中央控制模块。CMOS传感器工作时，需要外加时钟信号，外加时钟信号后，CMOS传感器会产生一个与外部输入时钟信号同步的像素时钟，该像素时钟用于同步像素信息的输出，每一时钟周期会有一个像素信息输出。其中，像素的输出采用逐行输出的方式，在每一行像素输出完毕之后，会产生一个低电平的行同步信号，而在一帧信号输出结束之后会产生一个低电平的帧同步信号，传感器驱动模块则需要捕捉这几个关键的信号，并读出来自于CMOS传感器的像素信息，并将其传送至中央控制器。
图3为本发明实施例中传感器驱动模块的电路原理结构示意图。本实施例中的传感器驱动模块具体可采用硬件描述语言VHDL来实现，其具体结构可参见图3所示。本实施例中，CMOS传感器具有10位数字输出信号，该10位像素数据由传感器驱动模块读入，并经内部逻辑电路进行处理后，转化为8位的像素信号输出，以便于中央控制器的读取；CMOS传感器的像素时钟脉冲信号连接CMOS传感器的输出信号，每个有效的像素时钟输出一个像素信息；行有效信号和帧有效信号分别连接到CMOS传感器的行有效和帧有效输出信号；等待信号由传感器驱动模块发出至CMOS传感器，若此信号为高电平，则CMOS传感器进入等待模式，在此模式中，模拟偏置电路被禁用，CMOS传感器为低功耗状态；快门信号输入模块连接外部机械按键，内部逻辑电路按有效电平长度将快门输入脉冲整形，再由快门信号输出模块将波形输出，若此信号为高电平，则传感器进入单拍模式；复位信号为低电平有效的异步复位信号，若CMOS传感器复位，则芯片进入初始化的状态，此时，所有的寄存器回到默认值。实际应用中，可根据不同类型的CMOS传感器采用合适的传感器驱动模块，以有效驱动CMOS传感器工作，确保采集的信号的准确性。
如图1所示，本实施例土壤多光谱信息采集装置还可包括有SDRAM存储模块6和CF卡存储模块7，其中，SDRAM存储模块6与中央控制器1连接，用于一帧土壤多光谱信息采集过程中进行信息暂存；CF卡存储模块7与中央控制器1连接，用于在一帧土壤多光谱信息采集完毕后，在中央控制器1控制下将暂存在SDRAM存储模块6的一帧空间多光谱保存起来。本实施例中，对应于每一个传感器分别设置有SDRAM存储模块和CF卡存储模块，这样，可见光传感器和近红外传感器可分别存储在不同的CF卡内。
本实施例中，CF卡存储模块主要用于控制CF卡的数据存储，在CF卡中，建立FAT文件系统，并以BMP位图格式对图像信息进行存储。具体地，该CF卡存储模块电路可包括对CF卡供电的电源，以及与中央控制器连接的接口。中央控制器从SDRAM存储模块中将图像信息读出，并在CF卡中，以BMP的文件格式存储土壤多光谱信息。该种信息存储方式的优点在于，保存的文件信息可以直接在Windows操作系统下被读出，并且由于BMP文件格式为无损格式，土壤多光谱信息可以最真实地反映被拍土壤的图形和色彩特征。
本实施例中，中央控制器是控制土壤多光谱信息采集装置整体工作流程的部件，其连接了传感器驱动模块、DSRAM存储模块、CF存储模块和快门按键输入模块。在进行土壤光谱信息采集时，传感器驱动模块会将CMOS传感器采集到的光谱信息以8位二进制的格式传送给中央控制器，由中央控制器将空间光谱信息暂存至高速的SDRAM存储模块中；当读取完完整的一帧空间光谱信息后，再由中央控制器将这些信息存储至CF卡中，以便于对土壤养分信息信息作进一步的处理和分析，得到土壤养分信息分布图。
图4为本发明实施例整体结构示意图。如图4所示，可见光传感器和近红外传感器可分别安装在两个镜头上，每个镜头的后端分别安装有滤光片，以便于各传感器可采集不同波段的土壤光谱信息；第一传感器驱动模块和第二传感器驱动模块均集成在中央控制器内，具体可由采用FPGA为核心的控制器，且该中央控制器还连接有接口模块，以便于与外界其它设备进行连接；与中央控制器连接的有两个CF卡存储模块，分别用于存储两个传感器采集的土壤光谱信息，且同一时刻采集的信息是对应的，从而通过读卡器即可读出CF卡内存储的信息，并可对相互对应的信息进行处理，已得到土壤养分信息，进而得到土壤养分信息长势分布图。
本实施例土壤多光谱信息采集装置可具有与普通相机相同或类似的控制按键，并可采用干电池进行供电，其操作与普通的相机操作方式相同，下面将对利用本实施例多光谱信息采集装置的操作步骤进行说明：
第一步，将两节9V干电池安装于电池接口，打开【电源开关】按键。空间多光谱信息采集装置自身初始化，约一秒钟后，【就绪指示灯】亮起，装置上电完毕，可以进行拍照。
第二步，待【就绪指示灯】亮起后，按下【拍摄】按键，即【快门】按键，土壤多光谱信息采集装置的两个传感器同时工作，拍摄图像，进行光谱信息的采集，信息采集完毕后【就绪指示灯】熄灭。且对CF卡进行数据写入时，【CF卡工作指示灯】开始闪烁，当完成存储过程后，【CF卡工作指示灯】停止闪烁，土壤多光谱信息采集装置的【就绪指示灯】再次亮起，一次信息采集完成。
如此，即可反复进行图像拍摄，采集所需的土壤多光谱图像，以便利用采集得到的多光谱信息，分析得到土壤养分信息分布图。
当CF卡存储已满时，【CF卡空间不足】指示灯亮起，提示用户检查CF卡；当用户忘记插入CF卡时，【CF卡空间不足】指示灯亮起，提示用户检查CF卡；当拍摄全部结束时，关闭多光谱相机的【电源开关】，机器关闭，即可取下CF卡，做进一步的分析工作。
综上，本实施例土壤多光谱信息采集装置通过设置可见光传感器和近红外传感器，并通过对该两个传感器进行同步控制，可在同一时刻获得所要采集对象的红、绿、蓝和近红外四个波段的土壤光谱信息，可用于土壤中有机质和水分的含量信息的采集，土壤多光谱信息采集装置结构简单，实现方便，成本低，且采集信息方便，可有效提高多光谱信息采集装置的实用性；同时，本实施例土壤多光谱信息采集装置中的中央控制器采用FPGA为核心的控制器，除可以实现采集装置内部复杂和精密的逻辑控制以外，还可以为外部提供更加灵活多样的控制接口和图像传输接口，解决了接口部分对于多光谱相机的推广的限制；此外，本实施例土壤多光谱信息采集装置通过采用CMOS传感器，可有效提高图像的分辨率，减少采集装置的功耗和图像失真，提高信息采集的准确性和可靠性，基于本实施例装置采集的信息可准确反应土壤养分信息。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。