基于偏振光譜的便攜式稻種快速發(fā)芽率檢測(cè)儀

王新宇，郭陽鳴，盧 偉

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031； 2.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

水稻是世界上第二大谷物作物，其發(fā)芽率是決定水稻產(chǎn)量的重要因素，也是種子質(zhì)量檢驗(yàn)中最重要的指標(biāo)之一。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于稻種發(fā)芽率的檢測(cè)可以分為有損檢測(cè)和無損檢測(cè)。有損檢測(cè)包括發(fā)芽實(shí)驗(yàn)法和四唑測(cè)定法，發(fā)芽實(shí)驗(yàn)法測(cè)定精度較高，但是其周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)過程要求嚴(yán)格，專業(yè)性要求較高[1]，四唑測(cè)定法無法檢測(cè)到深度休眠的種子，浸種時(shí)間長(zhǎng)且四唑溶液容易受光、溫度等環(huán)境因素的干擾[2]。無損檢測(cè)以近紅外光譜技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)等方法為主，近紅外光譜技術(shù)方便快捷但容易受到種子外表顏色的限制[3]，熱紅外成像技術(shù)測(cè)量精度較低[4]。偏振光譜技術(shù)基于光反射和透射特性進(jìn)而反演出目標(biāo)的本證特性，已在多個(gè)先進(jìn)領(lǐng)域得以應(yīng)用[5]。

目前，基于偏振光技術(shù)檢測(cè)稻種發(fā)芽率的研究只停留在實(shí)驗(yàn)階段，在市場(chǎng)上缺少相關(guān)的檢測(cè)儀器，基于STM32單片機(jī)和偏振光技術(shù)，研發(fā)了一種便攜式稻種快速發(fā)芽率檢測(cè)裝置。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本裝置采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的ARM內(nèi)核的STM32F103ZET6單片機(jī)作為MCU，主要模塊包括：電源模塊、光路部分、光電傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和TFT-LCD顯示屏。

裝置由光電傳感器作為傳感器模塊，在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光源照射下，其短路電流與波長(zhǎng)之間具有較好的線性關(guān)系。首先通過按鍵模塊選擇特定波長(zhǎng)的光源后，由傳感器檢測(cè)到光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換后，由MCU的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到對(duì)應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)，并通過TFT-LCD顯示屏顯示。裝置的硬件組成如圖1所示。

圖1 硬件組成框圖

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀由12 V、2200 mAh的鋰聚合物電池供電，經(jīng)穩(wěn)壓模塊LM2940和ASM1117分別變?yōu)?5 V和+3.3 V。

傳感器模塊由光電傳感器及其調(diào)理電路組成。光電傳感器采用LXD66MK硅光電池，其具有光譜響應(yīng)寬、線性好、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類儀器儀表[6]。其光譜范圍可覆蓋590～730 nm。

硅光電池電流經(jīng)低輸入偏置電流、低噪聲和低功耗的高精度雙通道放大器OP2177轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，原理圖如圖2所示，電容C9用于去除高頻噪聲，后級(jí)運(yùn)放用于阻抗變換。

圖2 光信號(hào)檢測(cè)電路

其中，Vout與Iin之間的關(guān)系為

Vout=-IinR4

(1)

2.2 單片機(jī)模塊

儀器采用的STM32F103ZET6單片機(jī)內(nèi)部自帶3路12位逐次逼近型ADC模塊，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源，最大轉(zhuǎn)換速率為1 MHz。本儀器選用ADC1的通道1，采用單次掃描模式，引腳為PA1。

顯示模塊選用TFT-LCD液晶顯示屏，TFT-LCD顯示屏采用16位并口方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速度比8位的方式提升了一倍以上。

5個(gè)獨(dú)立按鍵用于光源選擇和數(shù)據(jù)回查，分別是KEY1～KEY5，5個(gè)按鍵各自功能如表1所示。

表1 獨(dú)立按鍵功能表

其中，所有按鍵均采用STM32的外部中斷進(jìn)行輸入。STM32有84個(gè)中斷，包括16個(gè)內(nèi)核中斷和68個(gè)可屏蔽中斷，具有16級(jí)可編程的中斷優(yōu)先級(jí)[6]。本裝置中設(shè)置IO口觸發(fā)模式為下降沿觸發(fā)，5個(gè)IO口中斷優(yōu)先級(jí)組為組2。KEY1、KEY2和KEY3中斷優(yōu)先級(jí)均設(shè)置為2位搶占優(yōu)先級(jí)，2位響應(yīng)優(yōu)先級(jí)，KEY4因?yàn)樾枰Ｖ构庠摧斎耄试O(shè)置為1位搶占優(yōu)先級(jí)，1位響應(yīng)優(yōu)先級(jí)，KEY5數(shù)據(jù)回查設(shè)置為1位搶占優(yōu)先級(jí)，0位響應(yīng)優(yōu)先級(jí)。5個(gè)獨(dú)立按鍵分別采用中斷線0～4，分別配置單獨(dú)的中斷服務(wù)函數(shù)。

2.3 光路設(shè)計(jì)

光路原理圖由圖3所示。

1—LED；2—凹面鏡；3—凸透鏡；4—起偏器；5—樣品池；6—檢偏器；7—凸透鏡；8—光電傳感器

根據(jù)種子發(fā)芽率偏振光檢測(cè)中各波長(zhǎng)的差異，選取590 nm、620 nm和730 nm為特征波長(zhǎng)[7]，采用LED作為光源，具有亮度高、耗能小等優(yōu)點(diǎn)。LED可由單片機(jī)控制單獨(dú)或同時(shí)工作，光束經(jīng)凹面鏡和凸透鏡聚焦準(zhǔn)直后穿過起偏器照射到樣品池內(nèi)的稻種浸泡液上，再經(jīng)過稻種浸泡液選擇后，穿過檢偏器和凸透鏡照射到光電傳感器上，單片機(jī)采集光譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)處理。起偏器和檢偏器之間的特征偏振角設(shè)置為25°，此時(shí)建立的模型預(yù)測(cè)精度最高[7]。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 主程序

主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序框圖

首先對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、LCD顯示屏、ADC模塊、外部中斷輸入等模塊進(jìn)行初始化，判斷按鍵模塊是否有信號(hào)輸入來選擇特定的LED光源工作，若有按鍵輸入，則單片機(jī)立即進(jìn)行A/D采樣，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。待一組數(shù)據(jù)采集完成后，判斷按鍵是否有第二次信號(hào)輸入，若有，繼續(xù)進(jìn)行上一步驟，若無按鍵信號(hào)輸入，則停止采集光譜數(shù)據(jù)，此次過程結(jié)束。

3.2 數(shù)據(jù)采集子程序

通過按鍵模塊選擇某一特定波長(zhǎng)的LED后，分別進(jìn)入到其對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)中，光電傳感器每隔30 s進(jìn)行一組數(shù)據(jù)采樣，共采集6組數(shù)據(jù)，耗時(shí)3 min。為了克服LED預(yù)熱對(duì)采集數(shù)據(jù)造成的影響，通過光譜數(shù)據(jù)相減的方式采集數(shù)據(jù)，即通過采集LED1、LED2和LED3同時(shí)發(fā)光時(shí)的數(shù)據(jù)減去LED1滅，同時(shí)LED2和LED3亮?xí)r的數(shù)據(jù)，得到LED1此時(shí)的光譜數(shù)據(jù)。

同時(shí)為了克服外界雜散光的影響，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，考慮到單片機(jī)的運(yùn)算速率，采用滑動(dòng)平均濾波法。滑動(dòng)平均濾波具有濾波過程簡(jiǎn)單、實(shí)用、可控性好等特點(diǎn)，尤其適用于在線快速數(shù)據(jù)處理等對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求比較高的場(chǎng)合[8]。數(shù)據(jù)采集過程如圖5所示。

4 實(shí)物制作

檢測(cè)儀裝置的殼體由黑色不透明亞克力板組裝而成，采用鋁質(zhì)三角鐵支架固定，并用膠進(jìn)行防漏光密封。樣品池為20 mm石英標(biāo)準(zhǔn)比色皿，樣品池底座及其他零部件由3D打印而成。儀器實(shí)物如圖6所示。

5 模型建立與分析

選取湖南省雜交水稻研究中心選育的Y兩優(yōu)水稻作為樣品進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集。首先在樣品池中放入15 mm清水，依次打開3種光源，使光經(jīng)過起偏器后能垂直入射比色皿，利用儀器檢測(cè)透射的光譜數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)用于后面的歸一化處理。為了獲取不同老化程度的種子，將選取的480粒稻種分8組平均分配至8個(gè)尼龍網(wǎng)袋中，放入溫度為45 ℃，濕度為90%的RXZ智能人工氣候箱中，依次老化0～7天，按時(shí)取出老化后的種子，暴曬2 h后，放入牛皮紙中密封標(biāo)記。

圖5 數(shù)據(jù)采集子程序框圖

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

為獲取不同老化程度稻種的發(fā)芽率，在不同老化程度的稻種中每組取出50粒，進(jìn)行發(fā)芽率實(shí)驗(yàn)。首先，按老化天數(shù)的不同將稻種分別置于清水中浸種72 h，然后將種子均勻地排在濕潤(rùn)的濾紙上，按一定間隔排列，在培養(yǎng)器具上貼上標(biāo)簽，放入智能人工氣候箱中，根據(jù)GB/T 3543.4(采用了ISTA-1993提供的標(biāo)準(zhǔn)制定)表2規(guī)定的條件(20 ℃)和時(shí)間(5 d)下進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)[9]。最終得到的稻種發(fā)芽率如表2所示。

表2 稻種發(fā)芽率

用每組剩余的10粒稻種做光譜數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)為8組3×6的矩陣，基于此數(shù)據(jù)建立稻種發(fā)芽率的模型：

G=KP+c

(2)

式中，P為采集到的8組不同老化程度的稻種的光譜數(shù)據(jù)；G為發(fā)芽率；K為系數(shù)；c為常數(shù)。令G=G0，G1，…，G7分別代表老化0天，老化1天，…，老化7天的稻種的發(fā)芽率，P=P0，P1，…，P7分別代表老化0天稻種的光譜數(shù)據(jù)，老化1天稻種的光譜數(shù)據(jù)，…，老化7天稻種的光譜數(shù)據(jù)；K=K1，K2，…，K6分別代表各組光譜數(shù)據(jù)的系數(shù),則有

(3)

(4)

…

(5)

求解該多元一次方程組可以得到：

K=[k1k2k3k4k5k6]

=[-0.5932，0.8949，-1.0133，-0.0409，0.6736，-0.2448]

(6)

c= 0.668

(7)

以常州市武進(jìn)區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所培育的武運(yùn)粳19稻種重復(fù)老化與發(fā)芽實(shí)驗(yàn)，利用上述建立的稻種發(fā)芽率模型就行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)效果如圖7所示。

圖7 預(yù)測(cè)效果

由預(yù)測(cè)效果圖可以看出，該檢測(cè)儀的預(yù)測(cè)模型具有較好的預(yù)測(cè)效果，精度達(dá)到92.1%。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了稻種發(fā)芽率快速檢測(cè)儀，包括軟硬件及光路，儀器具有功耗低、體積小的特點(diǎn)，并基于偏振光譜建立了稻種發(fā)芽率的預(yù)測(cè)模型，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，其預(yù)測(cè)精度可以達(dá)到90%以上。