基于C11708MA 微型光谱仪的快速测氮装置研究与实现

沈家礼 蒋其友 陈 兵 徐梦倩 顾荣成 陈 星

（1、江苏农林职业技术学院，江苏 句容212400 2、江苏大学，江苏 镇江212013）

氮素不仅是植物蛋白质和叶绿素的主要成分，而且是一些酶的组成部分参与植物的多重生化过程，直接或间接影响植物的代谢活动和生长发育。同时植物叶片氮素含量是反映其生长质量高低的重要因素，因此对植物叶片中氮素含量的估测研究具有重要的实用意义。目前已有的测氮装置有一些不足，如速度慢、体积大，且对植物叶片损害较大。传统的测单装置已经不能满足当今快速且无损检测叶片氮素的要求。因此,如何升级优化植物叶片氮元素检测装置, 在确保植物叶片不受损前提下提高检测效率和检测准确率, 设计一款易操作易推广的植物叶片快速测氮装置,一直都是此项目研究人员积极创新与探索的重要工作。由于高光谱对植物中的N 素、叶绿素等含量极为敏感，植物叶片中N 素含量的变化必定会对其反射光谱信息产生影响，故可根据叶片的光谱信息估测植物叶片中的N 素含量。

本文先研究叶片氮元素各自敏感波段，再研究能够涵盖这些敏感波段的光谱仪，用光谱仪检测到所有波段光谱，根据预先建立的模型，筛选出敏感波段，在树莓派中实现。

1 光谱测氮

图1 技术原理

王赏贵[1]等研究发现在不同的重要生育期棉花叶片的高光谱特征呈现大体一致的趋势。在可见光区域，光谱特征呈现先增大后减小的趋势，此现象在反射峰处达到最大值，在近红外区域，光谱特征呈现趋于平稳的趋势，在波段760～1075nm 较为明显。杨宝华[7]等基于敏感波段的研究发现小麦冠层叶片光谱的敏感波段区在350～1100nm 之间，而大部分波段更是在近红外光谱760～1300nm 之间。

2 C11708MA 微型光谱仪

C11708MA 微型光谱仪是日本滨松公司推出的新一代微型光谱仪探头，探头采用带光接收狭缝的CMOS 图像传感器，整合了MEMS 和图像传感器技术，光谱范围广，可以涵盖340～7800nm、340～850nm、640～1050nm、1550～1850nm。该光谱仪将传感器、探测光源、样品池、驱动电路进行集成，麻雀虽小五脏俱全，仅仅以8 立方厘米的体积就可以实现传统大型光谱仪的相似功能。该微型光谱仪集合了精度高、重复性好、成本低的有点于一身。对植物叶片进行光谱数据的采集、分析、存储、回访，最终形成基于光谱数据的植物氮元素多元非线性检测模块，利用该C11708MA 微型光谱仪与分析仪器相结合可以快速无损测定植物叶片中的氮元素。

图2 MS 系列——拇指大小（27.6x16.8x13mm）的光谱仪头

3 树莓派

树莓派由“Raspberry Pi 基金会”开发，它具有1.2GHz 的CPU,RAM 大小为1GB。具有40 个I/O 端口、Wi-Fi 模块、4 个USB 接口，可外接设备等。同时可以写入操作系统，通过PC 机进行远程桌面控制。

本组使用的是B+型。树莓派B+型是与2014 年7 月推出的型号，在原版B 型号的基础上做出了改进。B+型号树莓派拥有功耗低、接口丰富的优点。B+ 型树莓派的功耗降低了0.5w-1w 左右，SD 卡插槽也被替换成较为美观的microSD 卡槽且采用了低噪供电方式的音频，外部USB 接口被移置到一边更加美观。

4 树莓派如何实现

图3 树莓派实现流程图

图4 平台装置实物图

表1 MS 系列——光学特性

C11708MA USART 通信协议：

（下文中，串口波特率为9600 串口状态:收一次数据，发一组光谱数据）

单片机发送数据0x54 0x20 0x31 0x30 0x30 0x0D 0x0A

（其中0x54 0x20 为头，0x31 0x30 0x30 积分时间，0x0D 0x0A 为尾结束符）

光谱仪上传一组实时光强数据，具体如下格式：

图5

DATA：光谱通道上的AD 采样值（范围0X00～0X0FFF，即0～4095），长度256

TIME：当前系统采样积分时间

（DATA、TIME 全为16 位数据，串口传输，高8 位在前，低8位在后）

如：0X400X41

DATAO 高8 位DATAO 低8 位.

.....

DATA255 高8 位DATA255 低8 位

TIME 高8 位TIME 低8 位

0X300X31

波段提取：

①开始，系统处于监控模式；

②C11708MA 微型光谱仪采集到植物叶片的高光谱数据，把指令传给树莓派；

③树莓派通过程序端口，完成对光谱反射率的计算，以及叶片氮素含量的反演，并通过程序将信息实时显示给用户；

④装置间隔0.5 秒后继续回到监控状态；⑤用户依据反馈数据采取相应措施。

5 结论

本文研究了利用光谱检测技术测定植物氮元素含量的相关模型的最近进展，测试了C11708MA 微型光谱仪的性能，并基于树莓派设计了该光谱快速无损测氮装置，通过设定不同的模型参数，筛选出不同植物叶片敏感波段，可以检测不同作物的氮含量，实验结果得到的植物叶片氮元素含量与便携测氮仪的检测值相关性较好。

本文研究时发现此装置检测效果受外界光线干扰影响较大，导致准确率有所下降，将在以后的研究中持续改进检测硬件和模型抗干扰性。