[go: up one dir, main page]

RO138315A0 - Early identification of grape wine leaf integrity by using spectral sensors - Google Patents

Early identification of grape wine leaf integrity by using spectral sensors Download PDF

Info

Publication number
RO138315A0
RO138315A0 ROA202300551A RO202300551A RO138315A0 RO 138315 A0 RO138315 A0 RO 138315A0 RO A202300551 A ROA202300551 A RO A202300551A RO 202300551 A RO202300551 A RO 202300551A RO 138315 A0 RO138315 A0 RO 138315A0
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
sensor
sensors
spectral
values
leaves
Prior art date
Application number
ROA202300551A
Other languages
Romanian (ro)
Inventor
Mihaela Hnatiuc
Mirel Păun
Sorin Sintea
Bogdan Hnatiuc
Simona Ghiţă
Domnica Alpetri
Minodora Badea
Original Assignee
Universitatea Maritimă Din Constanţa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitatea Maritimă Din Constanţa filed Critical Universitatea Maritimă Din Constanţa
Priority to ROA202300551A priority Critical patent/RO138315A0/en
Publication of RO138315A0 publication Critical patent/RO138315A0/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

The invention relates to a system and a method for the early identification of grape vine diseases by using spectral analysis in the visible and near infrared range and the Internet of Things technology. According to the invention, the system comprises: pairs of spectral photoelectric sensors (1, 3), one of which is a calibration sensor and the other one is a measure sensor, mounted on a system of height-adjustable rods (2, 6) and a sensor of photosynthetically active radiation PAR with a reference role within the measurements, where the sensors have a capacity of remote data transmission to a node (10) which, in its turn, transmits them, through radio waves, to a gateway device (12), connected to a server (13), and from the server the data are transmitted into the cloud (14) where they are processed by algorithms based on artificial intelligence. The claimed method consists in identifying the healthy grape vine leaves and the sick ones by using the ratios between the values read by the measure sensors and the calibration sensors for the same wavelength, for instance for green and red colours, while having as reference initial processed values for healthy leaves.

Description

Identificarea timpurie a integrității frunzei viței de vie folosind senzori spectraliEarly identification of grapevine leaf integrity using spectral sensors

b. Precizarea domeniului tehnic de aplicare a invențieib. Specification of the technical field of application of the invention

Invenția prezintă o metodă de identificare timpurie a bolilor viței de vie în vederea prevenirii și combaterii acestora folosind analiza spectrală în domeniul vizibil și infraroșu apropiat (VISNIR) și tehnologia intemetul lucrurilor (loT). Ea se regăsește la confluența domeniilor inginerie agricolă, electronică și informatică.The invention presents a method for the early identification of vine diseases in order to prevent and combat them using spectral analysis in the visible and near infrared (VISNIR) and the Internet of Things (loT) technology. It is found at the confluence of the fields of agricultural engineering, electronics and computer science.

c. Precizarea stadiului cunoscut al tehniciic. Specifying the known state of the art

Bolile tipice viței de vie pot fi devastatoare atunci când gradul de infectare este ridicat, iar tratamentele cu fungicide nu sunt realizate la timp. Apariția bolilor la plante depinde de factori de mediu specifici. Așadar, tehnicile de detecție pe bază de senzori sunt utile în identificarea focarelor și a gradelor de severitate a bolilor. în combinație cu metode avansate de analiză a datelor aceste tehnici se regăsesc în producția agricolă durabilă, întrucât facilitează estimarea incidenței și severității bolilor și a efectelor negative ale acestora asupra cantității și calității producției agricole, ducând la reducerea cheltuielilor și a impactului ecologic cauzat de utilizarea pesticidelor. Petele nedorite care se dezvoltă pe frunze sunt specifice fiecărui tip de boală.Typical vine diseases can be devastating when the degree of infection is high and fungicide treatments are not carried out in time. The occurrence of plant diseases depends on specific environmental factors. Thus, sensor-based detection techniques are useful in identifying disease outbreaks and disease severities. in combination with advanced data analysis methods, these techniques are found in sustainable agricultural production, as they facilitate the estimation of the incidence and severity of diseases and their negative effects on the quantity and quality of agricultural production, leading to the reduction of expenses and the ecological impact caused by the use of pesticides . The unwanted spots that develop on the leaves are specific to each type of disease.

în [1] se prezintă sistemul denumit „gardianul buruienilor” care folosește un senzor multispectral AS7265x, montat sub mașina agricolă cu rolul de a identifica. Acest sistem ar putea declanșa un sistem de îndepărtare a buruienilor identificate, cum ar fi un pulverizator sau lucrarea mecanică a solului. Buruienile sunt identificate prin evaluarea indicelui normalizat de diferențiere a vegetației (NDVI), indicelui normalizat de diferențiere a vegetației îmbunătățit (ENDVI) și indicelui de vegetație îmbunătățit (EVI), rezultatul comparându-se cu un prag calibrat care va indica dacă există buruiană sub senzor. Sistemul „gardianul buruienilor” utilizează ENDVI, cel mai relevant sistem la detectare, având capacitatea de a discrimina mostre de vegetație de 7,6 x 7,6 cm din solul gol la înălțimi ale senzorului de 30 și 41 cm de sol. Sistemul este o alternativă la prăsitoarele robotizate ale câmpurilor, care ar putea ajuta la reducerea costurilor și îmbunătățirea rezultatelor de mediu în agricultură. Dezavantajul acestui sistem constă în necesitatea salvării datelor local, pe un cârd microSDȚ, astfel că datele nu pot fi prelucrate în timp real de la distanță folosind algoritmi complecși, consecința fiind că se pot confunda buruienile cu plantele de cultură.in [1] the system called "guardian of weeds" is presented which uses a multispectral sensor AS7265x, mounted under the agricultural machine with the role of identifying. This system could trigger an identified weed removal system such as a sprayer or mechanical tillage. Weeds are identified by evaluating the Normalized Differentiation of Vegetation Index (NDVI), Enhanced Normalized Differentiation of Vegetation Index (ENDVI) and Enhanced Vegetation Index (EVI), comparing the result to a calibrated threshold that will indicate whether there is a weed under the sensor . The "weed guard" system uses ENDVI, the most relevant system in detection, having the ability to discriminate 7.6 x 7.6 cm vegetation samples from bare soil at sensor heights of 30 and 41 cm from the ground. The system is an alternative to robotic field weeders that could help reduce costs and improve environmental outcomes in agriculture. The disadvantage of this system is the need to save the data locally, on a microSD card, so the data cannot be processed in real time remotely using complex algorithms, the consequence of which is that weeds can be confused with cultivated plants.

RO 138315 AORO 138315 AO

De asemenea sistemul nu poate fi utilizat decât la anumite tipuri de plante deoarece detectează vegetație de înălțimi maxime 41 cm și respectiv 30cm.Also, the system can only be used for certain types of plants because it detects vegetation with maximum heights of 41 cm and 30 cm, respectively.

în brevetul [W02007/041755] se prezintă metode pentru evaluarea caracteristicilor eșantioanelor de la imagini spectroscopice NIR sau VIS-NIR. Prin prelucrarea eșantioanelor se identifică prezența agenților de infestare sau microorganismelor ca fungi sau alte materii. Invenția se referă la metode de măsură realizate în mijloace de transport a recoltei, folosind diferite tipuri de sisteme de iluminat ca lampa de xenon, mercur sau halogen sau folosind lumina naturală. Scopul este detectarea stării fructelor pentru aplicarea anumitor tratamente înainte de transport. De asemenea se folosesc camere care includ ultima parte a spectrului VIS-NIR 3502500nm și alte tipuri de sisteme de achiziție a imaginilor. Eșantioanele care reprezintă reflectivitatea plantelor sunt prelucrate folosind algoritmi statistici și învățare automată. Diferite boli ale recoltei sunt identificate pe frunze, fruct, trunchi, petale, etc.[W02007/041755] describes methods for evaluating sample characteristics from NIR or VIS-NIR spectroscopic images. By processing the samples, the presence of infestation agents or microorganisms such as fungi or other matter is identified. The invention refers to measurement methods carried out in crop transport vehicles, using different types of lighting systems such as xenon, mercury or halogen lamps or using natural light. The purpose is to detect the state of the fruit for the application of certain treatments before transport. Also used are cameras that include the last part of the VIS-NIR spectrum 3502500nm and other types of image acquisition systems. Samples representing plant reflectivity are processed using statistical algorithms and machine learning. Different crop diseases are identified on leaves, fruit, trunk, petals, etc.

Prezentul studiu are ca dezavantaj iluminarea cu lumină albă continuă a țintei, iar prelucrările se fac și în laborator folosind analize chimiometrice. Un alt dezavantaj este că identificarea bolilor, microorganismelor, etc. se face pe recoltă, astfel că problemele care se pot instala înainte de recoltare nu pot fi prevenite.The present study has the disadvantage of continuous white light illumination of the target, and the processing is also done in the laboratory using chemometric analyses. Another disadvantage is that the identification of diseases, microorganisms, etc. it is done on the harvest, so the problems that may arise before the harvest cannot be prevented.

în brevetul [CN115511838A] se prezintă o metodă soft automată de identificare a bolilor plantelor folosind imagini ale frunzelor prelucrate cu algoritmi ai inteligenței artificiale. Pașii pentru prelucrarea imaginilor sunt:the patent [CN115511838A] presents an automatic software method for plant disease identification using leaf images processed with artificial intelligence algorithms. The steps for image processing are:

Preprocesarea; 2) Definirea și extragerea caracteristicilor; 3) Screening-ul celei mai valoroase caracteristici pe baza unei metode de selecție a caracteristicii printr-un algoritm inspirat de deplasarea grupurilor de ascidii; 4) Clasificarea și identificarea imaginii bolii plantei. Algoritmul se bazează pe convertirea imaginii unei frunze în 5 spații cromatice, urmată de extragerea caracteristicilor cromatice și de textură din aceste spații. Caracteristicile cromatice sunt exprimate prin momentele cromatice de ordinul 1, 2 și 3. Dezavantajele acestei invenții sunt lipsa de interpretabilitate a caracteristicilor de adâncime, numărul de mostre pentru antrenare e insuficient astfel că optimizarea parametrilor clasificatorului devine foarte dificilă și claritatea imaginilor colectate nu e întotdeauna bună.Preprocessing; 2) Defining and extracting features; 3) Screening of the most valuable feature based on a feature selection method through an algorithm inspired by the displacement of groups of ascidians; 4) Classification and identification of the plant disease image. The algorithm is based on converting a leaf image into 5 color spaces, followed by extracting color and texture features from these spaces. The chromatic characteristics are expressed by the chromatic moments of order 1, 2 and 3. The disadvantages of this invention are the lack of interpretability of the depth characteristics, the number of samples for training is insufficient so that the optimization of the classifier parameters becomes very difficult and the clarity of the collected images is not always good .

în brevetul [US 8.249,308 B2] se prezintă un sistem de imagistică și procesare computerizată cu fluorescență a clorofilei care măsoară, detectează și cuantifică plantele aflate sub stres de mediu și patogeni și utilizează spectroscopia transmisivă pentru a obține semnături spectrale (date) ale plantelor. Se bazează pe un sistem expert, sistemul compară imaginile și datele cu o bibliotecă de boli ale plantelor pentru a diagnostica instantaneu stresul și boala plantelor în câmp.The patent [US 8,249,308 B2] presents a chlorophyll fluorescence imaging and computer processing system that measures, detects and quantifies plants under environmental and pathogen stress and uses transmission spectroscopy to obtain spectral signatures (data) of plants . Based on an expert system, the system compares images and data to a plant disease library to instantly diagnose plant stress and disease in the field.

RO 138315 AORO 138315 AO

Un sistem portabil de transmisie a imaginilor spectroscopice prin fluorescență pentru diagnosticarea sănătății plantelor captează informațiile. Sursa de lumină este dată de o matrice de LED-uri controlată pentru a pomi sau opri anumite LED-uri funcție de lungimile de undă spectrale dorite. Astfel matricea de LED-uri primară emite în mod controlabil lumină cu lungimea de undă în intervalul dorit, iar un dispozitiv digital de imagistică captează atât spațial cât și temporal o imagine fluorescentă cuprinzând fluorescență clorofilei emisă de plantă datorită luminii emise de matricea de LED-uri. Un suport pentru frunze este situat în apropierea ieșirii conului de focalizare pentru a menține o poziționare și o distanță consistentă între dispozitivul de imagistică digitală, sursa de lumină LED și frunză. O sursă de lumină secundară este folosită pentru furnizarea luminii transmise în bandă largă prin frunză, o lentilă este utilizată pentru a focaliza asupra dispozitivului imaginea luminii emise de la sursa secundară de lumină și a unuia sau mai multor dispozitive de memorie care stochează date. O bibliotecă de date conține date privind intensitatea fluorescenței plantei care indică atât plante sănătoase și plante stresate sau bolnave și date despre anumite condiții ale plantelor. Dezavantajul este utilizarea multor surse de lumină, dispozitivul poate fi instalat într-un singur loc, datele nu sunt transmise la distanță în cloud.A portable fluorescence spectroscopic imaging system for diagnosing plant health captures the information. The light source is provided by an LED array controlled to turn certain LEDs on or off depending on the desired spectral wavelengths. Thus the primary LED array controllably emits light of wavelength in the desired range, and a digital imaging device captures both spatially and temporally a fluorescent image comprising chlorophyll fluorescence emitted by the plant due to the light emitted by the LED array . A leaf holder is located near the exit of the focus cone to maintain consistent positioning and distance between the digital imaging device, the LED light source, and the leaf. A secondary light source is used to provide broadband light through the leaf, a lens is used to focus the image of light emitted from the secondary light source and one or more memory devices that store data onto the device. A data library contains plant fluorescence intensity data indicating both healthy plants and stressed or diseased plants and data on specific plant conditions. The disadvantage is the use of many light sources, the device can be installed in one place, the data is not transmitted remotely to the cloud.

în modelul de utilitate [CN204389379U] se prezintă un dispozitiv de măsurare a conținutului de clorofilă pentru frunzele bolnave din culturi, care adoptă măsurarea suprafeței în loc de măsurarea punctiformă. Acest dispozitiv reduce problema preciziei scăzute cauzată de măsurarea punctiformă și reducerea selecției punctului de măsurare de către operator. Dispozitivul are avantajele portabilității, funcționării fără contact și nedistructive. Dispozitivul de măsurare a conținutului de clorofilă este format dintr-o sondă de măsurare, un dispozitiv de procesare a semnalului de spectru și o tijă ajustabilă; o sondă de măsurare care cuprinde un laser, un receptor spectral și un purtător de lamă, o clemă de prindere între laser și suportul de lamă, suportul de lamă pentru amplasarea și fixarea întregii lame a recoltei de testat. Lumina emisă de laser luminează întreaga suprafață a lamei recoltei de testat, receptorul spectral detectează un semnal spectral al întregii lame a recoltei de testat și transmite semnalul spectral dispozitivului de procesare a semnalului spectral. Dispozitivul de procesare a semnalului spectral este prevăzut suplimentar cu un modul GPS. Modulul GPS este utilizat pentru poziționarea în timp real a locației curente de testare. Un modul de afișare cu cristale lichide este adăugat în dispozitivul de procesare a semnalului spectral. Datele de ieșire includ: valoarea relativă a clorofilei, latitudinea și longitudinea, rezultatul divizării gradului de boală, locația testului și alte informații comune întregii frunze. Laserul este compus dintr-o sursă de lumină cu excitație LED, iar spectrul de emisie al LED-ul are două benzi, la 650 nm și 940 nm.utility model [CN204389379U] presents a chlorophyll content measuring device for diseased crop leaves, which adopts surface measurement instead of point measurement. This device reduces the problem of low accuracy caused by point measurement and reducing measurement point selection by the operator. The device has the advantages of portability, non-contact and non-destructive operation. The chlorophyll content measuring device consists of a measuring probe, a spectrum signal processing device and an adjustable rod; a measuring probe comprising a laser, a spectral receiver and a blade carrier, a clamp between the laser and the blade holder, the blade holder for positioning and fixing the entire blade of the test crop. The light emitted by the laser illuminates the entire surface of the test crop blade, the spectral receiver detects a spectral signal of the entire test crop blade and transmits the spectral signal to the spectral signal processing device. The spectral signal processing device is additionally equipped with a GPS module. The GPS module is used for real-time positioning of the current test location. A liquid crystal display module is added to the spectral signal processing device. Output data include: relative chlorophyll value, latitude and longitude, division result of disease degree, test location and other information common to the whole leaf. The laser is composed of an LED excitation light source, and the emission spectrum of the LED has two bands, at 650 nm and 940 nm.

RO 138315 AORO 138315 AO

Laserul LED emite două tipuri de lumină, una roșie (lungime de undă maximă 650 nm), iar cealaltă infraroșie (940 nm). Două tipuri de lumină pătrund în lamă fiind recepționate de senzorul spectral. De preferință, aparatul include în plus un modul de alimentare pentru alimentarea altor module din dispozitiv. Dezavantajul sistemului este faptul că datele sunt procesate local, nu există o alarmă în cazul detectării infecției pe frunze prin modificarea conținutului de clorofilă. Se prezintă doar partea hardware a sistemului, nu sunt descriși algoritmii de prelucrare a datelor.The LED laser emits two types of light, one red (maximum wavelength 650 nm) and the other infrared (940 nm). Two types of light enter the blade and are received by the spectral sensor. Preferably, the apparatus additionally includes a power module for powering other modules in the device. The disadvantage of the system is that the data is processed locally, there is no alarm in case of detection of infection on the leaves by changing the chlorophyll content. Only the hardware part of the system is presented, the data processing algorithms are not described.

d. Problema tehnică pe care o rezolvă invențiad. The technical problem that the invention solves

Senzorii fotoelectrici spectrali evaluează proprietățile de reflectivitate locală a plantelor în diferite regiuni ale spectrului electromagnetic și sunt capabili să obțină informații dincolo de domeniul vizibil. Astfel, este posibilă detectarea schimbărilor timpurii în fiziologia plantelor, precum modificări ale culorii țesuturilor, formei frunzelor și variații în interacțiunea cu radiația solară.Spectral photoelectric sensors evaluate the local reflectivity properties of plants in different regions of the electromagnetic spectrum and are capable of obtaining information beyond the visible range. Thus, it is possible to detect early changes in plant physiology, such as changes in tissue color, leaf shape, and variations in interaction with solar radiation.

Noutatea introdusă de prezenta invenție în comparație cu celelalte descrise mai sus este faptul că măsurătorile spectrale se pot realiza pe toată perioada zilei fără a fi necesare iluminări suplimentare. Măsurarea continuă este posibilă folosind un senzor etalon pe toată perioada măsurătorilor.The novelty introduced by the present invention compared to the others described above is the fact that spectral measurements can be made throughout the day without the need for additional illumination. Continuous measurement is possible using a standard sensor throughout the measurement period.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este de identificare a apariției timpurii a bolilor viței de vie în vederea combaterii acestora în stadiul incipient, înainte de a se extinde la plantele vecine și la nivelul întregii plante. Se reduce astfel la minim cantitatea de substanțe chimice utilizate. De asemenea se poate identifica din culoarea frunzei gradul de secetă pentru a se realiza irigația cu picătura, reducând astfel consumul de apă.The technical problem that the invention solves is to identify the early appearance of vine diseases in order to combat them in the early stage, before they spread to the neighboring plants and to the level of the entire plant. The amount of chemicals used is thus reduced to a minimum. The degree of drought can also be identified from the color of the leaf in order to perform drip irrigation, thus reducing water consumption.

Datele colectate de la senzorii fotoelectrici spectrali sunt transmise la distanță către un server cloud unde sunt corelate și analizate folosind algoritmi inteligenți (adaptabili) în vederea identificării petelor frunzelor. O alarmă poate fi instalată pe dispozitivul de afișare a rezultatelor în cazul în care valorile prelucrate nu sunt în limitele normale.The data collected from the spectral photoelectric sensors is transmitted remotely to a cloud server where it is correlated and analyzed using intelligent (adaptive) algorithms to identify leaf spots. An alarm can be set on the result display device if the processed values are not within normal limits.

De exemplu Plasmopara viticola se instalează în 6-10 ore, în acest interval formându-se miceliul și sporii, dacă sunt condiții atmosferice propice și anume umiditatea atmosferică în intervalul [95, 100]% și temperatura [18, 24]°C. Sporii sunt proiectați de pe pământ pe partea inferioară a frunzelor, producând filamente de infestare care pătrund în țesuturile plantei gazdă prin stomate. După apariția incipientă a infestării, urmează perioada de hrănire a ciupercii de pe frunze, aceasta observându-se prin apariția de pete galbene uleioase.For example Plasmopara viticola settles in 6-10 hours, during this interval the mycelium and spores are formed, if there are favorable atmospheric conditions, namely atmospheric humidity in the range [95, 100]% and temperature [18, 24]°C. Spores are projected from the ground onto the underside of leaves, producing infesting filaments that penetrate host plant tissues through stomata. After the initial appearance of the infestation, there is a period of feeding of the fungus on the leaves, which is observed by the appearance of yellow oily spots.

RO 138315 AORO 138315 AO

D Q ? b QD? b

e. Expunerea invențieie. Disclosure of the invention

Prezenta invenție prezintă un sistem format din perechi de senzori fotoelectrici spectrali, unul ca referință (etalon - SE) și unul care este plasat pe frunză, numit senzor de măsură (SM). Senzorii transmit datele la distanță pentru a fi prelucrate. Un exemplu de senzor fotoelectric spectral este AS7262. Acesta are un preț scăzut și se conectează cu ușurință la plăci de achiziție tip Arduino pe portul I2C. Măsurătorile celor doi senzori se realizează în aceleași condiții de temperatură, umiditate și luminozitate.The present invention presents a system consisting of pairs of spectral photoelectric sensors, one as a reference (standard - SE) and one that is placed on the leaf, called the measurement sensor (SM). The sensors transmit the data remotely to be processed. An example of a spectral photoelectric sensor is the AS7262. It has a low price and easily connects to Arduino acquisition boards on the I2C port. The measurements of the two sensors are carried out under the same conditions of temperature, humidity and brightness.

Motivul creării unei astfel de perechi este faptul că frunzele sunt semitransparente și măsurătorile variază cu lumina ambientală, de aceea se vor raporta măsurătorile la o referință. SE va avea o suprafață albă semitransparentă poziționată la aceeași distanță la care este plasată frunza față de perechea lui. Senzorii spectrali de măsură sunt fixați pe fața superioară a frunzei la o distanță de maxim 5 cm de aceasta, ca în Fig. 1. Distanta de măsurare este data de inaltimea ferestrei (4). O rețea de astfel de perechi de senzori plasați pe mai multe frunze la înălțimi diferite de sol va fi realizată în podgoria monitorizată. Rețeaua începe măsurătorile când frunzele sunt tinere având diametrul de 2 cm și își încheie activitatea după culesul strugurilor. Astfel, dacă există zone unde se identifică spori după ce a fost cules fructul, se poate interveni pentru a fi înlăturați. Toamna, după ultima contaminare secundară, ciuperca formează spori de rezistență, în forma cărora ciuperca iernează. La aceeași rețea se va conecta și un senzor de radiație activă fotosintetică PAR (S2-442) care va avea rol de referință în măsurători, după cum va fi descris în algoritmul prezentat mai jos.The reason for creating such a pair is that the leaves are semi-transparent and the measurements vary with the ambient light, so will refer the measurements to a reference. SE will have a semi-transparent white surface positioned at the same distance that the leaf is placed from its mate. The spectral measuring sensors are fixed on the upper face of the leaf at a maximum distance of 5 cm from it, as in Fig. 1. The measuring distance is given by the height of the window (4). A network of such pairs of sensors placed on several leaves at different heights from the ground will be realized in the monitored vineyard. The network starts the measurements when the leaves are young with a diameter of 2 cm and ends its activity after the grapes are picked. Thus, if there are areas where spores are identified after the fruit has been picked, intervention can be done to remove them. In autumn, after the last secondary contamination, the fungus forms resistant spores, in the form of which the fungus overwinters. A photosynthetic active radiation sensor PAR (S2-442) will also be connected to the same network, which will have a reference role in the measurements, as will be described in the algorithm presented below.

Senzorii utilizați ca referință (3) vor avea în dreptul orificiului plasată o suprafață de plexiglas de culoare albă (5) fixată în dreptul fereastrei (4). Perechea de senzori, referința și cel care realizează măsurarea, vor fi montați rigid pe un sistem de tije ajustabile descris în Fig. 1. Tija (2) va avea aceeași dimensiune de maxim 15 cm pentru ca senzorii să măsoare în aceleași condiții de luminozitate. Tija (6) va fi ajustabilă pentru a se realiza măsurători pe frunzele aflate la distanțe diferite de sol (7). Senzorul de măsură (1) va fi menținut la distanța de aproximativ 5 cm față de frunza (8) și orientat spre centrul acesteia. Frunza va fi fixată la aceeași distanță de SM, ca și suprafața de pexiglas de la SE. Senzorul PAR este plasat la o înălțime de 2 m față de sol așa cum este recomandat în fila sa de catalog.The sensors used as a reference (3) will have a white plexiglass surface (5) placed next to the hole and fixed next to the window (4). The pair of sensors, the reference and the measuring one, will be rigidly mounted on an adjustable rod system described in Fig. 1. The rod (2) will have the same size of maximum 15 cm for the sensors to measure in the same light conditions. The stem (6) will be adjustable to take measurements on leaves at different distances from the ground (7). The measurement sensor (1) will be kept at a distance of approximately 5 cm from the leaf (8) and oriented towards its center. The leaf will be fixed at the same distance from the SM as the Pexiglas surface from the SE. The PAR sensor is placed at a height of 2 m above the ground as recommended in its catalog tab.

Datele de la perechile de senzori (9) sunt colectate prin intermediul unui dispozitiv numit nod (10), apoi trimise prin unde radio cu ajutorul antenei (11) către un dispozitiv numit gateway (12), care este conectat prin cablu (16) la un server numit FOG (13). De la server sunt transmise prin Internet, prin cablu (15) în cloud (14) (Fig. 2). Dispozitivele sunt alimentate cu energie electrică folosind un sistem controlat, bazat pe panouri fotovoltaice.The data from the pairs of sensors (9) are collected by means of a device called a node (10), then sent by radio waves with the help of an antenna (11) to a device called a gateway (12), which is connected by cable (16) to a server called FOG (13). From the server they are transmitted via the Internet, via cable (15) to the cloud (14) (Fig. 2). The devices are supplied with electricity using a controlled system based on photovoltaic panels.

RO 138315 AORO 138315 AO

Se folosesc algoritmi bazați pe inteligența artificială care personalizează și automatizează sistemul prin analiza datelor provenite de la senzori și dă alarma în caz de detectare a diferențelor de culoare. Tot algoritmul este procesat pe serverul (14). Softul se adaptează la condițiile de măsurare în funcție de cum este construit sistemul de senzori spectrali (9). Calculatorul (14) poate fi accesat prin internet de la distanță. Rezultatele obținute de la senzori sunt comparate cu rapoartele de mediu privind temperatura și umiditatea pentru a verifica dacă sistemul funcționează corect.Algorithms based on artificial intelligence are used that personalize and automate the system by analyzing the data from the sensors and sounding the alarm if color differences are detected. All the algorithm is processed on the server (14). The software adapts to the measurement conditions depending on how the spectral sensor system is built (9). The computer (14) can be accessed via the Internet remotely. The results obtained from the sensors are compared with environmental reports of temperature and humidity to verify that the system is working correctly.

Fiecare senzor spectral va fi introdus într-o cutie din plastic negru (18) cu un orificiu de diametru 1 cm si înălțime de maxim 5 cm (17) (Fig. 3). Orificiul se va plasa în dreptul LEDului și al senzorului propriu-zis. LED-ul emite lumină albă cu temperatura culorii 5700K (este un LED Luxeon 3014 model L130-5780001400001). Senzorul va fi introdus în cutia cu capac fiind protejat de apă (18 și 19). Cutia are prevăzut un orificiu pentru cablul de alimentare și măsurare (20). Obiectele de măsurare sunt fixate pe ferestra prevăzută pentru măsură (17). Măsurătorile se vor realiza în spectrul vizibil pe lungimile de undă [500, 600]nm și [600, 700]nm care reprezintă culorile verde și roșu. Se cunoaște din literatură că atunci când frunza își schimbă culoarea efectul este maxim în domeniul spectral corespunzător culorii roșii. Măsurătorile ating maxim de precizie în condiții de întuneric. Senzorii pot realiza măsurători în intervalul de măsurare indicat în codul de achiziție. Intervalul de măsurare poate fi modificat de la distanță.Each spectral sensor will be inserted in a black plastic box (18) with a 1 cm diameter hole and a maximum height of 5 cm (17) (Fig. 3). The hole will be placed next to the LED and the sensor itself. The LED emits white light with a color temperature of 5700K (it is a Luxeon 3014 LED model L130-5780001400001). The sensor will be inserted in the box with a cover being protected from water (18 and 19). The box has a hole for the power and measurement cable (20). The measuring objects are fixed on the window provided for the measurement (17). The measurements will be made in the visible spectrum at the wavelengths [500, 600]nm and [600, 700]nm which represent the colors green and red. It is known from the literature that when the leaf changes its color the effect is maximum in the spectral range corresponding to the red color. Measurements reach maximum accuracy in dark conditions. The sensors can take measurements within the measurement range indicated in the purchase code. The measurement range can be changed remotely.

Rețeaua de senzori poate cuprinde un număr de 1 pana la 1024 de senzori, cât permite portul serial 12 C.The sensor network can include a number of 1 to 1024 sensors, as much as the 12 C serial port allows.

Algoritmul de prelucrare a datelor.Data processing algorithm.

1. Datele sunt înregistrate în cloud conform celor descrise mai sus (Fig.2).1. The data is recorded in the cloud as described above (Fig.2).

2. Datele de la senzorul PAR vor fi comparate cu o valoare de prag pentru a identifica perioadele zilei, când este întuneric. Dacă valoarea citită este mai mică decât 1 pmol m-2 s-1 se consideră întuneric.2. Data from the PAR sensor will be compared to a threshold value to identify the times of the day when it is dark. If the reading is less than 1 pmol m -2 s -1 it is considered dark.

3. Din datele de la senzori vor fi selectate doar cele de la spectrul roșu și verde al ambilor senzori (SE și SM). Pentru înlăturarea zgomotului se va calcula o medie a valorilor înregistrate de trei măsurători succesive.3. Only the red and green spectra of both sensors (SE and SM) will be selected from the sensor data. To remove the noise, an average of the values recorded by three successive measurements will be calculated.

4. Procedeul de curățare a datelor: având în vedere că perechile de senzori sunt plasate la înălțimi și în locuri diferite, cantitatea de lumină solară incidență la nivelul frunzelor va fi diferită. Unii senzori vor fi umbriți de frunze sau tulpină, alții, care sunt plasați pe frunzele din vârful butucului, vor avea aceleași condiții de iluminare ca senzorul PAR.4. Data cleaning procedure: Given that the sensor pairs are placed at different heights and locations, the amount of sunlight incident on the leaves will be different. Some sensors will be shaded by the leaves or stem, others, which are placed on the leaves at the top of the hub, will have the same lighting conditions as the PAR sensor.

RO 138315 AORO 138315 AO

a. Din experimente s-a observat că valorile de la senzorul PAR și cele de la senzorul etalon (individual) sunt corelate. Astfel folosind un algoritm de regresie liniară se poate identifica funcția de corelație pentru fiecare SE pentru lungimea de undă [500,600]nm. Deci va exista o perioadă de învățare care va utiliza datele colectate pe o perioadă de 48 sau 72 ore.a. It has been observed from experiments that the values from the PAR sensor and those from the reference (individual) sensor are correlated. Thus using a linear regression algorithm the correlation function can be identified for each SE for the wavelength [500,600]nm. So there will be a learning period that will use the data collected over a period of 48 or 72 hours.

b. Odată cunoscută funcția de corelație se va realiza o predicție a datelor senzorilor etalon (SE) în funcție de valoarea provenită de la senzorul PAR. Se vor compara valorile citite de la SE cu rezultatul predicției. Dacă eroarea dintre acestea este mai mare de o unitate înseamnă că datele citite sunt eronate și se șterge linia curentă din tabelul de măsurători.b. Once the correlation function is known, a prediction will be made of the reference sensor data (SE) according to the value coming from the PAR sensor. The values read from the SE will be compared with the prediction result. If the error between them is greater than one unit, it means that the read data is erroneous and the current line is deleted from the measurement table.

5. Procedeul de calibrare: Senzorii se vor calibra în laborator ca să poată fi pregătit sistemul de predicție. Se vor utiliza pentru aceasta frunze tinere, mature cu pete și uscate pentru formarea unei baze de date. Testele se pot face cu o singură pereche de senzori spectrali și un senzor PAR. Măsurătorile se vor realiza în condiții de întuneric și la diverse intensități ale luminii ambientale identificate prin valorile citite de senzorul PAR. în partea de preprocesare a datelor se va calcula raportul dintre valoarea citită de la SM și valoarea de la SE pentru aceeași lungime de undă, de exemplu pentru culorile verde (Rv) și roșu (Rr).5. Calibration procedure: The sensors will be calibrated in the laboratory so that the prediction system can be prepared. For this, young, mature leaves with spots and dry ones will be used to form a database. Tests can be done with a single pair of spectral sensors and a PAR sensor. Measurements will be made in dark conditions and at various ambient light intensities identified by the values read by the PAR sensor. the data preprocessing part will calculate the ratio between the value read from SM and the value from SE for the same wavelength, for example for green (Rv) and red (Rr) colors.

în urma experimentelor s-a observat că putem identifica, folosind rezultatele rapoartelor calculate, o clasă de frunze sănătoase și o clasă de frunze bolnave având ca referință valorile inițiale procesate de la frunzele sănătoase (indice de evaluare). în felul acesta se va obține o semnătură a frunzei din câmp. Intrările în sistemul de clasificare sunt Rv și Rr. Datele măsurate de la senzorii instalați în podgorie, după preprocesare pot fi clasificate folosind unul din sistemele de clasificare cunoscute ca de exemplu K-cel mai apropiat vecin. Se va ține cont că aceste valori depind de cutia în care sunt introduși senzorii, de distanța senzorului față de frunză testată, de diametrul orificiului prin care se realizează măsurarea, de textura cutiei și a suprafeței albe folosită ca etalon.following the experiments, it was observed that we can identify, using the results of the calculated ratios, a class of healthy leaves and a class of diseased leaves with reference to the initial values processed from the healthy leaves (evaluation index). in this way a signature of the field leaf will be obtained. The inputs to the classification system are Rv and Rr. The measured data from the sensors installed in the vineyard, after preprocessing, can be classified using one of the known classification systems such as K-nearest neighbor. It will be taken into account that these values depend on the box in which the sensors are inserted, the distance of the sensor from the tested leaf, the diameter of the hole through which the measurement is made, the texture of the box and the white surface used as a standard.

6. Sistemul montat în vița de vie va avea mai multe perechi de senzori plasați în locuri diferite și la înălțimi diferite. Datele de la senzori se vor colecta cu placi de achiziție care le vor transmite în cloud. Acestea vor fi curățate și prelucrate în paralel. Dacă rezultatele a cel puțin 2 perechi de senzori nu vor fi în valorile de prag ale frunzelor sănătoase după 9 măsurători, atunci se va trimite alarma.6. The system mounted in the vine will have several pairs of sensors placed at different places and at different heights. Data from the sensors will be collected with acquisition boards that will transmit it to the cloud. They will be cleaned and processed in parallel. If the results of at least 2 pairs of sensors will not be within the threshold values of healthy leaves after 9 measurements, then the alarm will be sent.

RO 138315 AORO 138315 AO

Alarma va indica faptul că există o problema în câmp care poate fi analizată observând pragurile de măsură de la senzorii de monitorizare a mediului sau local prin observarea la fața locului de către un specialist a stării plantelor.The alarm will indicate that there is a problem in the field which can be analyzed by observing measurement thresholds from environmental monitoring sensors or locally by on-site observation by a plant health specialist.

f. Prezentarea avantajelor invenției în raport cu stadiul tehniciif. Presentation of the advantages of the invention in relation to the state of the art

Invenția propusă aduce o noutate prin monitorizarea locală și continuă a reflectivității spectrale a frunzelor, corelarea datelor de la rețeaua de senzori fotoelectrici spectrali plasați pe mai multe frunze pentru semnalarea apariției petelor pe acestea. Nu necesită testarea sistemului pe mai multe tipuri de frunze de viță de vie, sistemul se adaptează în mediul unde este plasat prin compararea valorilor colectate inițial de la frunza pe care a fost instalat. Avantajele invenției sunt:The proposed invention brings a novelty through the local and continuous monitoring of the spectral reflectivity of the leaves, the correlation of data from the network of spectral photoelectric sensors placed on several leaves to signal the appearance of spots on them. It does not require testing the system on several types of vine leaves, the system adapts to the environment where it is placed by comparing the values initially collected from the leaf on which it was installed. The advantages of the invention are:

Sistemul descris în prezentul brevet este o metodă non invazivă de monitorizare a frunzelor plantelor;The system described in this patent is a non-invasive method of monitoring plant leaves;

Utilizarea unor senzori de cost redus care pot fi implementați în toată podgoria;The use of low-cost sensors that can be deployed throughout the vineyard;

Prelucrarea datelor de la senzori la distanță, în timp real și atenționarea fermierului în caz de identificare a schimbărilor de culoare a frunzelor;Processing data from remote sensors in real time and alerting the farmer in case of identification of leaf color changes;

- Utilizarea unui senzor etalon pentru calibrarea continuă a senzorului care măsoară eșantioanele spectrale în funcție de lumină;- Use of a reference sensor for continuous calibration of the sensor that measures spectral samples as a function of light;

Ansamblul de senzori reduce sau elimină influența în timpul măsurării variațiilor luminii datorate soarelui, fenomenelor meteorologice și a poziționării diferite a senzorilor pe plantă.The sensor assembly reduces or eliminates the influence during measurement of light variations due to the sun, meteorological phenomena and different positioning of the sensors on the plant.

Curățarea continuă a datelor recepționate în funcție de intensitatea luminoasă ambientală;Continuous cleaning of the received data according to the ambient light intensity;

Sistemul se poate adapta pe orice tip de plante de cultură.The system can be adapted to any type of cultivated plants.

RO 138315 AORO 138315 AO

Document relevanteRelevant document

[1] Duncan L., Miller B., Shaw C., Graebner R., Moretti M.L. Walter C., Selker J., Udell C., Weed Warden: A low-cost weed detection device implemented with spectral triad sensor for agricultural applications, HardwareX 11 (2022), 2468-0672[1] Duncan L., Miller B., Shaw C., Graebner R., Moretti M.L. Walter C., Selker J., Udell C., Weed Warden: A low-cost weed detection device implemented with spectral triad sensor for agricultural applications, HardwareX 11 (2022), 2468-0672

[WO 2007/041755] Hyperspectral Imaging Contaminants in Products and Process of agriculture PCT/AU2006/000999, 19 aprilie 2007[WO 2007/041755] Hyperspectral Imaging Contaminants in Products and Processes of agriculture PCT/AU2006/000999, April 19, 2007

[CN 115511838A] Plant disease high-precision Identification method based on group intelligent optimization[CN 115511838A] Plant disease high-precision Identification method based on group intelligent optimization

[US 8.249,308 B2] Portable intelligent fluorescence and transmittance imaging spectroscopy system, Aug. 21, 2012[US 8,249,308 B2] Portable intelligent fluorescence and transmittance imaging spectroscopy system, Aug. 21, 2012

[CN108445000A] Portable rapeseed leaf disease detecting device equipped with a multi-spectral camera, 2018-08-24[CN108445000A] Portable rapeseed leaf disease detecting device equipped with a multi-spectral camera, 2018-08-24

[CN204389379U] Crop disease leaf chlorophyll content determination device, 2015-06-10[CN204389379U] Crop disease leaf chlorophyll content determination device, 2015-06-10

Claims (5)

1. Sistemul se caracterizează printr-o pereche de senzori fotoelectrici spectrali identici folosiți pentru determinarea culorilor frunzelor, unul fiind senzorul de măsură (1) plasat direct pe frunza analizată (8), cel de-al doilea fiind senzorul de referință sau etalon (3) care măsoară undele pe o suprafață albă din plexiglas (semitransparenta) (5).1. The system is characterized by a pair of identical spectral photoelectric sensors used to determine leaf colors, one being the measurement sensor (1) placed directly on the analyzed leaf (8), the second being the reference or standard sensor (3 ) that measures waves on a white plexiglass (semi-transparent) surface (5). 2. Perechea de senzori de la revendicarea 1 sunt montați pe un sistem de tije (2) și (6) ajustabile în înălțime (6).2. The pair of sensors of claim 1 are mounted on a system of rods (2) and (6) adjustable in height (6). 3. Valorile de la componenta spectrală verde al senzorului etalon sunt corelate cu valorile unui senzor de identificare a intensității luminoase folosind o regresie liniară pentru predicție, rezultatul spectrului prezis este comparat cu cel măsurat astfel că dacă eroarea este mai mare de o unitate se elimina toate valorile măsurate de la perechea de senzori.3. The values from the green spectral component of the reference sensor are correlated with the values of a light intensity identification sensor using a linear regression for prediction, the predicted spectrum result is compared with the measured one so that if the error is greater than one unit, all the measured values from the pair of sensors. 4. Se calculează raportul valorilor de la componentele spectrale verde și roșu măsurate cu perechea de senzori din revendicarea 1 pentru a elimina influența luminii ambientale în timpul măsurătorilor.4. Calculate the ratio of the values from the green and red spectral components measured with the sensor pair of claim 1 to eliminate the influence of ambient light during the measurements. 5. Plasarea unei rețele de perechi de senzori prezentați în revendicarea 1 în mai multe locuri și la diverse înălțimi în podgorie.5. Placing an array of sensor pairs as set forth in claim 1 at multiple locations and at various heights in the vineyard.
ROA202300551A 2023-10-04 2023-10-04 Early identification of grape wine leaf integrity by using spectral sensors RO138315A0 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA202300551A RO138315A0 (en) 2023-10-04 2023-10-04 Early identification of grape wine leaf integrity by using spectral sensors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA202300551A RO138315A0 (en) 2023-10-04 2023-10-04 Early identification of grape wine leaf integrity by using spectral sensors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RO138315A0 true RO138315A0 (en) 2024-07-30

Family

ID=91960714

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA202300551A RO138315A0 (en) 2023-10-04 2023-10-04 Early identification of grape wine leaf integrity by using spectral sensors

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO138315A0 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2638797B1 (en) Plant health diagnostic method and plant health diagnostic device
CN109187417B (en) Unmanned aerial vehicle-mounted terahertz wave and hyperspectral remote sensing crop monitoring system
US8249308B2 (en) Portable intelligent fluorescence and transmittance imaging spectroscopy system
Lee et al. Sensing technologies for precision specialty crop production
Sui et al. Ground-based sensing system for cotton nitrogen status determination
CN102621118B (en) Early warning method of greenhouse vegetable diseases and insect pests
US8384046B2 (en) Non-invasive methods and apparatus for detecting insect-induced damage in a plant
US20060102851A1 (en) Method and a device for making images of the quantum efficiency of the photosynthetic system with the purpose of determining the quality of plant material and a method and a device for measuring, classifying and sorting plant material
JP2005308733A (en) Method and instrument for measuring stress imparted to plant
KR101844678B1 (en) A real-time monitoring system of canopy structure and functions
JP7510961B2 (en) Automatic Spore Trap
Calcante et al. Evaluation of “ground sensing” optical sensors for diagnosis of Plasmopara viticola on vines
Symonds et al. A real-time plant discrimination system utilising discrete reflectance spectroscopy
Yeh et al. A comparison of machine learning methods on hyperspectral plant disease assessments
Ding et al. Quality and safety inspection of food and agricultural products by LabVIEW IMAQ vision
US7271386B2 (en) Method for detecting and managing nematode population
Rojek et al. PLANTSENS: A rail-based multi-sensor imaging system for redundant water stress detection in greenhouses
WO2019236843A1 (en) Systems and methods for distinguishing fertile plant specimens from sterile plant specimens
RO138315A0 (en) Early identification of grape wine leaf integrity by using spectral sensors
CN120431496A (en) Pest and disease identification method and system based on UAV remote sensing
TW201934984A (en) A system for early detection of orchid pest by hyperspectral imaging techniques
Tsoulias et al. Fruit water stress index of apple measured by means of temperature-annotated 3D point cloud
JP5938768B2 (en) Method for diagnosing plant growth state and apparatus used therefor
Hilton Laser-induced fluorescence for discrimination of crops and weeds
Sui et al. Plant health sensing system for in situ determination of cotton nitrogen status