基于DFI-RSE电子鼻传感器阵列优化的葡萄酒SO2检测

酿造过程中SO2的监控是葡萄酒产业信息化和葡萄酒品质保障的关键。针对传统SO2测定方法操作复杂、耗费时间长等问题,该研究提出基于电子鼻技术建立葡萄酒中SO2检测方法。为提高电子鼻检测性能,提出一种基于动态特征重要度-递归传感器消除（Dynamic Feature Importance-Recursive Sensor Elimination,DFI-RSE）的气体传感器阵列优化算法。将最大信息系数（Maximum Information Coefficient,MIC）作为度量变量间关系的标准,定义DFI选择兼顾高有效性与低冗余性的特征构成特征子集。进一步计算特征子集中的传感器重要度,结合RSE移除重要度较低的传感器,获得最优阵列组合。采用偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLSR）、多层感知器（Multi-Layer Perceptron,MLP）、支持向量回归（Support Vector Regression,SVR）和贝叶斯岭回归（Bayesian Ridge Regression,BRR）对DFI-RSE优化前后阵列的检测能力进行比较。结果表明,针对间隔40 mg/L、0～200 mg/L范围内不同SO2添加量的葡萄酒样品,优化后阵列的传感器数量由原来的16个降低为8个,特征数量减少了59%,4种回归模型的决定系数均高于0.98,其中MLP模型检测效果最佳,均方根误差为7.73 mg/L,优于原始阵列且节省了运行时间。所建立的基于电子鼻的葡萄酒SO2添加量检测和相应的阵列构建与优化方法为葡萄酒酿造过程中SO2的有效监控技术研究提供参考。     

基于活立木介电特性的茎干蓄水量检测传感器研制

活立木茎干含水率(Stem Water Content,StWC)是揭示树木抗旱机理的重要水分信息.为了提高基于驻波原理的茎干含水率传感器的实用性,该研究基于活立木介电特性和多传感器融合技术,设计了一款可适应树干径向生长的茎干水分复合传感器.传感器主要由弧形探头、压力传感器、固定绳索、传动装置等部分组成,可同时检测St...     

粮库温湿度检测系统的研制

为了解决目前粮库温湿度检测中存在的问题，该文研究设计了用MCS-51系列单片机实现的粮库温湿度自动检测系统，该系统性能价格比较高。在该系统中，几十个温度传感器都是用灵敏度比较高价格低廉的热敏电阻完成，并用软件克服了这种传感器的线性度和稳定性差的缺点。通过一定的计算和数据处理工作，将对湿度的检测转化为对温度的检测，从而简化了电路，进一步降低了成本。本系统采取了一系列软件抗干扰措施，故运行可靠。     

基于微流控阻抗传感器检测番茄环斑病毒

为实现番茄环斑病毒（Tomato Ringspot Virus,ToRSV）高效、准确的快速检测,采用内嵌金叉指阵列微电极的微流控阻抗传感器对ToRSV进行特异性检测。通过将ToRSV抗体固定于金叉指阵列微电极表面免疫结合ToRSV以引起阻抗变化,得到电化学阻抗谱,并建立等效电路分析阻抗变化机理,建立ToRSV浓度和阻抗之间的定量线性关系。等效电路分析表示,ToRSV能造成溶液电阻Rs、电极表面电子转移电阻Ret的显著增加和双电层电容Cdl的减小,从而引起阻抗增加。结果显示在最佳检测频率10.7 Hz下,ToRSV浓度在0.001～10 μg/mL范围内检测到的阻抗值范围为248.8～687.2 kΩ,ToRSV浓度与阻抗值具有良好线性关系,R2为0.98。测试该方法的检出限时,阻抗值显示为307.05 kΩ,得到检出限为0.003 4 μg/mL。试验结果证明该传感器具有检测灵敏度高、特异性好、快速方便等优点,能够实现对ToRSV的特异性定性检测,对于其他植物病毒检测具有可推广性。     

基于发射功率自适应的稻田无线传感器网络节点设计

针对水稻生长过程环境因素变化较大以及传感器节点的能量大部分被无线射频阶段所消耗,设计了发射功率自适应的无线传感器节点,建立了长时间、稳定、高可靠性的稻田无线传感器网络。试验测试了水稻的株高、叶面积与生长天数的关系以及对无线信道的影响,结果表明水稻株高和叶面积的增加会降低无线信号强度和通信成功率;通过增大发射功率可以提高通信质量克服由于水稻生长因数对无线信道的影响。在软件设计方面,传感器节点采用睡眠、苏醒工作机制来降低功耗。同时为了延长工作时间、提高通信质量,提出了根据水稻生长周期、通信距离、接收信号强度、平均丢包率等因素自动调整节点发射功率的能量自适应功耗调整机制。田间试验结果表明,水稻田节点发射功率越大,有效通信距离越远,且水稻的密度和高度等对通信有重要的影响;节点发射功率在5 dBm以下时,发射功率的改变对节点工作电流影响较小,节点工作电流均小于40 mA;采用该机制对发射功率进行调整,增大节点发射功率可使通信成功率有大幅的提升;降低节点发射功率仍然保持良好的通信效果。水稻分蘖和抽穗2个生长时期的田间试验结果表明,采用发射功率自适应策略,提高了通信质量,平均丢包率在5%以下,通信成功率大于97%,达到了预期设计目的。     

基于虚拟仪器的果树重叠叶片LAI实时检测系统

目前叶面积指数(leaf area index,LAI)检测中重叠叶片的辨别是一个难点。该文提出一种创新的重叠叶片LAI简易检测方法:在室内直射平行光源照射下,通过光电传感器检测叶片透射光能量,传感器信号经过调理,由数据采集卡采集至计算机,利用LabVIEW软件平台进行程序设计,自动判断重叠叶片层数。将叶片层数乘以传感器的接收面积即为该检测位置各层叶片面积,将整个检测过程中的叶片面积累加即为各层叶片的总面积,进而求出LAI。根据试验结果选用近红外作为光源,设计并制作用于检测的近红外光电传感器,其短路电流I1、I2分别与前置放大输出电压U1、主放大输出电压U2均有良好的线性关系,于0.05水平显著。数据采集试验结果表明,在手动进行扫描、定位采集的方式下,以方格法计算的LAI值作为准确值,系统对LAI的计算最大相对误差绝对值为14.8%。初步探讨了叶片间隔对透射辐射量的影响,结果发现乘幂模型的拟合效果较好。     

光纤SPR传感器结合多分类器的水体DOM检测

针对单传感器难以完成水体可溶解有机物（Dissolved Organic Matter,DOM）总量与组份的测试问题,该研究提出利用光纤表面等离子共振（Surface Plasma Resonance,SPR）传感器的非特异选择性来构建传感阵列。通过对光纤SPR传感器的交叉敏感性分析,获得多模光纤镀以7种不同厚度金膜的传感器设计方案,膜厚为55～85 nm,使其对不同的DOM组份产生类似味蕾的交叉敏感性响应。利用粒子群算法（Particle Swarm Optimization,PSO）训练的BP神经网络构建3个分类器：PSO-BP（波长）、PSO-BP（谱宽）、PSO-BP（光强）,实现对待测量响应信息的有效提取,并对里运河（A）、洪泽湖（B）、公园景观湖（C）、校园景观湖（D）4种水体的5种DOM组份（酪氨酸类蛋白质、色氨酸类蛋白质、富里酸、溶解性微生物代谢产物、腐殖酸）及其浓度进行预测,在洪泽湖水的色氨酸类蛋白质组份测试试验中,最高正确率可达85%。同时,对多分类器的结构参数进行试验分析,重点考察隐含层节点个数及神经网络结构对DOM组份测试的影响。试验结果表明：隐层节点数取15时可以获得最佳测试效果,通过基于传统神经网络RBF、BP与PSO-BP的比较试验可知,基于PSO-BP的3个分类器在DOM组份测试中的精度最高,对4种水体的色氨酸类蛋白质及溶解性微生物代谢产物组份测试的平均分类精度可达87.50%、86.28%。研究结果为基于光纤SPR传感器及多分类器在DOM组份测试的应用提供依据及新的思路。     

滴灌系统滴头设计水头的取值依据

滴头设计水头是滴灌系统中的重要技术参数,为解决其取值缺乏理论指导的问题,研究了滴头设计水头的取值实质、提出了评判灌区田面状况对系统灌水质量影响的指标——高差流量偏差率及其算式;用此指标对不同田面状况下现行滴灌系统进行评判,结果表明：滴头设计水头采用习惯取值,常使滴灌系统对地形的适应能力过高,造成投资和运行费用的浪费,是滴灌系统一项可以挖掘的潜力;进而按滴灌系统适应地形的能力与灌区田面状况相匹配的原则,导出了滴头设计水头的计算式。     

基于析因试验的喷滴灌两用自吸泵设计

为了使自吸泵能够同时满足喷灌系统在流量12 m3/h、扬程30 m、滴灌系统在流量18 m3/h、扬程20 m时2个工况点的设计要求,该文采用试验设计(design of experiment,DOE)和数值模拟相结合的方法,对1台50ZB-30C自吸泵的叶轮进行多工况设计改进。重点分析了叶轮几何参数对泵扬程的影响规律,建立了不同工况点的扬程与叶轮主要几何参数之间的回归方程,并对该方程的参数进行赋值计算,得到满足设计要求的叶轮几何参数值。样机试验结果表明:安装了新叶轮的喷滴灌两用自吸泵在流量为12 m3/h时扬程达30.3 m,流量为18 m3/h时扬程达21 m,达到了设计要求。证明通过DOE方法能够建立数学模型来描述不同工况点的扬程与叶轮几何参数之间的关系。随着叶片包角的增大和叶片出口安放角的减小,扬程曲线会更加陡峭。研究为泵的多工况设计提供参考。     

太阳自动跟踪系统中光电传感器的设计

针对现有光电传感器存在形式单一、跟踪精度不高、运行稳定性较差等不足,该文通过对光电传感器进行结构设计,设计了一种金字塔式和箱体式嵌套的粗-精跟踪光电传感器,其中箱体式可拆卸、单独使用,其内部的凹面镜利用反射作用有效减小了箱体高度,保证了跟踪过程中的跟踪精度和运行稳定性。在对该传感器的电路进行设计时,选取四运放集成电路LM324为核心,利用其比较作用来控制电机驱动执行机构,从而使聚光系统对准太阳。利用MATLAB/Simulink对模糊PID（proportional integration differentiation,比例-积分-微分）控制器建模和仿真,与PID控制相比,模糊PID控制曲线的响应时间较短,在0.1 s时给系统一个宽度为0.1的矩形脉冲干扰,在0.1～0.2 s之间系统的响应曲线、控制误差的响应曲线以及控制器的输出变化曲线呈现不同的变化;在0.2 s时,均达到稳定状态。通过分析可知,无论是否存在干扰,该控制方法均能使控制器迅速达到稳定状态,减少系统响应时间,从而减少系统的运行成本。该研究为太阳自动跟踪系统的稳定运行和跟踪精度的提高提供了参考。     

红外靶标自动探测器的研制及试验

当前红外靶标自动探测器对绿色作物喷药时,存在对作物和非作物(土壤、枯枝等)都施药的缺陷,造成了药液的浪费和环境的污染。该文探讨用红外探测技术实现对靶标的自动探测,同时以颜色传感器为辅助对绿色靶标进行识别,实现红外靶标自动探测器仅对绿色靶标进行喷雾的目的,试验结果表明:所建立的红外靶标自动探测器可对绿色作物靶标进行自动探测,探测的最远距离为85～88cm;探测距离的远近受叶片覆盖率与照度2因素的影响,植物冠层叶片覆盖率越大时,探测距离越远;叶片表面的照度越高时,探测距离越远;叶片覆盖率越大且照度越大时,探测距离越远且工作越稳定,为绿色作物精准施药提供了一种控制思路及方法。     

小麦精少量播种播量检测系统研制

针对小麦精少量播种存在种子相互重叠、播种量准确检测难的问题,该研究以小麦宽苗带精少量播种施肥机为载体,基于红外检测原理,开发了内插式播种量检测传感器。根据种子通过传感器的运动过程,确定系统采样频率为1×103 Hz。分别对1、2和3粒种子通过检测区域时的传感器电压进行采样,并通过传感器电压峰值和均值2种方法,确定了区分1粒与2粒、2粒与3粒种子的判定阈值。以衡观35、济麦22和存麦11为对象进行静态试验,结果表明2种方法的平均绝对百分比检测误差分别为7.08%和8.87%,不同品种间最大检测误差分别为0.72%和1.18%。为进一步提高检测精度,对峰值检测法进行修正,修正系数为7.08%。田间试验结果表明,系统的绝对检测误差范围为1.12%～5.63%,平均绝对百分比误差为3.12%,所研制的播种量检测系统具有较高的检测准确率,满足播种量120～180 kg/hm2、作业速度2.5～4.6 km/h条件下的播量检测要求,且具有较好的抗日光和粉尘干扰性能。     

手持式可见近红外苹果品质无损检测系统设计与试验

为实现苹果多产地多品质指标的现场快速无损检测与评价，该研究基于可见近红外光谱技术研发低成本、低功耗、小型化的苹果品质手持式无损检测终端。检测终端集成宽谱LED光源和水果特征响应窄带光电探测器，接入物联网云端数据系统，实现检测数据上传和模型的远程更新维护。利用研制的检测系统可有效获取不同产区苹果500～1 050 nm波长范围内的漫反射光谱，优选光谱预处理算法消除干扰并采用不同特征波长提取算法对数据进行降维，分别建立了多产地苹果可溶性固形物含量、硬度和维生素C含量的通用检测模型，模型的预测相关系数分别为0.926、0.798和0.704，预测均方根误差分别为0.585%、1.405 kg/cm2和0.968 mg/100g。将通用检测模型载入云端数据系统作为云模型，检测样本时调用云模型进行计算并反馈至检测终端。通过多个产地独立样本的验证表明，该系统可满足苹果产业现场无损检测的实际需求，为手持式光谱检测仪的实用化设计提供参考。     

基于固定光栅和CCD技术的近红外光谱分析系统设计

该文设计了一种基于线阵电荷耦合器件和固定光栅的近红外光谱分析系统。主要设计了电荷耦合器件的驱动电路、光谱信号采集电路、固定光栅光学系统、光源控制系统、电荷耦合器件温度控制系统及样品旋转台的控制系统。并利用MPA光谱仪验证了近红外光谱分析方法用于谷物品质检测的可行性,运用多种预处理方法进行了优化,其中采取一阶导数与附加散射校正结合的预处理效果较优。利用CA-06光栅光谱分析仪建立了小麦水分、蛋白的偏最小二乘法模型,验证了仪器性能的稳定性和准确性。     

农产品近红外光谱品质检测软件系统的设计与实现

在中国加入WTO后,利用近红外光谱技术进行快速、准确的农产品品质检测技术与方法研究非常迫切,为满足对样品组分定量预测软件的需求,设计并实现了农产品近红外光谱品质检测软件系统。采用了面向对象编程技术,向量、矩阵运算的封装技术,结构化存储与复合文档等软件实现技术。该系统由光谱文件管理,光谱显示,光谱信号处理(预处理),光谱校正模型的建立与管理,未知样品的组分浓度预测等五大功能模块构成。具有多种光谱仪器光谱格式(SPC、TXT、JWS、MAT、ASF等)兼容性,光谱分析功能全面性,算法(PCR、PLS、GA、ANN、Wavelet、Wavelet Package等)多样性,软件系统易维护性,用户使用操作方便性等特点。实例分析表明,无论采用本系统的PLS-NIR模型,还是采用本系统的PCA-MBP-NIR模型,组分浓度预测精度均很高。本系统为农产品品质检测近红外光谱建模和预测提供了很好的技术支持,具有重要的应用价值。     

烟叶采收机仿垄行走控制系统设计与试验

为实现烟叶采收机的无人驾驶,设计了一种烟叶采收机仿垄行走控制系统,该系统采用光电测距传感器检测左右两侧车轮到烟垄的距离。该文分析一阶滞后低通滤波的灵敏度、平滑度以及相位滞,同时修正滤波的控制参数,以期达到较好的拟合效果,从而精确剔除杂草、土块等无效的尖锐信号,最后根据优化处理后的数据调整动力系统的电机转速,实现烟叶采收机仿垄行走。一阶滞后低通滤波经动态修正后无论从灵敏度还是平滑度看,效果均较好,相位滞后也得到明显修正。田间试验表明,滤波后的数据标准差为3.8,能够得到较为准确的垄形信息;跑偏角度低于30°时,角度修正较好,成功率为95%,侧移修正成功率为89%;跑偏角度低于20°时,成功率为100%,侧移修正成功率为98.3%。该行走控制系统可准确控制烟叶采收机仿垄行走,为无人烟叶采收机行进控制方法的深入研究提供了参考。     

奶牛产奶量测量系统设计

为了快速、准确地获取奶牛产奶量数据,避免目前常用的间接测量方法产生的误差,设计了基于质量计量的奶量采集系统。该系统通过在奶罐下安置基于压力传感器的质量称量机,将压力产生的模拟电信号通过A/D转换模块转变为数字电信号,再经分级处理从而获取牛奶质量数据,并直接上传至上位机。上、下位机之间通过CAN总线连接,基于自主协议进行相互通信。经多次测试表明,在5～35kg范围内该系统的测量误差可以控制在6%以下,且具有采集速度快、容错性强的特点。     

基于热红外成像技术的小麦病害早期检测

实现对受到病原侵染的小麦植株进行早期检测,对于小麦病害的监测预警和及早防治具有重要意义。为研究热红外成像技术早期检测小麦病害的可行性,该研究以小麦条锈病为例,以健康小麦植株、条锈病潜育期和发病期小麦植株为试验材料,利用热红外成像技术采集他们的热红外图像和叶片温度,在潜育期内连续检测其热红外图像和叶片温度随接种天数的变化。通过图像对比发现,接种后第5天,肉眼观察热红外图像可将受到侵染但未显症的小麦植株与健康植株区分开来。进一步数据处理,表明接种后第3天处于条锈病潜育期的小麦植株叶片平均温度和不同部位最大温差分别比健康植株叶片的低0.08℃和高0.04℃(P0.05),可将处于条锈病潜育期的小麦植株与健康植株区分开来。随着接种后天数的增加,处于条锈病潜育期的小麦植株叶片的平均温度和最大温差与健康小麦植株叶片的差异逐渐增大。接种后第12天,接种小麦植株叶片平均温度比健康植株叶片低1.22℃,接种小麦植株叶片最大温差比健康植株叶片高1.58℃。可见,利用热红外成像技术可以早期检测到小麦受到病原侵染后的温度变化,热红外成像技术作为一种小麦病害早期检测的方法是可行的。     

基于无线传感网络与模糊控制的精细灌溉系统设计

为准确判断作物需水量并确立合适的灌溉控制策略,实现作物的自动、定位、实时与适量灌溉,设计了基于ZigBee无线传感网络与模糊控制方法的精细灌溉系统。该系统通过ZigBee无线传感器网络采集土壤水势与微气象信息（包括环境温度、湿度、太阳辐射与风速等）,并传输灌溉控制指令;结合FAO56 Penman-Monteith公式计算农田蒸散量,并将农田蒸散量和土壤水势作为模糊控制器的输入量,建立了多因素控制规则库,实现了作物灌溉需水量的模糊控制。试验结果表明该系统经济实用、通信可靠、控制准确性高,特别适用于中小型灌溉区域的精细灌溉。     

果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统的研制

针对目前果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统易受环境影响、工作不稳定、探测距离近的缺陷,研制了一种由集成电路构成的果园自动对靶喷雾机红外探测系统。结果表明：系统的探测距离为0～6.15 m,最小识别间距小于0.3 m;系统工作稳定、灵敏度高、体积小、不受自然光的干扰。