基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统设计.pdf

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1、第17卷第1期扬州大学学报(自然科学版)V01．17NO．12014年2月JournalofYangzhouUniversity(NaturalScienceEdition)Feb．2014基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统设计刘源，张飙，杨小平(桂林理工大学信息学院，广西桂林541004)摘要：为了快速高效地对植物叶片光合功能进行测试，以叶绿素荧光动力学为依据，设计了一套基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统．实验结果表明：与传统的叶绿素荧光检测仪器相比，该系统检测速度快、执行效率高、应用范围广，为植物叶片光合功能的测定提供了一种实

2、时、快速、高效的检测工具．关键词：叶片光合功能；旋翼无人机；荧光参数；叶绿素荧光动力学；环境因子中图分类号：O657．323；V279文献标志码：A文章编号：1007—824X(2O14)Ol一0038—04叶绿素荧光动力学技术是一种快速高效的植物叶片光合功能测试技术，近年来，在植物逆境生理研究和植物生理生态学中应用广泛口]．目前，市场上比较流行的便携式叶绿素荧光仪，如PAM一2100、MINI—PAM等，都是叶绿素荧光动力学技术的典型应用_5_61．司马伟昌l7]，张彪[8]，赵友全l9等利用叶绿素荧光动力学技术制作的叶绿素检测

3、仪器大多局限于光源选择或电路控制方面，且当前的产品和研究成果仍不适合完成快速、大量的实时检测任务．本文设计了一套基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统，以叶绿素荧光动力学技术为依据，将叶绿素荧光检测系统、环境因子检测系统与旋翼无人机飞控系统相结合，以快速获取目标植物的叶绿素荧光参数．1系统设计方案I主控计算机(上位机)llI串行通信接口II中器I内喜RIIIk窖Rll壁篮壹II数据采集接口电路I嚣Il收稿日期：2013一O4—28．*联系人，E—mail：liuyuan7@hotmail．corn．基金项目：广西壮族自治区自然科学基金

4、资助项目(2013GXNSFBAO19277)；广西空间信息与测绘重点实验室基金资助项目(桂科能11—031—08—11)；广西教育厅科技资助项目(200911MS106)．5l文格式：刘源，张飙，杨小平．基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统设计EJ3．扬州大学学报：自然科学版，2014，17(1)：3841．第1期刘源等：基于无人机的叶绿素荧光参数检测系统设计392系统实现本设计方案主要由改造的旋翼无人机、LED阵列设计、叶绿素荧光检测模块、环境因子测量与存储系统五部分实现．1)改造的旋翼无人机．实验选择武汉某公司生产的电动多轴六

5、旋翼无人机，飞行高度低于2000m，巡航速度为0～30km·h_。，巡航时间为25min，空机质量4kg，最大负荷载质量为3kg，可控制距离为5km，起降方式为垂直起降．根据该无人机的性能特征，须将整个叶绿素荧光检测系统质量控制在3kg以内．为了实现无人机负载的控制目标，笔者对无人机电源部分进行了改造．通过设计电源转换和稳压监控电路，使得无人机电源分别为LED阵列、叶绿素荧光检测模块以及环境因子测量与存储系统提供电能．虽然该方案会降低无人机飞行的有效距离，但是能够大幅减少荧光检测系统的总质量．改造后荧光测量模块为1．53kg，其他

6、硬件模块总质量控制在0．6kg以内，满足无人机最大负载要求，改造方案有效．2)LED阵列．叶绿素荧光激发光源有红光、蓝光等多种选择，本设计选用红光作为激发光源，波长为660am．综合激发光源设计和电路设计要求，LED阵列在设计时选用了LuxeonI型红光超高亮度LED(Philips公司)，如图2所示，具有足够的流明保持率，从而保证了发光强度测量的稳定性．3)叶绿素荧光检测模块．采用OS5p脉冲调制式叶绿素荧光测量模块完成植物光适应下的稳态荧光、光适应下的最大荧光、实际量子效率实际电子传递速率r耵等参数的测量．OS5p叶绿素荧光测

7、量模块提供原初光能转化、实际量子产量Yield、荧光动力和快速荧光动力等4种调制测量模式，可用于测量目前叶绿素荧光研究中的常用参数r1．本系统的部分参数：饱和脉冲是卤光灯与LED卤光灯最大发光强度为O～15000ttmol·(m2·s)_。，LED最大发光强度为0～4500tool·(I'D-·s)r。；调制光为图2LED阵列红光(660nmLED)和蓝光(450nmLED)；光化光可调，Fig．2LEDArrayLED光源发光强度为0～3000t~mol·(in·s)_。，卤光灯发光强度为0～6000t~mol·(m·s)_。；

8、远红光为735nm的LED，用来测定荧光淬灭计算值F)，强度可调；检测模式为脉冲调制模式，在25Hz～1MHz调制频率范围内自动调整；采样周期在2S～45rain范围内可调．根据系统设计需要，利用该模块采集最大光合作用产量y和最大光量子产量(Fv／