本款基于离散近红外的高地隙快速检测机由光谱检测模块、土壤全氮快速检测软件、圆盘型检测犁、高地隙运动结构、行走控制系统五大部分组成。

本项目土壤全氮检测机通过行走控制系统向转向控制单元和速度控制单元发出指令，控制检测车的运动和转向，驶入待检测农田。双侧对称型圆盘检测犁通过液压杆组安装于运动机构底盘下方，液压杆组通过长度变换可控制检测犁的入土深度。检测窗口设置于检测检测犁内壁边缘处，便于检测深层土壤。检测过程中，检测犁运动一周，当检测窗口位于表层土壤以下时，收集土壤氮素信息。将信息传输至上方光谱信息处理模块，通过预先训练好的土壤参数模型进行分析对比，得到土壤的氮素信息，传输至工控机并通过无线传输模块发送至移动通信终端。移动终端将检测点的氮素信息和位置坐标进行拟合，得到改农田区域的全氮量空间分布示意图。整体设计效果图如图2-01所示

图2-01整体设计效果图

一.1. 近红外土壤全氮检测工作机理

可见-近红外光谱是波长范围为380~2500nm的电磁波，介于远紫外区与中红外区之间。土壤养分中含有的有机含氢集团，即C-H、N-H、O-H等以及分子状态和组成态等信息都蕴含在可见-近红外光谱中[19]。上述理论为利用可见-近红外光谱分土壤养分组成及含量奠定了基础。可见-近红外光谱分析技术分为透射光谱和漫反射光谱两类[20]，本项目选用漫反射光谱分析技术，作为主要检测方法。本项目整体土壤全氮近红外光谱检测系统分为地下部分和地上部分。

地下部分深入表层土壤10~15cm以下，主要由卤钨光源、InGaAS光电探测器，滤光片、近红外导光光纤组成，安装于双侧对称圆盘型检测犁内。圆盘犁设有检测窗口，检测过程中可深入表层土壤以下10~15cm以下，近红外导光光纤为一分六光纤，由一条入射光纤和六条反射光纤组成。高功率卤钨光源发射出预定波长的光线，通过近红外导光光纤将光源传输至检测窗口处，照射待检测土壤，一部分光被土壤吸收，一部分在土壤表面形成漫反射，漫反射光通过反射光纤，经过七波段滤波片滤波后传至光电探测器中。光电探测器用于将接受到的光信号转换成电信号，并将电信号发送至地上部分信号处理模块。

地上部分位于运动机构底盘上方，包括电信号处理电路、AD转换电路、ARM处理器、GPS模块。带有土壤参数信息的电信号经过电信号处理模块，将电信号转化成电压信号，并对电压信号进行放大。AD转换电路接收放大后的电压信号后将该电压信号转化为数字信号；ARM处理器接收数字信号，并根据数字信号计算出土壤光谱反射率，进而对土壤含水率和全氮含量进行分析；并且ARM处理器通过GPS模块获取土壤采样点的GPS坐标信息，并根据所述GPS坐标信息绘制出所述土壤全氮含量分布示意图。显示模块用于显示所述土壤含水率和全氮含量及其分布示意图的画面。土壤光谱检测原理如图2-02所示：

图2-02土壤全氮检测原理示意图

第二章 设计内容

二.1. 近红外光谱检测模块

近红外漫反射光谱测量在土壤养分估算及其相应的检测仪开发领域得到越来越广泛的应用，已成功对土壤有机质，土壤全氮，土壤有机碳和土壤水分等进行了实验室检测，并都取得了较好的预测结果[21]。本项目基于离散近红外光谱检测技术的土壤全氮检测模块主要由光学单元和控制单元组成。

二.1.1. 光学单元设计

光学单元是该土壤全氮检测机的核心，图3-01为光学单元设计简图。主要由卤钨光源、光电探测器、一分六近红外导光光纤、单一波段滤光片组成。卤钨灯光源发出的近红外光通过近红外导光光纤传输到检测土壤表层。6个单一波段的滤光片将土壤表层的漫反射进行滤波，得到6个单一波长的漫反射信号。随后光电探测器将上述漫反射信号转换为电信号，最后传输至检测模块控制系统。

图3-01光学单元设计简图

1.被测土壤2.入射光纤3.卤钨光源4.光电探测器5.滤波片6.反射光纤

7.一分六主光纤

二.1.1.1. 光源选择

检测光源对检测精度有着直接影响，卤钨灯光源LED光源和激光光源更适合用于车辆设备。根据前人研究成果，土壤全氮 含量测量选取6个敏感波段1108，1248，1336，1450，1537和1696nm [22-24]。同时考虑到便于携带和光强可调的要求，选用海洋光学HL-2000-HP-FHSA型高功率卤钨灯（图3-02所示）作为光源卤钨灯光源的性能参数为：工作电压为 24V，最大功率 8.4 W，光源尺寸6.2 cm×6 cm×15 cm，光源光斑为2mm，质量为0.5 kg，波长范围360~2400 nm。该光源的光强分布如图00所示，该光源相比单波段 LED 光源、激光光源，具有光照强度大、光强可调、工作持稳定的优点，相比其他卤钨灯光源具有体积小、质量轻、自带散热的优点，并且该光源发出光的波长范围覆盖了所选定的6个敏感波长，满足仪器对光信号波长选择的要求。

图3-02海洋光学HL-2000-HP-FHSA型高功率卤钨灯

二.1.1.2. 光纤结构设计

由于被测土壤表面土壤颗粒大小不同，入射光照射到不同的土壤表面，反射光的分散性会对测量结果带来误差，因此光纤设计时需要进行结构性补偿。为了满足同时完成入射光和6个反射光的传输，并且保证光信号在光纤传输过程中获得最大的光通量和减少光纤制作的成本，选用特制分叉型一分六石英光纤，光纤结构设计如图3-03所示。该光纤探头直径为 4.4 mm，由19根多模入射光纤和72根多模反射光纤组成。入射光纤由19根多模入射光纤拟合而成，直径为2 mm，6根反射光纤由72根多模反射光纤拟合而成。石英光纤性能优于玻璃光纤，反射光纤包围入射光纤，可以更有效地将漫反射光收集到反射光纤内从而减少入射光在反射过程中光信号的损失，并且得到能够稳定通过的光信号波长400~2500 nm，满足在土壤全氮预测过程中敏感波段的测量要求。

图3-03光纤结构示意图

二.1.2. 控制单元设计

图 3-04为控制单元设计图。MSP430F149单片机作为主控芯片，对数据进行采集和处理。8通道芯片 ADG708从6个不同波长的光信号中选择一个通道进行导通。随后，MSP430F149 单片机用自带的的12位A/D转换器对从 InGaAS光电传感器采集的数据进行模数(A/D)转换。随后，使用统计方法结合平均滤波方法对A/D 转换数据进行滤波。硬件滤波方法是一阶电阻电容(RC)低通滤波器。软件滤波包括两个步骤：幅度限制和均值。当数据介于20~2500mV之间时，所有数据均取16次扫描的平均值。如果数据是<20mV 或>2500mV，则将它们作为异常值删除。最后，检测到的土壤全氮和GPS数据会自动显示在触摸屏平板电脑上，并存储在数据库中。

图3-04控制单元设计图

二.1.2.1. 多通道选择电路设计

主控芯片对6路土壤漫反射信号进行依次采集,ADG708芯片是低压CMOS模拟多路复用器,包括8个单通道｡ADG708 将8个输入单通道(S1-S8)之一转换到公共输出通道D,该输出由3位二进制地址线A0､A1和 A2确定,图3-05为 ADG708 实现的多通道选择电路｡

图 3-05多通道选择电路设计

二.1.2.2. I/U 转换电路设计

土壤的漫反射光在经过滤光片滤光后，信号存在一定程度的损失，在经过 InGaAS光电传感器的光电转换后，得到的土壤漫反射电信号比较微弱，此外，转换的电信号还夹杂着各种噪声。TLC2201 芯片是一种精密、低噪声运算放大器，是高阻抗，低电平信号调理应用的理想选择。因此选择 TLC2201 芯片进行 I-U 转化，同时实现对信号的一级放大，图 3-06为TLC2201 芯片实现的 I-U 转换电路。

图 3-06 I-U 转换电路设计

二.1.2.3. 放大滤波电路设计

经过 I-U 转换的信号虽然同时进行了一级放大，但是仍然比较微弱。因此使用NE5532 芯片实现对信号的二级放大滤波，通过对电位器 R8、R9 进行调节，实现二级放大滤波，放大倍数为39倍，图3-07为NE5532芯片实现的滤波放大电路。

图 3-07 滤波放大电路

二.1.2.4. GPS模块 

检测仪能够实现对检测点的 GPS 值进行采集，本研究采用的 GPS 模块为深圳佳信数码公司生产的 GPS 模块，该模块采用 U-BLOX NEO-6M 模组，该模组体积小、功耗低、灵敏度高，和极高追踪灵敏度的特点，能够实现高精度的定位。GPS 模块同 时兼容 3.3V/5V 电平，能够便捷的与各种单片机系统进行连接。图 3-08为GPS模块和GPS天线，表3-1为GPS模块的引脚使用说明。

图 3-08 GPS 实物图

表 3-1 GPS 模块引脚使用说明

二.1.2.5. 无线传输模块

为了使检测仪能够对数据进行无线采集和传输，必须有无线传输模块进行数据的传输。本研究选用了深圳凌成鑫公司的无线传输模块 C101，该模块是一款工业级无线数据的传输模块。具有体积小，传输精度高，方便集成等特点。在空旷的条件下，传输距离可以达到 1200m，传输速率为 1.2K/h；具有丰富的工作频段，包括 433、470、868 和 915MHz，根据特定的工作场景进行自由选择，通讯频道最高达 40 个以上。该模块的工作电压范围为 3.3~7.0V，方便与单片机系统进行集成；温度工作范围为 -40~+85℃，能够很好的适应夏季农田的高温工况。图 3-09为深圳凌成鑫公司的无线传输模块及其天线的实物图，表 3-2 为 C101 模块的引脚使用说明。

图 3-09 C101 无线传输模块

表 3-2 GPS 模块引脚使用说明

二.2. 土壤全氮快速检测系统软件开发

二.2.1. 检测系统软件总体设计

基离散近红外的土壤全氮快速检测系统软件采用模块化的设计思想，由系统主界面，数据采集、分析界面，轨迹成图界面及 MySQL 数据库组成[25]。图 3-10 为检测软件的功能框架图，检测系统软件架构为客户机/服务器的架构，客户机和服务器同为Windows 工控机平台，客户机对采集的信息进行分析处理和显示，服务器对接收和处理的数据进行存储。

图3-10 检测系统软件功能框架图

二.2.2. 检测系统软件主界面设计

检测系统软件主界面用来对整个检测系统软件所具备的功能进行展示，方便用户对软件功能进行了解并对软件进行操作。同时，设计有帮助文档，用户可以通过帮助文档对软件有更详细的认识，可以更好地操作软件。图 3-11 为检测系统软件主界面。

图 3-11检测系统软件主界面

二.2.2.1. 串口数据

串口数据通讯主要功能有端口选择、波特率设置等，串口通讯采用 RS232 串口通讯协议。串口数据通讯模块采用 C101 无线传输模块，它能够在0~1500m 范围内进行数据的无线交互，并且方便集成在硬件电路部分，是一款高可靠性的数据无线传输模块[26]。在检测系统软件对主控芯片采集的不同敏感波长处的土壤光谱信息及 GPS 信息进行传输采集时，首先检测系统软件通过 C101 无线传输模块向主控芯片发送触发信息，主控芯片随后将检测数据传输到检测系统软件，用户可以通过对触发信息发送时间间隔的设置，实现对数据传输采集的控制。

二.2.2.2. 数据分析与处理

数据分析与处理模块嵌入有土壤全氮含量预测模型，土壤全氮含量预测模型是在对不同土壤类型的土壤进行光谱检测，并进行多次建模分析得到的。本检测系统软件土壤全氮含量预测模型主要分为 3 个类型，分别是东北地区的黑土、华北的棕壤土以及西南地区的红壤土。在对土壤光谱数据进行采集时，首先对土壤类型进行登记，并调用相应的土壤预测模型，不同土壤类型的预测模型差别很大，会对检测结果产生较大的影响，因此在对土壤全氮含量进行检测时，必须正确选择土壤全氮含量预测模型。此外，不同敏感波长处的土壤光谱数据、GPS 信息以及反演得到的土壤全氮含量会同时进行显示，为了更好地对采集及分析处理的数据进行展示，方便用户对数据进行查看，检测系统软件对采集的不同敏感波长的土壤光谱数据、GPS 信息以及反演得到的土壤全氮含量进行分类显示，检测系统软件实现了更好的人机交互界面。图 3-12为数据采集与分析流程图。

图3-12数据分析处理流程图

二.2.2.3. HTML5地理位置定位技术

利用地理位置(Geolocation)定位技术获取设备的位置对于建立更直观的信息和用户体验越来越重要。地理位置可以用来对设备的位置进行定位，是HTML5 的重要特性之一，在位置信息应用开发方面发挥着重要作用。HTML5地理位置定位技术实现的途径主要有3类[27]；基于浏览器获取使用者定位位置，使用百度地图或者谷歌地图进行数据交互显示位置信息，依赖高精度的定位设备精确地对使用者的位置进行定位。本文利用GPS设备，获取车载式土壤全氮快速检测系统的地理位置信息。

二.2.2.4. 检测系统软件工作流程