董大明团队：基于调制近红外的土壤养分近场遥测系统设计

本文节选自：

矫雷子, 董大明, 赵贤德, 田宏武. 基于调制近红外反射光谱的土壤养分近场遥测方法研究[J]. 智慧农业（中英文）, 2020, 2(2): 59-66.

JIAO Leizi, DONG Daming, ZHAO Xiande, TIAN Hongwu. Near-field telemetry detection of soil nutrient based on modulated near-infrared reflectance spectrum[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(2): 59-66.点击直达知网阅读点击直达官网阅读（免费）

系统设计

近红外土壤养分近场遥测方案如图1所示，主要包括电源系统、光源驱动电路、光路系统、光电探测电路、AD转换电路、数据采集和传输电路，以及智能手机采集系统等，通过近场（20~50 cm）遥测土壤表面反射的8个波段的近红外光谱反射率，建立土壤养分（比如N、磷、钾等）关于不同波段反射率的定量化模型，实现土壤养分含量检测。

图1　基于调制近红外的土壤养分近场遥测原理框图

1　硬件设计　

1.1　近红外光源及驱动电路　

为了覆盖近红外光谱，选择中心波长分别为1270、1310、1350、1410、1450、1510、1550和1610 nm共计8个波段的近红外激光光源作为主动式单波段光源，采用TO56方式封装，功率为20 mW。

在近场遥测过程中，土壤反射的自然光也会随着聚光透镜进入探测系统，对主动光信号探测造成严重干扰。自然光短时间内变化很小，其对应的电信号可认为是直流信号。因此，为避免自然光的干扰，设计激光光源驱动电路时，在直流偏执确保激光二极管正常发光的基础上，叠加微弱的正弦波信号使得激光光源光束按照一定频率进行微弱变化，实现激光光源的调制。通过光电探测电路中的锁相放大模块对土壤反射的激光光源调制光束信号进行解调，仅探测特定频率的交变信号，从而避免自然光的干扰。通过单片机控制CD4051模拟开关进行8路激光光源选择性驱动和切换。

1.2　光电探测器及光电转换电路　

考虑到方案中采用近场遥测方式探测土壤反射的激光光束，而土壤表面反射的激光信号比较微弱。因此在光信号探测过程中选用高灵敏、低暗电流、大感应面的InGaAs光电二极管探测器，感光区域直径为5 mm，波长响应范围800~1700 nm，封装方式为TO-8，暗电流为10 nA。土壤反射的激光光束通过聚光透镜聚焦到光电探测器感应区域，从而转换成电流信号。光电探测器输出的电流信号经过前置放大电路（跨阻放大器）转换成电压信号，为主动光信号提取做准备。

1.3　主动光信号提取电路

光电转换电路输出的电压信号，是自然光对应直流电信号、激光光束对应的直流和交流电信号的叠加。因此，为提取有效的激光光束对应的交流电信号，采用MLT04乘法器，通过输入信号（自然光及激光光束对应的电信号）与参考信号（与激光光束对应的交流信号同频同相）进行相乘，实现锁相放大电路功能。相乘输出的混合信号通过滤波器，提取所需的激光光束对应的交流信号，从而消除自然光对应的直流信号，避免自然光的干扰。提取的激光光束对应的交流信号进入信号调理电路，进行放大和滤波，放大到AD转换电路所需的幅值。

1.4　ADC转换电路

ADC转换电路选用MAX11410，该芯片为24位ADC芯片，具有低功耗、多通道、高精度的特点，输入部分包括低噪声可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA），具有极高输入阻抗及1~128倍可变增益，优化总体动态范围。输入缓冲器提供信号输入与开关电容采样网络之间的隔离，即使高阻抗源也非常容易驱动。ADC10通道输入多路复用器为复杂传感器测量提供了灵活性。单周期模式下，数字滤波器在单个转换周期内保持稳定。提供的FIR数字滤波器允许16 ms内单周期稳定，同时提供90 dB以上的50和60 Hz电源噪声抑制。集成片上振荡器不要求外部元件，简化了高精度传感器的应用。

1.5　数据采集/传输及电源电路　

数据采集及传输选用STM32F103单片机，完成ADC转换数据的采集和传输，提供正弦波交变信号作为激光光束交变驱动信号和锁相放大参考信号，控制多路模拟开关控制激光光源选择性驱动。为了实现数据上传至智能手机，用单片机控制HM-11串口蓝牙透传模块进行数据发送。整个系统采用8.4 V锂电池供电，使用LM2940、SP3819和ADR431等电源芯片产生各集成电路所需的5、3.3和2.5 V稳定精确地直流电源，为各个芯片及模块供电。2　软件设计　软件部分包括两个模块：一是基于单片机的下位机嵌入式软件设计；二是基于智能手机的app软件设计，功能分别如下。

（1）基于STM32F103单片机系统的下位机嵌入式软件，包括特定频率的信号发生模块、ADC转换程序模块、模拟开关控制程序模块、串口-蓝牙通信程序模块等，主要完成STM32F103系统运行、激光光束对应的模拟电压采集、光源驱动所需交变激励信号产生、模拟开关通断、8路激光二极管交替驱动、光谱反射率计算以及数据传输等功能。

（2）基于智能手机的app软件主要通过无线通信完成与单片机的交互，控制单片机进行相关操作，并对单片机上传的数据进行采集和保存。3　光路设计
光路系统主要包括激光光束发射和反射激光光束接收系统。完成激光光束的有角度照射和最大限度接收。在20~50 cm遥测距离范围内（即激光光源端面到土壤表面的距离），为了确保8个波段激光光束照射土壤表面区域的一致性，激光光源通过具有一定角度的限位孔固定，并对称均匀分布在聚光透镜周围，确保这些光源相对于反射激光光束接受系统的照射角度、范围一致。考虑到激光照射土壤反射回来的光束信号比较微弱，在反射激光光束接受系统设计过程中，为了使得光电二极管最大接收土壤表面反射的光束，聚焦透镜处于8个波段激光光束所在同心圆的中心位置，确保最大限度地收集反射激光光束信号，把聚集的光信号送到探测器表面，提高探测灵敏度。

通讯作者简介

董大明  研究员

董大明，男，1983年生，博士，研究员，北京农业智能装备技术研究中心副主任，2013年以来，申请人以第一作者/通讯作者身份在权威杂志发表SCI论文52篇，获得授权专利44项（其中PCT专利2项、美国专利1项，中国专利41项）。在上述机理研究基础上开展仪器化实现方法研究，研制了传感器和监测设备原理样机20余种，经转化用于农业环境监测，有效提高了生产率和生态安全水平。先后入选北京市科技新星、北京市高创计划青年拔尖人才、北京市百千万人才工程等，并于2016年获得国家自然科学优秀青年基金资助，是农业工程领域首位获资助者；于2019年获得北京市杰出青年科学基金资助；入选农业部首届杰出青年农业科学家（中国目前有25位获奖者）；2015年、2017年、2018年三次获得北京市科学技术三等奖（分别排名第2、排名第1、排名第4），获得第二十届茅以升北京青年科技奖。在2017年度美国麻省理工学院组织的全球35位青年科学家领袖遴选活动中，申请人入选全球100人名单。

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       《智慧农业（中英文）》（季刊）是由中华人民共和国农业农村部主管，中国农业科学院农业信息研究所主办，《智慧农业（中英文）》编辑委员会学术指导，《智慧农业（中英文）》编辑部编辑出版的国内外公开发行的农业科学类学术期刊。期刊聚焦农业信息技术发展前沿与热点，刊载和传播国内外最新研究成果，通过搭建高水平学术交流平台，引领学术研究方向，服务行业科学决策，培养高水平创新人才，促进学科发展。期刊于2020年被评为“中国农林核心期刊”。

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