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摘要：氮素是植物体内叶绿素的重要组成部分，是与植物产量最为密切相关的营养元素。因此保证植物体内的氮素含量就是保证植物生产的非常重要的条件，氮素的精准获取与氮肥施用过程中可能会导致氮素的浪费和对土壤的污染，且对植物体产生不利的影响。因此准确获取植物氮素含量的方法显得尤为重要。目前市面上已有的氮素检测装置价格相对昂贵，并且不易携带，并不能适用于大部分的个体农户当中，所以我们设计了一种简单便捷，经济实惠的氮素检测装置。基于叶绿素含量影响叶片反射率的原理，通过检测叶绿素的含量来间接测量氮素的含量，巧妙地设计一个暗室来研究光通过叶片的反射率进而反演叶绿素含量。本装置在暗室中可形成不同亮度的图形，再通过与标准的数据库进行比对，即可准确快速的获得植物氮素含量。该设计通过实地现场调研，农民对其认可度较高，认为其价格和功能符合个体农户的需求。

关键词：氮素检测  光谱  反射  营养元素

基金项目：吉林大学国家级大学生创新创业训练项目（项目编号：202210183142）

Abstract Nitrogen is an important component of chlorophyll in plants and is the most closely related nutrient element to plant yield. Therefore， ensuring the nitrogen content in the plant body is a very important condition for ensuring plant production. The precise acquisition of nitrogen and the application of nitrogen fertilizer may lead to nitrogen waste and soil pollution， and have adverse effects on the plant body. Therefore， it is particularly important to accurately obtain the nitrogen content of plants. At present， the existing nitrogen detection devices on the market are relatively expensive and not easy to carry， and cannot be applied to most individual farmers. Therefore， we have designed a simple， convenient， and cost-effective nitrogen detection device. Based on the principle that chlorophyll content affects leaf reflectance， nitrogen content is indirectly measured by detecting chlorophyll content. A dark room is cleverly designed to study the reflectance of light passing through the leaves and then invert chlorophyll content. This device can form different brightness graphics in a darkroom， and by comparing with a standard database， the nitrogen content of plants can be accurately and quickly obtained. This design has been highly recognized by farmers through on-site research， believing that its price and functionality meet the needs of individual farmers.

Keyword Nitrogen detection     Spectrum      Reflex   Nutrient elements

1、绪论

1.1氮素对植物的影响

氮元素是构成蛋白质的主要成分，对茎叶的生长和果实的发育有重要作用，是与产量最密切的营养元素。在第一穗果迅速膨大前，植株对氮素的吸收量逐渐增加。以后在整个生育期中，特别是结果盛期，吸收量达到最高峰。土壤缺氮时，植株矮小，叶片黄化，花芽分化延迟，花芽数减少，果实小，坐果少或不结果，产量低，品质差。氮素过多时，植株徒长，枝繁叶茂，容易造成大量落花，果实发育停滞，含糖量降低，植株抗病力减弱。番茄对氮肥的需要，苗期不可缺少，适当控制，防止徒长；结果期应勤施多施，确保果实发育的需要。增施氮肥，对促进植物生长健壮有明显的作用。植物表现为叶色很快转绿，生长量增加。但是氮肥用量不宜过多，一是过量施用氮素时，叶绿素数量增多，能使叶子更长久地保持绿色，以致有延长生育期、贪青晚熟的趋势；二是成本增加；三是资源浪费，造成面源污染。因此试验中土壤氮素的检测对于试验中前期施肥至关重要。

1.2现有的氮素检测方法

我们调研了几种现有的氮素营养检测技术，但同时也发现了这些技术存在诸多问题与弊端，令其很难实际投入到农业生产当中。

下面举例一些目前常见的植物氮元素检测方法：

（1）化学手段测量

常见的化学手段进行的测量有凯定氮法，杜马斯燃烧法等，这些手法可以精确测量出取样样本中的氮素含量，但是化学方法通常都具有复杂的预处理过程和苛刻的检测条件要求，因此需要将样本送至专门的实验室进行检测，导致经济和时间成本极高，而且植物生长的不同时间段营养成分也在不断发生改变，因此化学检测手段并不适用于生产中的植物氮素营养检测。

（2）热裂解气质仪测量

热裂解气质仪可以精确的诊断出样本中的氮素营养状况，但是设备体积庞大，操作较为复杂，在抽样检测中具有较为杰出的表现，但受限于热裂解气质仪的高昂价格和复杂的操作，也是始终无法真正投入农户实际生产当中。

因此，如何进行高效，便携，成本低廉的氮素营养检测已成为一个重要研究课题，这对农业经济的发展具有重要的现实意义。氮素是合成叶绿素的组成部分，叶绿素的含量直接反映了植物的氮素营养水平，因此我们决定通过检测叶绿素的含量来间接检测氮素的含量，这种方法简单快速，具有很好的时效性，可以快速检测氮素含量，做到因地制宜。同时设备的设计小巧灵活，方便携带与应用，可以有效解决目前的检测方法存在的诸多问题，为农业生产提供便利与保障。

2、理论基础

2.1 叶绿素含量与氮素含量的关系

氮素的含量不易直接检测获得，通过检测叶绿素来间接表达氮素含量更为简单便捷。所以氮素含量的检测在一定程度上就是叶绿素含量的检测。

2.2检测原理

在研究过叶绿素含量对植物性状表现的影响后，利用叶片在不同氮素水平下反映的颜色不同，测量光照射在不同叶片之后的不同反射率，来间接表达植物体内的叶绿素含量。在排除了外来光线的干扰后，制定了如下方案：

由于植物体内叶绿素含量不同时，叶片的颜色性状显示也不同，所以当用相同物理参数的光线照射时，氮素含量不同的植株叶片也会出现不同强度的反射光，当反射的光线通过入光口狭缝到达暗室时，通过暗室内摄像头采集到的暗室图像的亮度也会不同。摒弃了原本直接测量法当中利用光谱特征值，或是SPAD等传统的叶绿素含量测评指标。创新性地以暗室内图像的亮度作为新的量化指标。这种指标对硬件成本要求极低，且由于方案本身性质，同时具有时效性高，便携性高等特点。

2.3数据的处理与输出

数据处理装置接收到图像信息之后，会提取其RGB通道值，并计算其平均值，将获得的RGB各通道值分别作为x，y，z，绘入三维坐标图之中，计算被测点与原点在x=y=z直线上的投影，然后计算投影长度与原点距（255，255，255）长度的比值。

将处理之后的信息输出到显示装置之中，即可得到准确的植物氮素含量信息。

3、实现设计

3.1硬件选取

外壳：通过增材制造技术使用1.5mm的PLA耗材制成。

主板：STM32F103ZET6开发板，主芯片为STM32F103ZET6大容量LQFP144、引脚数： 144、片上FLASH： 512K、SRAM： 64K、100： 112个、串口5个、DAC 2个、ADC： 3个单元，16个通道、16位定时器： 8个、CAN/SDIO/FSMC/USB Slave： 1个。

摄像：OV7725摄像模组，其参数如下：

传感器尺寸： 0.25寸        颜色格式： RGB565/YUV

图像参数： 640*480.60帧"   输出缓和： 384KB （320*240）

镜头参数： 3.6mm F2.0 78°   工作电流： 60mA （Max）

显示：TFTLCD模块

LCD尺寸： 2.8寸           显示区域： 57.6mm*47.2mm

驱动IC ： ILI9341           分辨率： 320*240 （ RGB ）

色彩深度： 16位（ 65K色）    工作电压： 3.3V或5V

背光电压：3.3V

电源：德力普12v锂电池——12v6000mah电池组

光源：150°发光的LED灯珠

开关：12v点动开关

3.2硬件设计

12V的锂电池作为供电设备，与各种零件相连接并为其提供工作所需的电量，同时周围设有空腔保护，作为缓冲构件来减少使用过程中的碰撞等行为对其产生破坏。最外侧有PLA材料的外壳，该材料机械性能及物理性能良好 ，热稳定性好，具有优秀的抗溶剂性与可降解性，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性、并且具有优秀的抗拉强度及延展度。在充分保护内部结构的同时，还不会对环境造成污染。

下方设有点动开关，该开关开启后有自锁装置，避免了频繁使用开关对其造成损坏，其控制整个设备的启动与停止。正上方设有显示装置，其与主板紧密连接，将处理之后的数据清晰明了的表现在屏幕上。主板会处理所接受的数据信息并进行处理并输出在显示屏上。

将所需检测的植物叶片放入检测模块之后，启动装置灯泡发射光源，光在植物叶片上反射之后通过进光口进入暗室之中，摄像头捕捉摄像并将获得的图像信息传输到信息处理装置。

4、发展前景

4.1市场应用

中国小地块农户在全国农业经济体系中的占比：新华社北京3月1日电（记者于文静、 董峻）“大国小农”仍是我国的基本国情农情——根据第三次农业普查数据， 我国小农户数量占到农业经营主体 98%以上，小农户从业人员占农业从 业人员90%，小农户经营耕地面积占 总耕地面积的70%。

通过假期期间走访农村村民的意向，70.25％的村民认可我们的设计，表示愿意使用该设备来进行氮素的检测，可以帮助他们更好的了解植物的生长状况，检测植物的状态。可以准确知道需要施加肥料的量，避免了肥料的浪费，大大节约了农民的生产成本。同时避免因缺少氮肥导致植物的生长发育受到限制，从而保证了植物的正常生长，保证了产量。

与其他检测方法对比：在经济方面，目前市场上的氮素检测仪器往往需要1600元，而我们的使用成本大概在300元左右，在价格方面我们经济实惠；在精度方面，采用数据库对比式测量方式，由于有大量数据的支撑，在检测精度方面也优于很多的检测仪器；在检测时效性方面，我们的设备可以随时输出结果，不需要采集信息后在进行繁杂的处理，可以较快的获得精确的信息。

综上，我们的设备具有良好的市场应用前景，在很多方面对比市场上的主流仪器都有明显的优势。

4.2科研作用

我们通过机器学习算法代替昂贵仪器，结合不同植物生长特性，可以实时检测不同植物的生长信息，检测植物体内的营养元素，来保障植物的生长发育。为检测氮素提供了一种全新的思路，后续还可以通过数据的补充，不止检测植物体内的氮素含量，还可以监测更多的营养元素，更好的了解植物的生长状态，根据不同植物做出不同的调整。

4.3国家政策

我们的设计积极响应了国家的政策，目前国家大力提倡环保农业和精准农业。精准农业（PA）是一种农业管理概念，其基础是观察，测量和响应作物的田间和田间变化。精准农业研究的目标是为整个农场制定管理和决策的支持系统（DSS），目标是在保留资源的同时，对资源加以优化，进行精准的投入以期产生回报。我们的设计可以做到精准农业的需求，能够精准的检测氮素的含量，获得植物的生长发育信息，同时也是因为我们能精准检测植物的营养元素的含量，可以做到因地制宜，准确的施加植物所需的氮素，但也不会造成过度使用的情况，保证植物生产的同时还可以节约肥料，保护我们赖以生存的环境。

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