第二章农业信息采集与处理课件.ppt
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1、农业信息技术与信息管理系统农业信息技术与信息管理系统电气信息工程学院 徐雷钧第二章第二章 农业信息采集与处理农业信息采集与处理&计算机数据采集管理系统概述&农业信息的传递与处理&农田生物信息的采集与处理&农田气候信息的采集与处理&土壤信息的采集与处理&设施农业环境监控与管理&农业感官智能分析技术 第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构二、数据采集管理系统的基本功能第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构(一)传感器(一)传感器传感器是根据各种物理、化学、生物学的定律及效应,传感器是
2、根据各种物理、化学、生物学的定律及效应,把感受的被测量把感受的被测量转换转换成可用输出信号的装置。成可用输出信号的装置。传感器是现代农业信息采集系统的传感器是现代农业信息采集系统的首要首要部件,是实现农部件,是实现农业现代化测量与自动控制的业现代化测量与自动控制的首要首要环节。环节。传感器基本类型:传感器基本类型:电阻式传感器电阻式传感器:应用金属的应变效应,半导体的压阻效应,电阻的稳定:应用金属的应变效应,半导体的压阻效应,电阻的稳定效应,光电效应等,获得传感元件电阻值变化。常用来测量力,温度,效应,光电效应等,获得传感元件电阻值变化。常用来测量力,温度,光强,湿度,气体浓度等。光强,湿度,
3、气体浓度等。电感式传感器电感式传感器:利用电磁感应原理,将非电量变化转换成线圈自感或互:利用电磁感应原理,将非电量变化转换成线圈自感或互感变化的装置。常用来测量力、振动、转速、流量,应变等。感变化的装置。常用来测量力、振动、转速、流量,应变等。电容式传感器电容式传感器:通过改变电容的间隙,电容的极板面积和电容的介电常:通过改变电容的间隙,电容的极板面积和电容的介电常数实现测量。用于位移,加速度,压力,振动,湿度等。数实现测量。用于位移,加速度,压力,振动,湿度等。数字式传感器:数字式传感器:利用莫尔条纹,改变互感,拾磁信号,数字编码等转换利用莫尔条纹,改变互感,拾磁信号,数字编码等转换原理实现
4、测量。用来进行角位移和线位移的测量。原理实现测量。用来进行角位移和线位移的测量。电动势式传感器电动势式传感器:根据热电效应,电磁效应,霍尔效应,光电效应等原:根据热电效应,电磁效应,霍尔效应,光电效应等原理把被测量转换为电动势信号输出。用于测量温度,加速度,光强等。理把被测量转换为电动势信号输出。用于测量温度,加速度,光强等。压电式传感器压电式传感器:以介质材料的压电效应为基础,在外力作用下表面产生:以介质材料的压电效应为基础,在外力作用下表面产生电荷的原理。用于测量压力,应力,加速度等。电荷的原理。用于测量压力,应力,加速度等。第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构
5、第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构传感器选择原则传感器选择原则:传感器类型:传感器类型:根据传感器使用条件和农业信息的特点如信号传输方式,根据传感器使用条件和农业信息的特点如信号传输方式,测量方式,传感器来源等选择。测量方式,传感器来源等选择。线性范围和量程:线性范围和量程:确保传感器的线性范围及量程能够满足测量要求。确保传感器的线性范围及量程能够满足测量要求。灵敏度:灵敏度:灵敏度反应传感器输出量对输入量变化的反应能力。在传感器灵敏度反应传感器输出量对输入量变化的反应能力。在传感器线性范围内,选择高灵敏度且信噪比较高的。线性范围内,选择高灵敏度且信噪比较高的。精
6、度精度:传感器输出与被测量的对应程度,精度越高,越能真实反应被测:传感器输出与被测量的对应程度,精度越高,越能真实反应被测量,但成本也越高。量,但成本也越高。频率响应特性:频率响应特性:传感器的频率响应特性取决于被测量的频率范围,保证传感器的频率响应特性取决于被测量的频率范围,保证不失真测量。不失真测量。稳定性和可靠性:稳定性和可靠性:分别保证在规定工作条件下长时间使用,性能保持不分别保证在规定工作条件下长时间使用,性能保持不变的能力和不超过极限的情况下特性保持不变的能力。变的能力和不超过极限的情况下特性保持不变的能力。第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构(二)信号
7、调理器(二)信号调理器被采集的生物与环境特征变量(物被采集的生物与环境特征变量(物理、化学、生物量等)经过传感器理、化学、生物量等)经过传感器转换为方便处理的电量(一般为电转换为方便处理的电量(一般为电压、电流、电阻和脉冲量)压、电流、电阻和脉冲量)信号信号。模拟信号和数字信号:模拟信号和数字信号:数字信号数字信号:高低电平表示两种状态,:高低电平表示两种状态,有开关和脉冲两种;有开关和脉冲两种;模拟信号模拟信号:随时间变化的连续信号,:随时间变化的连续信号,分为直流、时域、频域信号。分为直流、时域、频域信号。通常系统采集的信号多为模拟信号,且为多元弱信号,易受系统自身通常系统采集的信号多为模
8、拟信号,且为多元弱信号,易受系统自身和外界干扰,需要在系统前端添加和外界干扰,需要在系统前端添加信号调理电路信号调理电路(滤波器、变换器、(滤波器、变换器、前级放大器、隔离电路),实现阻抗变换、信号变换、滤波、放大、前级放大器、隔离电路),实现阻抗变换、信号变换、滤波、放大、隔离保护等功能。隔离保护等功能。第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构信息的放大:信息的放大:仪用放大器和隔离放大器。仪用放大器和隔离放大器。三运放仪用放大电路三运放仪用放大电路双运放仪用放大电路双运放仪用放大电路光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器三运放仪用放大器三运放仪用放大器第一节 计算机数
9、据采集管理系统概述双运放仪用放大器双运放仪用放大器第一节 计算机数据采集管理系统概述光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器第一节 计算机数据采集管理系统概述第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构(三)数据采集器(三)数据采集器 多路开关多路开关MUXMUX测量测量放大器放大器采样保持器采样保持器S/HS/H模数转换器模数转换器A/DA/DAnaloguetodigital第一节 计算机数据采集管理系统概述多路开关多路开关MUXMUX采样保持器采样保持器S/HS/HAD7822内部结构内部结构第一节 计算机数据采集管理系统概述第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集
10、管理系统的典型结构(四)微机(四)微机I/OI/O接口接口 n 微机接口是计算机与外界进行信息交换的通道和窗口。微机接口是计算机与外界进行信息交换的通道和窗口。n 采集器输出的数字信号经总线送给微机接口,再经采集器输出的数字信号经总线送给微机接口,再经I/OI/O通道通道送给微机处理。送给微机处理。第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构n 将微机输出的数字信号再转换为模拟信号,以完成计算机的将微机输出的数字信号再转换为模拟信号,以完成计算机的输出记录和对外界设备的自动控制。输出记录和对外界设备的自动控制。(五)数模转换器(五)数模转换器第一节 计算机数据采集管理系统概
11、述第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构n 负责调度数据采集系统的各应负责调度数据采集系统的各应用程序模块,并与系统的外部用程序模块,并与系统的外部设备及时交换信息。设备及时交换信息。n 监控程序在在线状态下,能接监控程序在在线状态下,能接收来自键盘或接口的操作命令,收来自键盘或接口的操作命令,并解释、执行,实现系统硬、并解释、执行,实现系统硬、软件资源的管理。软件资源的管理。(六)应用软件与监控程序(六)应用软件与监控程序应用软件应用软件是计算机数据是计算机数据采集管理系统采集管理系统的灵魂,有了的灵魂,有了应用软件才能应用软件才能充分发挥采集充分发挥采集系统的功能
12、系统的功能二、数据采集管理系统的基本功能时钟功能时钟功能信息采集功能信息采集功能 数据数据处理处理功能功能 数据数据存储存储功能功能 控制功能控制功能 自诊断功能自诊断功能 信息输出功能信息输出功能 定时采集、实时采集;单项采集、多项采集定时采集、实时采集;单项采集、多项采集 数字滤波、数字滤波、A/DA/D转换、标度转换、线性化处理等转换、标度转换、线性化处理等数据运算、数据变换、图形处理等数据运算、数据变换、图形处理等 预处理预处理二次处理二次处理存储实时采集的数据和历史数据存储实时采集的数据和历史数据 超限报警、状态自检、自动复位等超限报警、状态自检、自动复位等 图形显示、报表打印、硬拷
13、贝等图形显示、报表打印、硬拷贝等 可以实现现场环境的调控,实现生产管理自动化可以实现现场环境的调控,实现生产管理自动化 系统定时采集、分时操作都按时钟的节拍进行系统定时采集、分时操作都按时钟的节拍进行 第一节 计算机数据采集管理系统概述水温控制系统水温控制系统第一节 计算机数据采集管理系统概述语音小车控制语音小车控制第一节 计算机数据采集管理系统概述水质监测电路水质监测电路第一节 计算机数据采集管理系统概述水质监测电路水质监测电路第一节 计算机数据采集管理系统概述第一节 计算机数据采集管理系统概述第二节 农业信息的传递与处理 一、农业信息的调制与解调缓变信号调制解调系统信号源低频放大器调制器高
14、频放大器检波解调高频震荡器()()cos()v tV ttt调幅调幅调频调频调相调相v测量信号:00()cosc tAt第二节 农业信息的传递与处理()cosMu tUt载波信号:调幅波信号:00()(cos)cosMf tAUtt解调:检波过程v调幅:调幅波形调幅波形第二节 农业信息的传递与处理 v调频:第二节 农业信息的传递与处理 10()()tKUt解调:频率检波,鉴频v调相:第二节 农业信息的传递与处理 0()()StKU t相位随测量信号的频率变化相加型相敏检测电路第二节 农业信息的传递与处理 二、农业信息的处理技术(一)信号时域分析(二)信号频域分析(三)数字化滤波处理v(一)信号
15、时域分析v (1)相关分析v 定量表示信号x(t)与其时移信号的相似程度。第二节 农业信息的传递与处理()()()xytRx t y t自相关 互相关()()x ty tv(一)信号时域分析v(2)概率密度分析v 了解信号幅值大小的分布情况第二节 农业信息的传递与处理 v(二)信号频域分析v 以频率或角频率为变量描述信号幅值、相位的变化规律。采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f),从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。第二节 农业信息的传递与处理 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz傅里叶傅里叶变换变换X(t)=sin(2nft)0 t
16、0 fv时域分析与频域分析的关系时域分析与频域分析的关系第二节 农业信息的传递与处理 信号频谱信号频谱X(f)X(f)代代表了信号在不同表了信号在不同频率分量成分的频率分量成分的大小,能够提供大小,能够提供比时域信号波形比时域信号波形更直观,丰富的更直观,丰富的信息。信息。时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域分析频域分析v时域和频域的对应关系时域和频域的对应关系第二节 农业信息的传递与处理 131Hz147Hz165Hz175Hzv周期信号的频谱分析周期信号的频谱分析第二节 农业信息的传递与处理 周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号,满足条件:x(t)=x(t+nT)sin,cos
17、00tntn 任何周期函数,都可以展开成正交函数线性组合的无穷级数,如三角函数集的傅里叶级数:v傅里叶级数的表达形式:傅里叶级数的表达形式:第二节 农业信息的传递与处理)sincos()(01020tnbtnatxnnna,.)3,2,1(n102)cos()(0nnnatnAtx变形为:变形为:,.)3,2,1(n第二节 农业信息的传递与处理 式中式中:;sin)(;cos)(;)(222/2/022/2/022/2/10nnabnnnnTTTnTTTnTTTarctgbaAtdtntxbtdtntxadttxa傅里叶级数的复数表达形式:傅里叶级数的复数表达形式:x tC ennjntn()
18、,(,.)00 1 2T周期,周期,T=2/0;0基波圆频率;基波圆频率;f0=0/2v频域分析1-方波信号的合成与分解方波信号的合成与分解第二节 农业信息的传递与处理.5/)5sin(3/)3sin()sin()(1tAtAtAtxnv频域分析2-手机和弦铃声的合成手机和弦铃声的合成第二节 农业信息的传递与处理 v非周期信号的频谱分析非周期信号的频谱分析第二节 农业信息的传递与处理 非周期信号是时间上不会重复出现的信号,一般为时域有限信号,具有收敛可积条件,其能量为有限值。这种信号的频域分析手段是傅立叶变换。x tXf edfXfx t edtjftjft()()()()22 与周期信号相似
19、,非周期信号也可以分解为与周期信号相似,非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和,所不同的是,由于许多不同频率分量的谐波和,所不同的是,由于非周期信号的周期非周期信号的周期T T,基频,基频f fdfdf,它包含了,它包含了从零到无穷大的所有频率分量,各频率分量的幅从零到无穷大的所有频率分量,各频率分量的幅值为值为X(f)dfX(f)df,这是无穷小量,所以频谱不能再用,这是无穷小量,所以频谱不能再用幅值表示,而必须用幅值密度函数描述。幅值表示,而必须用幅值密度函数描述。另外,与周期信号不同的是,非周期信号的谱另外,与周期信号不同的是,非周期信号的谱线出现在线出现在0,f0,fmaxma
20、x的各连续频率值上,这种频谱称为的各连续频率值上,这种频谱称为连续谱。连续谱。第二节 农业信息的传递与处理 v(三)数字化滤波处理v 定义:定义:用数字设备,通过一定的算法,对信号进行处理,将某个频段的信号进行滤除,得到新的信号。v 特点:特点:v 数字滤波具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。第二节 农业信息的传递与处理 当 时,M就是IIR滤波器的阶数,表示系统中反馈环的个数。由于反馈的存在,IIR滤波器的脉冲响应为无限长,因此得名。若 ,则系统的脉冲响应的长度为N+1,故而被称作
21、FIR滤波器。vIIR滤波器与滤波器与FIR滤波器滤波器v 系统函数:第二节 农业信息的传递与处理 v IIR滤波器的优点:可以直接利用模拟滤波器设计的成果进行设计,因为模拟滤波器本身就是无限长冲激响应的。v 设计过程如下:首先根据滤波器参数要求设计对应的模拟滤波器(如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等),然后通过映射(如脉冲响应不变法、双线性映射等等)将模拟滤波器变换为数字滤波器,从而确定IIR滤波器的参数。v IIR滤波器的缺点:存在反馈,其稳定性得不到保证;反馈可能使滤波器的数字运算发生溢出。v FIR滤波器的优点:不存在系统极点,FIR滤波器是绝对稳定的系统;而且确保线性相位,这在信号处
22、理中非常重要;此外,由于不需要反馈,实现比IIR滤波器简单。v FIR滤波器的缺点:性能不如同样阶数的IIR滤波器。引入计算机辅助设计,FIR滤波器的设计得到极大的简化。因此,FIR滤波器比IIR滤波器应用更广。第二节 农业信息的传递与处理 第三节 农田生物信息的采集与处理 一、农田生物系统的信息二、农田生物信息采集与处理系统 三、农田生物弱信息的增强技术四、农田生物宏观形态结构信息的提取 一、农田生物系统的信息(一)农田生物信息的类型(一)农田生物信息的类型 l 农作物生理功能信息农作物生理功能信息l 农作物结构信息农作物结构信息 l 农作物病虫草害信息农作物病虫草害信息 微观结构微观结构宏
23、观结构宏观结构 第三节 农田生物信息的采集与处理 第三节 农田生物信息的采集与处理 一、农田生物系统的信息(二)农田生物信息的特点与研究方法(二)农田生物信息的特点与研究方法 层次性层次性 多元性多元性 弱信息弱信息 时空分布时空分布 随空间和时随空间和时间不断发生间不断发生动态变化动态变化 注重实时性注重实时性和空间分布和空间分布差异差异 采用弱信息采用弱信息提取与恢复提取与恢复技术,使弱技术,使弱信息变强信息变强 包含于复杂包含于复杂的环境信息的环境信息中中 多种组分信多种组分信息的叠加息的叠加 多组分信息多组分信息分离技术,分离技术,运用化学计运用化学计量学方法量学方法 物种不同、物种不
24、同、生长有异、生长有异、结构有别结构有别 微观微观:光谱光谱/波波谱谱/色谱色谱/质谱;质谱;宏观宏观:感官定性感官定性/图形图像方法图形图像方法第三节 农田生物信息的采集与处理 二、农田生物信息采集与处理系统(一)系统组成(一)系统组成 农田生物信息采集与处理系统由硬件和软件两部分组成。农田生物信息采集与处理系统由硬件和软件两部分组成。1 1硬件部分硬件部分第三节 农田生物信息的采集与处理 1)信息检测系统:图像传感器;光谱传感器;生理信息传感器;实验分析仪图像传感器图像传感器1 1硬件部分硬件部分安装在野外,并与计算机联机,采集作物群体和个体的形态结构信息。一般用于监测农田作物的形态结构特
25、征,以便对病虫草害、栽培措施等进行模式识别,也可以获得作物生长发育的状态信息。为了能立体观察物体,可以使用2 台摄像机或采用镜面反射获得三维结构信息。光谱传感器光谱传感器 第三节 农田生物信息的采集与处理 反射光谱包含了丰富的物质结构及其组成信息。通过测定作物反射光谱可以获得作物生育阶段信息和叶绿素等各种色素、蛋白质、淀粉等物质含量的信息,预测作物生物学产量与经济产量,监测作物病虫害发生规律。图示为安装在田间的与计算机联机的可见光、近红外光分光装置可以实现波长在0.4m2.5m 范围内连续扫描、定时扫描,实现准确的遥测数据采集。1 1硬件部分硬件部分v光谱分布第三节 农田生物信息的采集与处理
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