CN102175653B - 一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，它是由冠层上传感器装置和冠层下传感器装置组成，其间通过无线通信相连。冠层上传感器装置放置于植被冠层上或冠层外，冠层下传感器装置放置于植被冠层下。该冠层上传感器装置外形为长方形，它是在“一种基于无线传感器网络的植被结构参数测量装置”中普通无线传感器网络测量节点上加装了三个光强传感器单元；该冠层下传感器装置外形为长杆状盒子，它是由9个相对位置可调的光强传感器单元、螺纹杆、弹簧、防水卡口、冠层下传感器盒体、电缆信号连接器、旋钮、冠层下传感器盒盖、八芯电缆和前端盒盖组成。本发明造价低、能耗小、适用范围广，在农业与生态学技术领域内具有广阔地应用前景。

Description

一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置

(一)技术领域

本发明涉及一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，它与植被冠层结构参数的数据采集有关，属于农业与生态学技术领域。

(二)技术背景

在农业生态领域用于测量太阳辐射冠层透过率的仪器分为两类，一类以管状辐射表和光量子仪为代表，是通过分别获取冠层上和冠层下太阳辐射能量值，然后做比来计算太阳辐射冠层透过率。另一类以“测量植物冠层图象分析仪”为代表，是通过鱼眼镜头获取冠层下天穹半球图像，通过对图像进行二值化处理，获取太阳辐射冠层透过率。其中管状辐射表一般为30*500mm左右管状体，表层是高透过率的石英管体，管体内分布400个热电偶用于探测辐射能量，能量感应面积一般为10*330mm左右。将两个经过灵敏度校正的管状辐射表在冠层上和冠层下分别放置一个，对二者一天中同一时刻数据进行比值运算，即可获得一天中太阳总辐射的冠层透过率。使用光量子仪测量冠层透过率，是将一个光量子仪固定在长900mm的长杆上并置于冠层下，另一个光量子仪置于测点冠层上方1m高度处，测量时来回推动冠层下光量子仪在铝杆上滑动，记录一分钟内辐射量的累计值，并与冠层外光量子仪相比，即可得到该时间段太阳总辐射冠层透过率。在一天中不同时刻重复该操作，即可获取一天中不同时间段的太阳辐射冠层透过率。使用植物冠层图象分析仪测量冠层透过率，是通过将带鱼眼镜头的探头伸到冠层下，获取冠层下某时刻天穹半球图像，通过对图像进行一系列掩膜处理与图像处理，将植被与天空辐射背景分离，计算直射光斑在图像中所占比例，得到冠层直射光透过率。管状辐射表和光量子仪原本是设计用来测量植被冠层有效光合辐射的，所测数据都具有物理量纲，也正因为此，这两种仪器的造价都很昂贵，而植物冠层图像分析仪使用鱼眼镜头，很难在无人值守的情况下进行维护。当测量目标仅仅为太阳辐射冠层透过率且无法对仪器长时间人工维护时，只需要传感器在冠层上下所测数据的具有可比性与放置在冠层下的传感器装置具有不少于管状辐射表的感应面积即可，对所测数据的物理量纲没有要求，使用较为廉价的光强传感器配合简易的机械结构即可满足上述要求。另外，以上仪器在测量植被透过率的过程中，冠层下的传感器间距均是固定的，因此，它们存在一个局限性，即很难根据植被覆盖密度的稀疏程度来调整仪器的采样间距，因此，它们的适用植被密度类型具有一定的局限性。本发明即通过使用普通的光强传感器，设计简易的机械装置，通过对冠层上下的传感器装置间进行可比性校正，来达到测量太阳辐射冠层透过率的目的。

(三)、发明内容

1、发明目的：

本发明的目的是提供一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，它参照管状表的原理，分为冠层上(或冠层外，为表述方便，以下统称冠层上)与冠层下两部分，冠层上传感器装置由于是用来测量空间分布均匀的太阳辐射能量，不需要太大的感应面积，所以是在专利申请“一种基于无线传感器网络的植被结构参数测量装置”中的测量节点封装盒盖上加装3个光强传感器来实现。对于冠层下的传感器装置，仿照管状表设计为长杆状，部署于冠层下的九个光强传感器间距可调的，感应面积可在3mm*1045mm到3mm*500mm的范围内调整，配合部署于冠层上的用于比对的传感器，构成一套廉价的获取冠层太阳直射辐射透过率的传感器装置。其中冠层上下传感器装置所用光强传感器均为光敏电阻TSL2561。每个光强传感器上还加装一层红光滤光片，滤光片中心波长649nm，半波带宽8.8nm，在这个波段范围，可以有效滤掉以蓝光为主的天空散射光，提高到达光强传感器的辐射能量中太阳直射辐射的比例。该装置的光强传感器间的距离可以调节，能够适应不同疏密情况的植被类型。装置整体采用防水密闭封装，可在野外农田复杂环境下，大范围、长时间布置。

2、技术方案：

本发明一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，它是由冠层上传感器装置和冠层下传感器装置两部分组成，它们之间的通过无线通信相连。冠层上传感器装置放置于植被冠层上或冠层外，冠层下传感器装置放置于植被冠层下。

所述冠层上传感器装置外形为长方形(见图3)，实质是在专利申请“一种基于无线传感器网络的植被结构参数测量装置”中的普通无线传感器网络测量节点上加装了三个光强传感器单元，并分布在盒盖上，其中，光强传感器单元与冠层下传感器装置所用型号规格一致。

所述冠层下传感器装置外形设计为长杆状盒子(见图1)，它是由光强传感器单元1、螺纹杆7、弹簧8、防水卡口9、冠层下传感器盒体10、电缆信号连接器11、旋钮12、冠层下传感器盒盖13、八芯电缆14和前端盒盖15组成(见图2)，它们之间的位置连接关系是：冠层下传感器盒体10前端安装前端盒盖15，后端安装防水卡口9、八芯电缆14和电缆信号连接器11，螺纹杆7纵向穿过冠层下传感器盒体10，并且前端伸出盒子，穿过前端盒盖15，露出的部分安装旋钮12；螺纹杆7后端固定在杆状盒子内。九个光强传感器单元1套在螺纹杆7上，其基座间用弹簧8隔开，离前端最近的传感器基座4内有螺丝，与螺纹杆7相咬合，当螺纹杆7顺时针(或逆时针)旋转时，该光强传感器单元在螺纹杆7的作用力下向后(或向前)运动，压缩(或释放)弹簧，改变9个光强传感器单元间的间距。冠层下传感器盒盖13为透明有机玻璃，它与冠层下传感器盒体10之间填充防水胶条，冠层下传感器盒盖13与冠层下传感器盒体10之间通过一一对应的螺丝孔固定好后，整个冠层下传感器装置密闭防水。

该光强传感器单元1是由光敏电阻2、铜管脚3、传感器基座4、红光滤光片5和聚四氟乙烯盖片6组成，它们之间的位置连接关系是：光敏电阻2通过四个铜管脚3固定在传感器基座4上，光敏电阻上加装红光滤光片5和聚四氟乙烯盖片6.。由于传感器装置的目的是获取太阳直射辐射的冠层透过率，加装红光滤光片可以减轻以蓝光为主的天空散射光对测量的影响，而加装聚四氟乙烯是为了进一步削弱光强，以免光强传感器发生饱和。该光敏电阻2是光电转换芯片；该铜管脚3为长度6mm通用铜柱接；该传感器基座4为长方体的铝合金机加工件，呈正方形的一面上有4个螺丝孔；该红光滤光片5是精密光学干涉滤光片；该聚四氟乙烯盖片6是材质为聚四氟乙烯的圆形件；

该螺纹杆7是标准螺丝杆；该弹簧8是定制的压簧；该防水卡口9是市购的尼龙防水固定头；该冠层下传感器盒体10是铝合金长方体；该电缆信号连接器11是八芯电缆对接端子；该旋钮12是圆柱形铝合金机加工件，一侧固定在螺丝杆上，另一侧有六棱槽，方便六棱扳手拧动；该冠层下传感器盒盖13是长方形透明有机玻璃加工件，上面分布的螺丝孔与冠层下传感器盒体10一一对应；该八芯电缆14是将八根电缆套在热缩管中加热制成；该前端盒盖15是长方形铝合金加工件，其上螺丝孔与冠层下传感器盒体10前端开口上螺丝孔一一对应；

其中，该光强传感器单元1的数量是9件，弹簧8的数量是8件。其余组成部分的数量都是1件。

其中，该该光敏电阻2选定的型号是TSL2561。

其中，该传感器基座4的外形尺寸为：长24mm，宽24mm，高19mm。

其中，该红光滤光片5的中心波长650nm，半波带宽8.6nm，峰值透射52％。

其中，该聚四氟乙烯盖片6的直径为8mm，厚度为4mm。

其中，该螺纹杆7的直径为10mm，长度为1045mm。

其中，该弹簧8的外径为10mm，内径为8mm，螺距为3mm。

其中，该冠层下传感器盒体10的长为1045mm，宽为38mm，高为49mm，盒壁厚为5mm。

为了方便在九个光强传感器单元1间布置电缆，每个传感器基座4上固定四个铜管脚3，光敏电阻2固定在铜管脚3上，八芯电缆14穿过光敏电阻2和传感器基座4之间的空间将九个光强传感器单元1串联在一起。在该传感器末端装有电缆防水接头9，八芯电缆14穿过电缆防水接头9伸出到冠层下传感器盒体10外部，这样起到了防水的作用。

冠层下传感器装置与无线传感器网络节点采用电缆连接的方式进行数据传输，冠层下传感器装置采用输出端子为八针端子公口(附图6)，无线传感器网络节点采用输出端子为八针端子母口(附图5)，两个端子间可对接。对接后，冠层下传感器装置由数据采集装置供电，在使用两节1.5伏AA碱性电池供电的情况下，按照15分钟一次的采样频率，每天工作8小时的条件下，可维持正常工作一个月左右，基本能够满足长时间无人值守情况下数据获取的要求。

冠层下传感器装置通过电缆连接无线传感器网络节点，而冠层上节点本身就是一个无线传感器节点，二者之间可以通过Zegbee协议将数据传输到汇聚节点(附图4)。汇集节点集成了GPRS模块，可以将数据远程传输回服务器。

3、优点及功效：本发明相对于现有冠层结构参数测量传感器装置，有以下优点：

1)适用范围广：多个传感器之间间距具有可调性，能够适应不通的植被覆盖密度，调整传感器之间的相对距离，从而可以适用在不同植被覆盖密度，使得本装置具有很强的适用范围。

2)造价相对廉价：相比于现有用于测量太阳辐射冠层透过率仪器的高昂造价，本装置制作由于采用了廉价的普通光强传感器来获取冠层上、下部太阳辐射能量，并进一步用来计算冠层直射透过率，使得本装置总体造价成本较低，使得该装置能够在一定区域内大量部署成为可能。

3)低能耗设计：本发明专利元器件选型中，充分考虑到了装置在野外供电条件不足的条件，元器件选型与电路设计采用了低能耗的设计方法，经测试，在使用两节1.5伏AA碱性电池供电的情况下，可在野外正常工作一个月时间。

4)无人值守：当冠层上和冠层下传感器装置布置好并打开以后，数据采集与传输自动进行，无需人员看护。

(四)、附图说明

图1本发明冠层下传感器装置外观示意图

图2本发明冠层下传感器装置结构示意图

图3本发明传感器单元结构示意图

图4本发明冠层上下传感器装置测量数据传输示意图

图5八针端子母口结构示意图

图6八针端子公口结构示意图

图中符号说明如下：

1光强传感器单元；2光敏电阻；3铜管脚；4传感器基座；5红光滤光片；6聚四氟乙烯盖片；7螺纹杆；8弹簧；9防水卡口；10冠层下传感器盒体；11电缆信号连接器；12旋钮；13冠层下传感器盒盖；14八芯电缆；15前端盒盖。

(五)、具体实施方式

本发明一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，它是由冠层上传感器装置和冠层下传感器装置两部分组成，它们之间通过无线通信相连。冠层上传感器装置放置于植被冠层上或冠层外，冠层下传感器装置放置于冠层下。

1、本发明之传感器装置的组装：

冠层上传感器装置与“一种基于无线传感器网络的植被结构参数测量装置”中的测量节点封装为一体，不需要额外的组装过程。

见图1、图2，、图3，冠层下传感器装置的组装：

第一步：将9个光强传感器单元1与其间的弹簧8套在螺纹杆7上。

第二步：将螺纹杆7前端从杆状盒子前端伸出，将螺纹杆7末端卡到杆状盒子后端的卡槽内。

第三步：将杆状盒子前端盒盖15盖上固定。

第四步：连接九个光强传感器单元1间的八芯电缆14，由盒子末端防水卡口9接出。八芯电缆14末端焊接八针端子即电缆信号连接器11。

第五步：将旋钮12拧在螺纹杆7在盒子前端的伸出部分，逆时针旋转旋钮12，测试螺纹杆与光强传感器单元1间的传动是否正常。为确保拧紧，可在螺纹杆7上缠绕生胶带。

第六步：透明盒盖13固定在冠层下传感器盒体10上。自此冠层下传感器装置组装完毕。

2、本发明之传感器装置的部署：

首先选择合适的实验区，在实验区内分别部署冠层上与冠层下传感器装置。

冠层上传感器的部署：将冠层上传感器装置如图4固定在一个高于所测冠层的位置，或者将冠层上传感器装置部署在野外上部无遮挡的空旷环境下，将带传感器的一面朝上并确保水平。打开电源，即开始工作。

冠层下传感器装置的部署：将组装完毕的传感器装置通过标准8针端子与无线传感器网络节点端子相连，将无线传感器网络节点如冠层上传感器节点一样固定于冠层上(见图4)，将冠层下传感器装置如图4放置于冠层下，打开无线传感器网络节点电源，冠层下传感器装置即开始工作。测量不同的植被冠层时，根据冠层叶片的疏密程度，转动旋钮12，调节9个光强传感器单元1间距，以满足冠层要求，调节原则是，冠层叶片稀疏，光强传感器1间距越大，冠层叶片越密集，光强传感器1间距越小。

连接冠层下传感器装置的无线传感器网络节点和冠层上传感器装置会在打开电源后自动开始工作，首先通过无线通信寻找汇聚节点，找的汇聚节点后，根据事先设定的参数，每隔固定的时间间隔测量数据，然后进入休眠状态，冠层下传感器装置连接的无线传感器网络节点和冠层上传感器装置的时钟设置一致，所以在同一时间开始工作后，使用相同的时间间隔测量数据可以使得所采集数据的时间同步。当数据通过汇聚节点传回服务器后，服务器端程序启动，将两套传感器装置相应时刻的数据进行比值运算，即可得到一天中冠层下太阳直射辐射的透过率。整个测量过程在打开电源后便无需更多人工干预，测量人员只需定时远程查看电池电量，更换电池即可。

Claims (9)

1.一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，其特征在于：它是由冠层上传感器装置和冠层下传感器装置两部分组成，它们之间通过无线通信相连，冠层上传感器装置放置于植被冠层上，冠层下传感器装置放置于植被冠层下；

所述冠层上传感器装置，其外形为长方体形，它是在无线传感器网络测量节点上加装了三个光强传感器单元，并分布在盒盖上，该光强传感器单元与冠层下传感器装置的光强传感器单元型号规格一致；

所述冠层下传感器装置，其外形为长杆状盒子，它是由光强传感器单元（1）、螺纹杆（7）、弹簧（8）、防水卡口（9）、冠层下传感器盒体（10）、电缆信号连接器（11）、旋钮（12）、冠层下传感器盒盖（13）、八芯电缆（14）和前端盒盖（15）组成，冠层下传感器盒体（10）前端安装前端盒盖（15），后端安装防水卡口（9）、八芯电缆（14）和电缆信号连接器（11），螺纹杆（7）纵向穿过冠层下传感器盒体（10），并且前端伸出盒子，穿过前端盒盖（15），露出的部分安装旋钮（12）；螺纹杆（7）后端固定在杆状盒子内，九个光强传感器单元（1）套在螺纹杆（7）上，其基座间用弹簧（8）隔开，离前端最近的传感器基座（4）内有螺丝，与螺纹杆（7）相咬合，当螺纹杆（7）顺时针、逆时针旋转时，该光强传感器单元（1）在螺纹杆（7）的作用力下向后、向前运动，压缩、释放弹簧（8），改变9个光强传感器单元（1）间的间距；冠层下传感器盒盖（13）为透明有机玻璃，它与冠层下传感器盒体（10）之间填充防水胶条，冠层下传感器盒盖（13）与冠层下传感器盒体（10）之间通过对应的螺丝孔固定好后，整个冠层下传感器装置密闭防水；

该光强传感器单元（1）是由光敏电阻（2）、铜管脚（3）、传感器基座（4）、红光滤光片（5）和聚四氟乙烯盖片（6）组成，光敏电阻（2）通过四个铜管脚（3）固定在传感器基座（4）上，光敏电阻（2）上加装红光滤光片（5）和聚四氟乙烯盖片（6）；该光敏电阻（2）是光电转换芯片；该铜管脚（3）为长度6mm通用铜柱接；该传感器基座（4）的外形为长方体的铝合金机加件，呈正方形的一面上有4个螺丝孔；该红光滤光片（5）是精密光学干涉滤光片；该聚四氟乙烯盖片（6）是材质为聚四氟乙烯的圆形件；该螺纹杆（7）是标准螺丝杆；该弹簧（8）是定制的压簧；该防水卡口（9）是市购的尼龙防水固定头；该冠层下传感器盒体（10）是铝合金长方体件；该电缆信号连接器（11）是八芯电缆对接端子；该旋钮（12）是圆柱形铝合金机加件，一侧固定螺丝杆上，另一侧有六棱槽，方便六棱扳手拧动；该冠层下传感器盒盖（13）是长方形透明有机玻璃加工件，上面分布的螺丝孔与冠层下传感器盒体（10）上的螺丝孔一一对应；该八芯电缆（14）是将八根电缆套在热缩管中加热制成；该前端盒盖（15）是长方形铝合金加工件，其上螺丝孔与冠层下传感器盒体（10）前端开口上螺丝孔一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，其特征在于：该传感器基座（4）的外形尺寸为：长24mm，宽24mm，高19mm。

3.根据权利要求1所述的一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，其特征在于：该红光滤光片（5）的中心波长650nm，半波带宽8.6nm，峰值透射52%。

4.根据权利要求1所述的一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，其特征在于：该聚四氟乙烯盖片（6）的直径为8mm，厚度为4mm。

5.根据权利要求1所述的一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，其特征在于：该螺纹杆（7）的直径为10mm，长度为1045mm。

6.根据权利要求1所述的一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，其特征在于：该弹簧（8）的外径为10mm，内径为8mm，螺距为3mm。

7.根据权利要求1所述的一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，其特征在于：该冠层下传感器盒体（10）的长为1045mm，宽为38mm，高为49mm，盒壁厚为5mm。

8.根据权利要求1所述的一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，其特征在于：该光强传感器单元（1）的数量是9件，弹簧（8）的数量是8件。

9.根据权利要求1所述的一种测量不同植被冠层下太阳直射辐射透过率传感器装置，其特征在于：该光敏电阻（2）选定的型号是TSL2561。

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