随着设施农业的发展,无土栽培技术和水肥一体化技术的应用愈发普遍,但随之而来的营养液回收利用率低,废液排放引发的环境问题日益引人关注。通过检测营养液废液的离子浓度,经去除杂质和二次配制后的再利用,可有效提高营养液的循环利用率。本文设计了一套基于光谱信息融合的设施栽培营养液离子浓度检测设备,可以实现对设施栽培营养液中钙离子、镁离子、钾离子、铵根离子、硝酸根离子以及磷元素浓度的快速检测,进而为营养液浓度的动态调控和废液的循环利用提供可行的解决方案。本文的主要研究内容及取得的结论如下:（1）确定基于光谱信息融合的营养液离子浓度检测方法并提取特征波长。本设计依据水质检测相关国家标准和分光光度检测相关研究,通过紫外-可见分光光度计和近红外光谱仪,对经显色处理后的各离子标准溶液进行检测,获取吸光度数据,经光谱预处理后利用偏最小二乘回归算法绘制标准浓度曲线,使用竞争自适应加权算法和随机蛙跳算法提取出与各离子浓度相关性最大的特征波段,并结合可定制窄带LED光源的波段,确定了六个特征波段定制LED光源,其中心波长分别为220、275、400、540、700、1720 nm。（2）基于多组分顺序检测流路的检测设备结构设计和基于透射光谱检测的检测设备硬件设计。本设计搭建了一个基于低成本窄带LED光源和光电二极管结合的光谱信息采集平台,该平台在检测主流路的设计中借鉴了顺序注射分析法的流路原理,设计了基于多位排阀与微型精密蠕动泵的多离子顺序检测主流路系统,实现了多试剂和样品间的流路切换和精确进样、进试剂的功能。在该硬件平台的基础上,设计了营养液中待测离子经显色处理后通过光谱检测测定离子浓度的检测方法,即通过将光电传感器采集透射光产生的电压数据转化为吸光度值后,建立营养液中各离子浓度线性回归模型并将模型嵌入至树莓派处理器,实现营养液离子浓度的检测并实时显示检测结果。（3）基于C语言的检测设备控制部分软件设计和基于Python的检测设备人机交互界面开发。本设计根据嵌入式系统软件开发要求,完成营养液离子浓度检测系统软件开发,实现了STM32单片机对检测过程中营养液待测样本和显色试剂的精确输送,光谱数据的采集与计算。基于QT设计的用户交互界面,实现了检测过程可视化,检测结果实时显示,以及动态调控营养液浓度屏蔽。（4）营养液离子浓度模型建立及检测系统的测试与验证。本设计通过验证实验对整套设备的检测精度和稳定性进行测试。由于常见营养液配方离子种类基本一致,本文以通用霍格兰营养液为检测对象,对设备检测精度进行验证。试验制备了90个按不同比例稀释的无土栽培营养液通用霍格兰番茄配方样本,建立用于设备检测的营养液离子浓度线性回归模型,所建立的模型中磷元素、NH4+、NO3-、K+、Ca2+、Mg2+浓度的均方根误差为0.0646、0.0716、0.6896、3.5320、0.2773、0.3253,系统对样本溶液的检测结果平均误差率均小于±10%,且每份待测样本的单次检测时间约为15分钟。本设计研发的基于光谱信息融合的设施栽培营养液离子浓度检测设备具有成本低廉、检测准确率高和检测速度快的优点,在实际农业生产过程中,对提高营养液废液的循环利用,降低农业面源污染具有重要应用价值。