CN113252579A - 一种基于设施的农业综合传感器装置及其空气参数检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及农业设备领域，尤其涉及一种基于设施的农业综合传感器装置及其空气参数检测方法。一种基于设施的农业综合传感器装置，包括变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元和处理器；所述变频激光发射器用于连续/间歇性地发射全波段的激光；激光接收器用于接收上述变频激光发射器所产生的全波段激光；所述数据预处理单元对全波段激光进行分段，并将每段激光进行光谱扫描得到扫描信息；所述处理器基于待检测成分所对应的波段的光谱变化进行分析处理，得到待检测成分的含量。该农业综合传感器装置基于上述方案单次激光检测即可通过不同波段激光快速测量多种参数，提高检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及农业设备领域，尤其涉及一种基于设施的农业综合传感器装置及其空气参数检测方法。
背景技术
通过激光光谱分析测量空气中成分含量是目前常用的检测方法，如可用于测量NO2、CO2等气体。但目前的行业主要是单一的参数传感器，综合参数传感器目前没有看到，小型化、量产化目前没有面市与应用。如目前在红外激光检测领域中，采用红外激光检测温度的传感器，利用红外激光来检测C02的NDIR技术等等，但基本是在单一参数的技术进行研究与应用。
故如上所述，在农业温室领域，目前应用多是传统较为老化的技术，主要存在以下不足与缺陷：
1.单次只能检测一个参数，如需要测定多个参数，则需要设置多组激光检测装置；
2.单个激光检测装置体积大，功耗高且故障率高、不稳定，不易于在农业温室中进行部署与使用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种基于设施的农业综合传感器装置，该农业综合传感器装置基于上述方案单次激光检测即可通过不同波段激光快速测量多种参数，提高检测效率。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种基于设施的农业综合传感器装置，其特征在于：包括变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元和处理器；所述变频激光发射器用于连续/间歇性地发射全波段的激光；激光接收器用于接收上述变频激光发射器所产生的全波段激光；所述数据预处理单元对全波段激光进行分段，并将每段激光进行光谱扫描得到扫描信息；所述处理器基于待检测成分所对应的波段的光谱变化进行分析处理，得到待检测成分的含量。
本发明采用上述技术方案，该技术方案涉及一种基于设施的农业综合传感器装置，该农业综合传感器装置采用光谱分析测定空气成分含量，其核心原理是：激光发射器发射激光后由激光接收器接收，处理器和数据预处理单元对于接收到的激光进行光谱分析，从而得到空气成分含量。在此基础上本方案的创新之处在于，本方案中采用的激光发射器为变频激光发射器，该变频激光发射器能够发射全波段激光，而激光接收器则相对应的也接收全波段激光；数据预处理单元对全波段激光进行分段，并将每段激光进行光谱扫描得到扫描信息。在此情况下根据所需要检测空气成分，处理器可对于特定分段的光谱进行分析处理，得到待检测成分的含量。
该农业综合传感器装置基于上述方案单次激光检测即可通过不同波段激光快速测量多种参数，如3个或者3个以上的参数；从而提高检测效率。
作为优选，还包括指令单元，所述处理器基于指令单元输入指令选取特定若干段光谱信息进行分析，得到待检测成分的含量。该技术方案中，指令单元可以是按键输入、触屏输入等各种指令单元，工作人员通过指令单元向处理器输入指令，指令可以是需要检测的空气成分，处理器基于该指令信息，调取待检测空气成分所对应的激光波段的光谱进行分析，得到待检测成分的含量。当待检测空气成分有多种时，可调取多段激光波段的光谱进行分析。
作为优选，还包括控制协同单元，控制协同单元用于控制变频激光发射器和激光接收器协同工作。控制协同单元根据指令要求，同时向变频激光发射器与激光接收器单元发送指令，将发射的激光光谱与激光接收器的接收光谱进行存储到数据预处理单元，尽而通过指令及算法进行分析比较，运算后得到指令需要的特定气体的含量方法。
作为优选，还包括接口输出输入单元。
作为优选，所述变频激光发射器、激光接收器和数据预处理单元通过半导体封装技术集成，且变频激光发射器与激光接收器之间形成有可与室内空气流通的空腔。该技术方案中，农业综合传感器装置的变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元和处理器通过半导体封装技术集成，变频激光发射器与激光接收器之间形成一个小型化的的气体可以进行流动的腔体。如此将农业综合传感器装置小型化、低功耗化；当激光束对空腔气体进行检测时，根据上述描述的过程与封装在半导体内的微处理器进行算法综合分析，从而快速测定。
作为优选，所述全波段激光包括红外线、可见光、紫外线和X光中的一种或多种。
本发明的第二目的在于提供一种基于设施的空气参数检测方法，该检测方法采用上述农业综合传感器装置，并执行如下步骤：
步骤1，处理器控制变频激光发射器向激光接收器连续/间歇性地发射全波段的激光，并同步控制激光接收器接收上述全波段激光；
步骤2，数据预处理单元对全波段激光进行分段，并对每段激光进行光谱扫描得到扫描信息；
步骤3，处理器基于待检测成分所对应的波段的光谱变化进行分析处理，得到待检测成分的含量。
附图说明
图1为实施例1中的农业综合传感器装置结构连接框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
如图1所示，本实施例涉及一种基于设施的农业综合传感器装置，包括变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元、处理器、指令单元、控制协同单元和接口输出输入单元。
上述控制协同单元用于控制变频激光发射器和激光接收器协同工作；控制协同单元根据指令要求，同时向变频激光发射器与激光接收器单元发送指令，将发射的激光光谱与激光接收器的接收光谱进行存储到数据预处理单元，尽而通过指令及算法进行分析比较，运算后得到指令需要的特定气体的含量方法。接口输出输入单元则是向农业综合传感器装置输入/从农业综合传感器装置输出信息，可以采用无线传输的方式；指令单元是供工作人员向农业综合传感器装置输入指令。所述变频激光发射器用于连续/间歇性地发射全波段的激光；激光接收器用于接收上述变频激光发射器所产生的全波段激光；所述数据预处理单元对全波段激光进行分段，并将每段激光进行光谱扫描得到扫描信息。处理器作为信息处理中心，用于计算和发送控制命令；所述处理器能够基于待检测成分所对应的波段的光谱变化进行分析处理，得到待检测成分的含量。
在具体实施方案中，当所述处理器基于指令单元输入指令选取特定若干段光谱信息进行分析，得到待检测成分的含量。此处的指令单元可以是按键输入、触屏输入等各种指令单元，工作人员通过指令单元向处理器输入指令，指令可以是需要检测的空气成分，处理器基于该指令信息，调取待检测空气成分所对应的激光波段的光谱进行分析，得到待检测成分的含量。当待检测空气成分有多种时，可调取多段激光波段的光谱进行分析。
此处方案中的所述全波段激光包括红外线、可见光、紫外线和X光中的一种或多种。
该农业综合传感器装置采用光谱分析测定空气成分含量，其核心原理是：激光发射器发射激光后由激光接收器接收，处理器和数据预处理单元对于接收到的激光进行光谱分析，从而得到空气成分含量。在此基础上本方案的创新之处在于，本方案中采用的激光发射器为变频激光发射器，该变频激光发射器能够发射全波段激光，而激光接收器则相对应的也接收全波段激光。数据预处理单元对全波段激光进行分段，并将每段激光进行光谱扫描得到扫描信息。在此情况下根据所需要检测空气成分，处理器可对于特定分段的光谱进行分析处理，得到待检测成分的含量。该农业综合传感器装置基于上述方案单次激光检测即可通过不同波段激光快速测量多种参数，如3个或者3个以上的参数，从而提高检测效率。
具体来说，红外光谱中，近红外光谱（波段为0.8～2.5微米）、中红外光谱（2.5～25微米）和远红外光谱（25～1000微米）对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光，可得到红外发射光谱，物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红外射线进行分光，可得到红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，它是一种分子光谱。分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱，
紫外光谱是分子中某些价电子吸收了一定波长的电磁波，由低能级跃近到高能级而产生的一种光谱，也称之为电子光谱。目前使用的紫外光谱仪波长范围是200~800nm。其基本原理是用不同波长的近紫外光（200~400nm）依次照一定浓度的被测样品溶液时，就会发现部分波长的光被吸收。
可见光指能引起视觉的电磁波。可见光的波长范围在0.77～0.39微米之间。波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同。0.77～0.622微米，感觉为红色；0.622～0.597微米，橙色；0.597～0.577微米，黄色；0.577～0.492微米，绿色；0.492～0.455微米，蓝靛色；0.455～0.39微米，紫色。
在本方案中，在数据预处理单元对全波段激光进行分段，并将每段激光进行光谱扫描得到扫描信息；所述处理器基于待检测成分所对应的波段的光谱变化进行分析处理，得到待检测成分的含量。比如：CO2的红外波长：9.2-10.8μm，通过对这个波长的光谱进行特定指令分析，即可进行空气中CO2的含量测定。再如湿度的测量：波长在：1-2.5微米的范围，通过分析这个波段的光谱即可获取湿度的相关数据,其它依次类推。根据以上的光谱进行全扫描，从而得到全光谱分析结果，通过数据分析进行标定值的比较，从而得到一个特定气度的比例值 ，从而计算出所测量的目标气体的含量。
在进一步的优选实施方案中，至少变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元和处理器通过半导体封装技术集成；在更为优选的方案中，变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元、处理器、指令单元、控制协同单元和接口输出输入单元均通过半导体封装技术集成；且变频激光发射器与激光接收器之间形成有可与室内空气流通的空腔。此处，至少农业综合传感器装置的变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元和处理器通过半导体封装技术集成，变频激光发射器与激光接收器之间形成一个小型化的的气体可以进行流动的腔体。
此处的变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元和处理器采用先进半导体工艺mems cmos技术进行工艺的创新与封装，如此将农业综合传感器装置小型化、低功耗化。当激光束对空腔气体进行检测时，根据上述描述的过程与封装在半导体内的微处理器进行算法综合分析，从而快速测定，并送到外部存储器中，通过协议封装与解析对信息进行传输与显示，以解决当前传感器的不足。
mems技术和cmos技术均为现有技术，特点如下：
MEMS技术的特点主要是:
1)微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、 响应时间短。
2)以硅为主要材料，机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁 探空温湿压集成传感器的研究 ，
相当，密度类似铝，热传导率接近铝和钨。
3)批量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机 电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。
4)集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执
行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制 造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
----------CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低
--------Mems Cmos,即接合MEMS与cmos的两项工艺与技术来完成此前两种工艺技术单独不能完成的部分。
上述方案涉及用全波段激光来进行空气参数的检测技术，结合当前先进半导体工艺Mems COMS与激光技术，综合参数传感器小型化、低功耗化，能够同时进行3个或者3个以上的参数快速测定，在当前农业温室领域，应用多是传统单一参数传感器，同时功耗也较高，在恶劣环境下工作的稳定性与可靠性较差，比如部分传感器使用在半年就频繁出现故障，给应用与设施的稳定运行带来了不可忽略的影响。而此方案将农业综合传感器装置小型化、低功耗化，使其稳定性好，不易损坏、故障率低。
实施例2：
本实施例涉及一种基于设施的空气参数检测方法，该检测方法采用实施例1中所述农业综合传感器装置，并执行如下步骤：
步骤1，处理器控制变频激光发射器向激光接收器连续/间歇性地发射全波段的激光，并同步控制激光接收器接收上述全波段激光。
步骤2，数据预处理单元对全波段激光进行分段，并对每段激光进行光谱扫描得到扫描信息。
步骤3，处理器基于待检测成分所对应的波段的光谱变化进行分析处理，得到待检测成分的含量。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种基于设施的农业综合传感器装置，其特征在于：包括变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元和处理器；所述变频激光发射器用于连续/间歇性地发射全波段的激光；激光接收器用于接收上述变频激光发射器所产生的全波段激光；所述数据预处理单元对全波段激光进行分段，并将每段激光进行光谱扫描得到扫描信息；所述处理器基于待检测成分所对应的波段的光谱变化进行分析处理，得到待检测成分的含量。
2.根据权利要求1所述的一种基于设施的农业综合传感器装置，其特征在于：还包括指令单元，所述处理器基于指令单元输入指令选取特定若干段光谱信息进行分析，得到待检测成分的含量。
3.根据权利要求2所述的一种基于设施的农业综合传感器装置，其特征在于：还包括控制协同单元，控制协同单元根据指令要求，同时向变频激光发射器与激光接收器单元发送指令，将发射的激光光谱与激光接收器的接收光谱进行存储到数据预处理单元，尽而通过指令及算法进行分析比较，运算后得到指令需要的特定气体的含量方法。
4.根据权利要求3所述的一种基于设施的农业综合传感器装置，其特征在于：还包括接口输出输入单元。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于设施的农业综合传感器装置，其特征在于：所述变频激光发射器、激光接收器、数据预处理单元和处理器通过半导体封装技术集成，且变频激光发射器与激光接收器之间形成有可与室内空气流通的空腔。
6.根据权利要求1所述的一种基于设施的农业综合传感器装置，其特征在于：所述全波段激光包括红外线、可见光、紫外线和X光中的一种或多种。
7.一种基于设施的空气参数检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，处理器控制变频激光发射器向激光接收器连续/间歇性地发射全波段的激光，并同步控制激光接收器接收上述全波段激光；
步骤2，数据预处理单元对全波段激光进行分段，并对每段激光进行光谱扫描得到扫描信息；
步骤3，处理器基于待检测成分所对应的波段的光谱变化进行分析处理，得到待检测成分的含量。
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