專利名稱：一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)背景技術(shù)：
水是植物主要的組成成分，植物體的含水量一般為60 80%,有的甚至可 達90%以上，沒有水就沒有生命。水是很多物質(zhì)的溶劑，土壤中的礦物質(zhì)、氧、 二氧化碳等都必須先溶于水后，才能被植物吸收和在體內(nèi)運轉(zhuǎn)。水還能維持細 胞和組織的緊張度，使植物器官保持直立狀況，以利于各種代謝的正常進行。 水是光合作用制造有機物的原料，它還作為反應(yīng)物參加植物體內(nèi)很多生物化學(xué) 過程。此外，水由于有較大的熱容量，當(dāng)溫度劇烈變動時，能緩和原生質(zhì)的溫 度變化，以保護原生質(zhì)免受傷害。因此水對植物的生命活動顯得尤為重要。
植物需水量是相當(dāng)大的， 一株玉米一天大約需消耗2千克左右的水， 一生 需要200多千克水。夏季一株樹木一天的需水量約等于其全部鮮葉重的5倍。 因此，缺水對植物來說十分嚴重。在長期的進化過程中，植物通過體內(nèi)水分平 衡即根系吸收水和葉片蒸騰水之間的平衡來適應(yīng)周圍的水環(huán)境。 一般而言，在 低溫地區(qū)和低溫季節(jié)，植物吸水量和蒸騰量小，生長緩慢；反之亦然，此時必 須供應(yīng)更多的水才能滿足植物對水的需求和獲得較高的產(chǎn)量。因此在監(jiān)測植物 是否缺水時，植物葉莖含水率和土壤含水率都要全面地監(jiān)測。'
水對植物的不利影響可分為旱害和澇害兩種。旱害主 是由大氣干旱和土 壤干旱引起的，它使植物體內(nèi)的生理活動受到破壞，并使水分平衡失衡。輕則使植物生殖生長受阻，產(chǎn)品品質(zhì)下降，抗病蟲害能力減弱，重則導(dǎo)致植物長期 處于萎蔫狀態(tài)而死亡。澇害則是因土壤水分過多和大氣濕度過高引起，淹水條 件下土壤嚴重缺氧、C02積累，使植物生理活動和土壤中微生物活動不正常、 土壤板結(jié)、養(yǎng)分流失或失效、植物產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此監(jiān)測植物是否遭受單災(zāi) 和澇災(zāi)，顯得尤為迫切，并且需要長期監(jiān)測，貫穿植物的整個生長過程。
國外流行采用DTR技術(shù)來監(jiān)測植物的含水率，該技術(shù)不但成本高，而且需 要使用DTR波導(dǎo)探針插入植物體內(nèi)，會對植物造成一定傷害，尤其當(dāng)監(jiān)測珍貴 物種時就不易采用。國內(nèi)也有些采用通過測量植物電阻、電容等特性來監(jiān)測植 物缺水，最近也出現(xiàn)了通過測量植物電阻抗來監(jiān)測的，但是他們都采用了探針 來插入植物體內(nèi)。而本發(fā)明采用金屬電極片置于植物體表進行監(jiān)測，不會對植 物造成任何傷害。
另外，現(xiàn)有的通過測量植物電阻抗來監(jiān)測植物缺水的技術(shù)中，釆用了高頻 信號發(fā)生器，會對植物造成一定傷害，并且電路復(fù)雜。而本發(fā)明采用在低頻信 號(lkHz至100kHz)下測量植物阻抗，不會傷害植物，并且在電路設(shè)計中無 需專門的信號發(fā)生器，簡化了電路，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
目前電學(xué)測量方式監(jiān)測植物缺水對植物體和土壤的監(jiān)測往往不能實時對多 個部位進行同時監(jiān)測，而本發(fā)明具有可掃頻、高精度、多通道、自動標定、自 動測量、定時測量等特點，可同時對植物體的多個部位和土壤進行長期在線監(jiān) 測，有利于植物缺水機理的研究。
本發(fā)明還考慮到植物缺水，有的是土壤缺水引起的，有的是葉莖蒸騰過多 引起的，因此可針對植物葉莖和土壤分別給出澆灌提示，這樣更有利于植物從 缺水狀態(tài)迅速恢復(fù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供 一 種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)，可同時對植物葉莖及土壤多個部位進行非侵入式長期缺水監(jiān)測，顯示植物的缺水狀況，并分別針對植物葉莖和土壤給出澆灌提示。
為達到上述目的，本發(fā)明提供的一種基于多通道、自動阻抗測量的植物缺
水監(jiān)測系統(tǒng)，釆用以下技術(shù)方案
所述系統(tǒng)是由電極、測量引線、阻抗測量單元、USB通訊與控制單元及PC機組成的便攜式系統(tǒng)。電極釆用金屬片，將電極以非侵入方式置于植物葉莖多個部位或插入土壤中，通過單芯同軸測量引線連接至阻抗測量單元。阻抗測量單元包括阻抗測量模塊、標定和量程選擇模塊、通道選擇模塊，由USB數(shù)據(jù)線供電。USB通訊與控制單元實現(xiàn)阻抗測量單元與PC機的通訊。該系統(tǒng)在PC機上通過界面程序控制開關(guān)的通斷，實現(xiàn)多通道阻抗測量功能，獲取植物葉莖多個部位及土壤的阻抗隨含水率變化的信息，并在界面上顯示植物的缺水狀況。該系統(tǒng)可預(yù)設(shè)時間間隔進行長期監(jiān)測，使得植物缺水狀況的監(jiān)測更便捷。
其中，所述系統(tǒng)在植物葉莖lll的多個部位及土壤112放置由金屬片制成的方形或圓形電極，電極113置于植物體表，無需插入植物體內(nèi)，在低頻下進行非侵入式阻抗測量。 一個通道兩端分別連著阻抗測量模塊221的VIN 口 223和VOUT 口 224。測量時， 一對或多對電極113用于測量植物體， 一對電極114用于測量土壤，測量引線123、 124為單芯同軸線。
其中，所述系統(tǒng)中阻抗測量單元121的阻抗測量模塊221由AD5933芯片及外圍電路構(gòu)成，標定和量程選擇模塊231為繼電器開關(guān)，通道選擇模塊251由多路模擬開關(guān)構(gòu)成。
其中，所述系統(tǒng)中標定和量程選擇模塊231采用繼電器開關(guān)，在PC機上通過USB通訊與控制單元211的1/0 口 212控制標定和量程選擇模塊231的開關(guān)控制口 232。進行標定時，標定和量程選擇模塊231的I/O 口 233將阻抗測量模塊221的RFB 口 222和VIN 口 223切換至電流/電壓轉(zhuǎn)換電阻組241相應(yīng)量程的標準電阻上，阻抗測量模塊221的VIN 口 223和VOUT 口 224切換至標定電阻組242相應(yīng)量程的標準電阻上，進行測量并計算得到標定系數(shù)，實現(xiàn)標定。隨后標定和量程選擇模塊231的I/O 口 233斷開阻抗測量模塊221的VIN 口 223和VOUT 口 224與標定電阻組242的連接,系統(tǒng)進入測量狀態(tài)。
其中，所述系統(tǒng)用多路模擬開關(guān)作為通道選擇模塊，在PC機上通過USB通訊與控制單元211的1/0 口 212控制通道選擇模塊251的開關(guān)控制口 252,通道選擇模塊251的I/O 口 253控制阻抗測量模塊221的VIN 口 223和VOUT口 224切換至相應(yīng)通道，實現(xiàn)多通道測量。
其中，所述系統(tǒng)USB通訊與控制單元211為EZ-USB-FX2系列芯片，通過USB 2.0協(xié)議與PC機141通訊，通過"C協(xié)議控制阻抗測量模塊22i,通過1/0 口 212控制標定和量程選擇模塊231及通道選擇模塊251。
其中，按照權(quán)利要求1所述的一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)PC機141上釆用Visual Basic、 Labview或Visual C++編制的程序界面，下位機USB通訊與控制單元上采用由Keil uVision編制的固件程序，由所述阻抗測量單元121進行多通道阻抗測量，根據(jù)阻抗值來監(jiān)測植物葉莖和土壤的含水情況，并在PC機界面上實時顯示植物的缺水狀況和澆灌提示，并且可以預(yù)設(shè)測量時間間隔和總時間長度進行長期監(jiān)測。其中缺水狀況包括大旱，小旱，缺水，小澇，大澇五個等級，澆灌提示包括植物葉莖澆灌建議量和土壤澆灌建議量。
本發(fā)明提供的 一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點是
1. 釆用阻抗測量方式，綜合反映了植物體在缺水時，生理發(fā)生電阻性，電
容性和電感性的變化，含水率的測量范圍寬(含水率0到100%);
2. 可實現(xiàn)多通道測量，可以對植物葉莖及土壤多個部位進行同時監(jiān)測；
3. 電極置于植物體表，無需插入植物體內(nèi)，在低頻下進行非侵入式阻抗測量，避免了對植物的傷害，并且不影響測量精度；
4. 對植物葉莖及土壤分別作相應(yīng)的澆灌提示，使得澆灌更有效，節(jié)約水資
源；
5. 可預(yù)設(shè)測量時間間隔和總時間長度進行長期監(jiān)測；
6. USB集供電與通訊于一體，系統(tǒng)體積小，操作簡單，便于攜帶，便于數(shù)據(jù)后處理。
說明書附圖

圖l是一種基于多通道、定時、自動阻抗測量的植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)示意圖;圖2是USB通訊與控制單元與阻抗測量單元工作原理示意圖。
具體實施方式
具體實施過程如下
參照附圖l、圖2，將阻抗測量單元121通過USB通訊與控制單元131的USB轉(zhuǎn)接線連接至PC機141;在PC機VB界面上設(shè)定測量頻率及測量時間，選擇測量通道或者全部通道進行自動切換測量，USB通訊與控制單元131將設(shè)定的參數(shù)發(fā)送至阻抗測量單元121;測量植物體的一對或多對電極113及測量土壤的一對電極114通過測量引線123和124連接到相應(yīng)測量通道121上，通 道選擇模塊251自動切換通道，標定和量程選擇模塊231自動標定和選擇合適 量程；阻抗測量單元121測得植物葉莖及土壤各個監(jiān)測部位的阻抗的幅值和相 角，并經(jīng)過USB通訊與控制單元131上傳至PC機程序界面141進行處理、存 儲、顯示。如需長期監(jiān)測，可預(yù)設(shè)測量時間間隔和總時間長度。
根據(jù)預(yù)先測得的植物缺水狀況與阻抗值、相角值的關(guān)系，判斷植物的缺水 程度，并實時顯示植物所處的缺水狀況。將植物葉莖和土壤的含水率與健康狀 態(tài)下所需含水率比較，分別對植物葉莖和土壤給出澆灌提示。
以上所述，僅為本發(fā)明具體實施方法的基本方案，但本發(fā)明的保護范圍并 不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，可想到 的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍 應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。所有落入權(quán)利要求的等同的含義和范圍內(nèi)的 變化都將包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)是由電極、測量引線、阻抗測量單元、USB通訊與控制單元及PC機組成的便攜式系統(tǒng)。電極采用金屬片，將電極以非侵入方式置于植物葉莖多個部位或插入土壤中，通過單芯同軸測量引線連接至阻抗測量單元。阻抗測量單元包括阻抗測量模塊、標定和量程選擇模塊、通道選擇模塊，由USB數(shù)據(jù)線供電。USB通訊與控制單元實現(xiàn)阻抗測量單元與PC機的通訊。該系統(tǒng)在PC機上通過界面程序控制開關(guān)的通斷，實現(xiàn)多通道阻抗測量功能，獲取植物葉莖多個部位及土壤的阻抗隨含水率變化的信息，并在界面上顯示植物的缺水狀況。該系統(tǒng)可預(yù)設(shè)時間間隔進行長期監(jiān)測，使得植物缺水狀況的監(jiān)測更便捷。
2. 按照權(quán)利要求1所述的一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述系統(tǒng)在植物葉莖111的多個部位及土壤112放置由金屬片制成 的方形或圓形電極，電極113置于植物體表，無需插入植物體內(nèi)，在低頻下進 行非侵入式阻抗測量。 一個通道兩端分別連著阻抗測量模塊221的VIN 口 223 和VOUT 口 224。測量時， 一對或多對電極113用于測量植物體， 一對電極114 用于測量土壤，測量引線123、 124為單芯同軸線。
3. 按照權(quán)利要求1所述的一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述系統(tǒng)中阻抗測量單元121的阻抗測量模塊221由AD5933芯片 及外圍電路構(gòu)成，標定和量程選擇模塊231為繼電器開關(guān)，通道選擇模塊251 由多路模擬開關(guān)構(gòu)成。
4. 按照權(quán)利要求1所述的一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述系統(tǒng)中標定和量程選擇模塊231釆用繼電器開關(guān)，在PC機上通過USB通訊與控制單元211的1/0 口 212控制標定和量程選擇模塊231的開 關(guān)控制口 232。進行標定時，標定和量程選擇模塊231的1/0 口 233將阻抗測 量模塊221的RFB 口 222和VIN 口 223切換至電流/電壓轉(zhuǎn)換電阻組241相應(yīng) 量程的標準電阻上，阻抗測量模塊221的VIN 口 223和VOUT 口 224切換至 標定電阻組242相應(yīng)量程的標準電阻上，進行測量并計算得到標定系數(shù)，實現(xiàn) 標定。隨后標定和量程選擇模塊231的I/O 口 233斷開阻抗測量模塊221的 VIN 口 223和VOUT 口 224與標定電阻組242的連接,系統(tǒng)進入測量狀態(tài)。
5. 按照權(quán)利要求l所述的一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述系統(tǒng)用多路模擬開關(guān)作為通道選擇模塊，在PC機上通過USB 通訊與控制單元211的1/0 口 212控制通道選擇模塊251的開關(guān)控制口 252, 通道選擇模塊251的I/O 口 253控制阻抗測量模塊221的VIN 口 223和VOUT 口 224切換至相應(yīng)通道，實現(xiàn)多通道測量。
6. 按照權(quán)利要求1所述的一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述系統(tǒng)USB通訊與控制單元211為EZ-USB-FX2系列芯片，通 過USB 2.0協(xié)議與PC機141通訊，通過尸C協(xié)議控制阻抗測量模塊221,通 過1/0 口 212控制標定和量程選擇模塊231及通道選擇模塊251。
7. 按照權(quán)利要求1所述的一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述系統(tǒng)pc機141上釆用Visual Basic、 Labview或Visual C+十編 制的程序界面，下位機USB通訊與控制單元上釆用由Keil uVision編制的固件 程序，由所述阻抗測量單元121進行多通道阻抗測量，根據(jù)阻抗值來監(jiān)測植物 葉莖和土壤的含水情況，并在PC機界面上實時顯示植物的缺水狀況和澆灌提 示，并且可以預(yù)設(shè)測量時間間隔和總時間長度進行長期監(jiān)測。其中缺水狀況包括大單，小旱，缺水，小澇，大澇五個等級，澆灌提示包括植物葉莖澆灌建議 量和土壤澆灌建議量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于阻抗測量的多通道植物缺水監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)是由電極、測量引線、阻抗測量單元、USB通訊與控制單元及PC機組成的便攜式系統(tǒng)。電極采用金屬片，將電極以非侵入方式置于植物葉莖多個部位或插入土壤中，通過單芯同軸測量引線連接至阻抗測量單元。阻抗測量單元包括阻抗測量模塊、標定和量程選擇模塊、通道選擇模塊，由USB數(shù)據(jù)線供電。USB通訊與控制單元實現(xiàn)阻抗測量單元與PC機的通訊。該系統(tǒng)在PC機上通過界面程序控制開關(guān)的通斷，實現(xiàn)多通道阻抗測量功能，獲取植物葉莖多個部位及土壤的阻抗隨含水率變化的信息，并在界面上顯示植物的缺水狀況。該系統(tǒng)可預(yù)設(shè)時間間隔進行長期監(jiān)測，使得植物缺水狀況的監(jiān)測更便捷。
文檔編號G01N27/02GK101666767SQ20091009391
公開日2010年3月10日 申請日期2009年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月10日
發(fā)明者徐立軍, 章 曹, 陳健軍 申請人:北京航空航天大學(xué)