新型光谱感知物联网节点系统设计及实验

摘要

我国是一个著名的农业大国，农业在我国经济中起着决定性的作用。近年来，得益于物联网技术的快速发展，我国农业逐渐朝着以物联网技术为主导的智慧农业模式方向发展。近红外光谱分析技术在成分感知和物质鉴别方面具有快速、无损等特点，却由于各种因素的限制，实验大多只能在理想的实验室环境中进行。
　　本文基于课题组合作单位中国科学院上海技术物理研究所研发的一款近红外光谱组件，结合物联网技术，设计了一套新型光谱感知节点系统，该系统采用太阳光源，可在室外环境下对物体的反射光谱进行采集、无线传输、存储和显示，既能作为手持光谱仪使用，又能搭载无人机平台进行远程控制，定点采集物体光谱信息。论文的主要工作内容如下:
　　(1)基于STM32芯片，利用其内部定时器中断功能，得到了高质量高精度的光谱组件驱动时序信号;制作了光谱数据采集存储模块和控制显示模块，在硬件设计和软件编程上进行优化，极大缩小了系统的外形尺寸，同时丰富了系统的功能。
　　(2)采用了增强型NRF24L01无线通信模块，系统理想通信距离可达2km;设计了锂电池供电和专用的USB充电模块，支持边充电边使用，而且充电一次可连续使用10小时以上;在光谱信息显示设计上，同时在液晶屏上建立两个坐标轴，利用图形的方式直观地对光谱数据进行显示，并可以对比实时光谱信息和上一次采集到的光谱数据。
　　(3)对光谱采集节点的机械结构进行设计。为了尽量减轻外壳重量又保证加工制作的精度，选择韧性光敏树脂作为系统外壳的材料;为了保证系统的密封避光性能，设计了针对SD卡插拔口和充电接口的推拉式插销，可很大程度减小节点正常工作时杂散光的干扰。
　　(4)设计了大量实验验证系统的性能，并搭载DJI大疆科技有限公司生产的行业应用级无人机平台经纬M600PRO，在室外50米超低空进行地面物体光谱信息的采集实验。
　　结果表明，系统不仅具有微型化、低功耗的特点，其外壳尺寸仅为8.3cm×6.3cm×6.0cm，功耗低于1w，而且在室外环境下能稳定工作。后期结合专用算法，有望实时高效地获取农作物生长信息，给农业生产提供有效可靠的参考。

目录

声明

摘要

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 农业物联网发展现状

1.2.2 近红外光谱分析技术在农业中的应用现状和趋势

1.2.3 微型近红外光谱仪发展现状

1.3 论文主要内容和结构

第二章 系统总体方案设计

2.1 系统整体功能的确定

2.2 光谱感知组件原理

2.3 系统主控芯片的选型

2.4 本章小结

第三章 物联网节点系统硬件设计

3.1 数据采集节点硬件设计

3.1.1 STM32最小系统电路

3.1.2 组件驱动时序电路

3.1.3 数据采集和存储电路

3.1.4 电源和参考电压电路

3.2 通信模块硬件设计

3.3 控制及显示节点硬件设计

3.4 本章小结

第四章 物联网节点系统软件实现

4.1 组件驱动时序设计

4.2 数据存储软件实现

4.3 通信模块软件设计

4.4 液晶显示软件实现

4.5 本章小结

5.1.1 采集节点结构设计

5.1.2 盲元补偿及背景噪声扣除

5.2 系统实验

5.2.1 系统准确度验证实验

5.2.2 系统室外响应实验

5.2.3 无人机载节点数据采集实验

5.3 本章小结

6.1 总结

6.2 展望

附录

参考文献

致谢

攻读硕士期间的科研成果