CN102288225B - 一种植物发育生长环境提示器及植物生态条件监测调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物发育生长环境提示器及植物生态条件监测调整方法，包括伸缩式杆体的底端设置有土壤含水量传感器，杆体的中部设置有温度传感器，杆体顶面设置有显示表盘，表盘外周边环绕设置有光敏传感器；表盘为具有三个弧形边组成的正三角形状，各条弧形边上有刻度值，三个指针原点分别设置在三个角顶点上，表盘中间预先划分成发育、生长和维护环境区域；本装置可以监测对植物发育生长起关键作用的温度、光照、水分、季节因数等生态软环境参数，同时利用三指针交叉环抱区域位置确定植物所处的实际生态状况；实测区域对比表盘上刻分区域后，有针对性地提出改善植物发育生长生态环境状态的步骤和方式。

Description

一种植物发育生长环境提示器及植物生态条件监测调整方法

技术领域

本发明涉及一种植物发育生长环境的提示装置及植物生态条件监测调整方法。

背景技术

所有的植物生长发育都受环境因素的影响，主要是温度、光照、水分、空气、土壤及养分条件。在这些环境条件中，不管哪种因素发生变化，都会影响植物的生长和发育。因此，调节环境因素，使之适应于植物的发育生长是栽培中极为重要的工作。

然而，诸环境条件之间的相互关系极为复杂。存在着相互联系、相互制约的关系，它们对农作物的生长发育是综合的影响，但在一定情况下，其中一个因素起主导作用。

所谓环境，泛指植物生存四周空间所存在的一切事物，如前面已经提到的气候（如温度、光照、水分等）、土壤、生物等因素的综合。这些事物中的每一个因素，称为环境条件（或因素）。但是并不是所有的环境条件都与植物有关系，我们需要研究了解的只是那些在不同的时间或地点，对于植物的生命活动直接或间接地有着密切关系的环境条件，这样的环境条件又称为生态条件。

不同的植物具有不同的生长发育规律，这种内在的规律统称为生态习性，这是植物长期受特定的生态环境综合影响而形成的，能够遗传，属于遗传特性。而另一方面，植物对生态环境的变化又能产生各种不同的反应和多种多样的自适应性，这常称为生态适应性。

因此通过描述得出，植物生长发育期间需要遵从三个关系原则：一是必须遵守植物遗传规律的生态习性，比如水生植物就不能在沙漠中种植。二是尽可能地不挑战植物对生态环境变化的生态适应性忍受能力，比如耐旱植物应避免在低洼易汲水地块栽培。三是处理好植物生长发育规律与生态条件的关系，比如说植物在不同季节或区域需要的最佳温度、光照、水分、空气、土壤及养分等生态环境条件不全相同，它是一门有规律、充满知识与需要观察力的科学。面对不断的变化，要按植物生长发育规律办事，尽可能地调用一切手段加以满足或趋近。

其中将土壤、生物等因素如土壤构造及养分、空气、甚至基因、种苗等称之为植物发育、生长的基础条件；气候如温度、光照、水分、还有季节因数等认为是影响植物生长和发育的生态条件。通过不断调控生态软环境因素，使之适应植物发育生长规律是农业管理中极为重要的工作。也是精细化耕作，提高农作物收成的必由之路。

植物的一切生命活动都必须在一定的温度条件下才能正常进行。温度的高低直接影响着植物的分布、生长发育以及体内的一切生理变化。植物的正常生长还需要一定的昼夜温差（较高的日温和较低的夜温），这咱现象称为生长的温周期现象。这也是植物适应自然界温度白天较高晚上较低的结果。

光照是制造营养物质的来源。一般来说，光照充足，光合作用旺盛，形成的碳水化合物多，植物体内干物质积累就多，生长发育就健壮。根据植物对光照强度要求的不同，可分为：阳性植物（长日照植物）、阴性植物（短日照植物）、中性植物（日中性植物）。每种植物都有其各自的光饱和点和光补偿点。每种植物都不能放在光强度低于其光补偿点的环境下较长时间，长期把植物放置于高于其光补偿点但又接近补偿点的地方，对生长发育也是很不利的。

水是植物体的重要组成部分，也是植物生命活动的必要条件，水是植物进行光合作用的重要原料；土壤中的营养物质，只有溶解于水时才能被吸收利用，体内各种生理机能活动也必须在水的参与下才能开展。因此，没有水植物就不能生存。在栽培管理上应掌握宁湿勿干的原则。

春多，宜午浇；夏足，宜早、晚浇；秋天少浇；冬天根据土壤的干湿，几天浇一次。植物还受农历节气的影响

传统农业技术中，主要依赖长期从事田间管理所积累的科学经验，它们都来源于农业专家们对现象的感知度和理解所需的专业知识。现多停留在感性认识和定性描述阶段，无法对当前监测中出现的生态环境条件偏差进行直观提示。

通常影响植物生长和发育的气候条件，又称为生态条件因数归纳起来有。

                                                

表1：影响植物发育生长的生态条件因数分解表

发明内容

本发明的目的是提供一种可以直观观察植物所处环境的植物发育生长环境提示器及生态条件监测调整方法。

为了实现上述目的，采用以下技术方案：一种植物发育生长环境提示器，其特征在于：包括杆体，杆体底端设置有土壤含水量传感器，杆体的中部设置有温度传感器，杆体顶面设置有指示表盘，指示表盘周边环绕设置有光敏传感器；所述土壤含水量传感器、温度传感器、光敏传感器和指示表盘均与电子处理芯片相连。

为了方便表示植物的生长状态，所述指示表盘为具有三个弧形边组成的正三角形状，且任一弧形边的圆心为对面顶点，各条弧形边上具有刻度值；三个指针原点分别设置在三个角顶点上，表盘中间预先划分成发育、生长和维护环境区域；还按报警等级从强烈需求到严格禁止的方向，设置报警灯。

为了方便调整杆体高度，所述杆体为伸缩式结构。

为了方便进行通信，所述杆体上设置有错落设置的叶片，其中叶片为数据通讯接口和无线数据发送装置。

为了方便观察各个因素情况，所述各个弧形边的内侧依次设置有绿色、黄色、橙色和红色四级强度报警灯。

所述表盘对应的三弧边分别表示植物生长环境温度、植物接受光照强度和土壤中相对含水量。

一种植物生态条件监测调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）监测对植物发育生长起关键作用的温度、光照、水分、季节因数等生态软环境参数；作为植物主要发育生长需求指标：第一类植物生长环境温度，用T表示；第二类植物接受光照强度，用R表示；第三类土壤中相对含水量，用M表示；第四类季节变化因数，对应的春夏秋冬农历节气用S表示。

 2）将T、R、M三项监测参数交叉显示在同一块刻度显示表盘上，实现集中观察；三指针交叉环抱区域所处位置表示监测到的植物实际生态状况。

还包括如下步骤：

1）将专家知识库推荐的最佳生态软环境发育知识值和常态软环境生长知识值注释在表盘上，发育生态环境绿色区域A、生长生态环境黄色区域B和维护生态环境状态白色区域C标识出来；与监测到的植物实际生态状况进行比较；

2）利用与专家知识库对比后呈现的偏差，进行逐项研判推理，提出改善植物生态环境的调整策略，观察三根指针穿越或趋近知识库设定区域的距离，容易得出植物各项需求指标满足或偏差程度；然后有针对性地寻找改善生态软环境的顺序与步骤、强度；

3）每到重要节气，第四类季节变化因数都作为触发事件，调用存放在专家知识库中的数据进行重新研判和运算，自动更新成当前节气所对应的A和B、C区域位置，指导植物当下季节生态软环境管理。

本装置可以监测对植物发育生长起关键作用的温度、光照、水分、季节因数等生态软环境参数，同时利用三指针交叉环抱区域位置确定植物所处的实际生态状况；实测区域对比表盘上刻分区域后，有针对性地提出改善植物发育生长生态环境状态的步骤和方式。

附图说明

图1 为表盘中植物发育生态环境区域图；

图2 为表盘中植物生长生态环境区域图；  

图3 为表盘中植物发育和生长生态环境提示区域图；

图4 为表盘中植物处于发育生态环境状态辩识图；

图5 为表盘中植物处于生长生态环境状态辩识图；

图6 为表盘中植物处于维护生态环境状态辩识图；

图7 为本发明的结构示意图；

图8 为智能型植物发育生长环境提示器信息处理流程图；

图9 为智能型植物发育生长环境提示器表盘的外观配置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

如图7所示，表盘是在正三角形的顶点上分别放置可转动的三根指针，同时边长为半径以对面顶点为圆心画弧，并采用三条弧线替代正三角形直线边，最后在各弧线段上注明显示刻度。三个弧形边上分别表示植物生长环境温度，用T表示；植物接受光照强度，用R表示。土壤中相对含水量，用M表示。

左上弧型刻度尺表示的是生长环境温度T的监测量程范围-10~60℃，右上弧型刻度尺表示的是土壤中相对含水量M的监测量程范围30~100%，中下弧型刻度尺表示的是植物接受光照强度R的监测量程范围0~2000 Foot-candle。表盘上三个弧形段交会角顶点为提示指针安放原点位置。

将专家知识库推荐的最佳生态软环境发育知识值注释在指针式三弧形刻度表盘上：如发育温度范围15~35℃，接受光照强度范围500~1000 Foot-candle，土壤中相对含水量范围55~80%，在表盘上将三者共同交叉重叠的区域搜寻出来。参见图1植物发育生态环境区域图中所注释的A绿色区域。

将专家知识库推荐的常态生态软环境生长知识值也注释在指针式三弧形刻度表盘上：如生长温度范围5~40℃，接受光照强度范围400~1000 Foot-candle，土壤中相对含水量范围40~90%，在表盘上将三者共同交叉重叠的区域搜寻出来。见图2中所注释的B黄色区域。分析得知，发育生态环境A绿色区域必定包含在生长生态环境B黄色区域当中。

A和B区域是一个不规则的区域，需要借助于划分的虚线才能分辨出来，这为观察带来不便，因此将它们抽象成易于识别的图案。见图3中，将A区域重新标识成绿色小三弧形果实状，将B区域重新标识成黄色中三弧形果实状，剩余部分标识为维护生态环境状态C白色区域。

结合图4，反映当前监测值的三根提示指针环境温度T、土壤含水量M和光照强度R的指针交会点D正好落在发育生态环境A绿色区域内，表明植物处于优良的发育状态。

结合图5，反映当前监测值的三根提示指针T、M和R交会点E正好落在生长生态环境B黄色区域内，表明植物处于良好的生长状态。建议可适当降低环境温度T，提高土壤含水量M和降低光照强度R。

结合图6，反映当前监测值的三根提示指针T、M和R交会点F正好落在维护C白色区域内，表明植物处于恶劣的维护生态环境状态，长此以往将可能导致减产，甚至绝收。此时光照强度R穿越了A区域，单项指标看符合要求；土壤含水量M较低穿越了B区域，单项指标看基本符合要求；环境温度T过低却落在了D区域。但由于土壤含水量M较低，以及环境温度T过低，导致植物内部生理状态采取抑制来应对，同时充足的光照强度促成光合作用旺盛可能还加速植物的枯萎，受相互联系、相互制约影响显著。调配生态软环境因素根据所处季节，首先需要解决环境温度T过低的问题，当T升高后F可能回落在B区域内；其后再处理土壤含水量M较低的问题。

无论指针交会点落在上述A和B、C哪个区域内，很容易得出当前植物所处的发育生长实际环境状态；其次分别观察三根提示指针各自所穿越或趋近的区域，也容易得出当前气候条件下与植物需求规律之间所呈现出来的各项指标满足及偏差程度；然后根据已知状态事件有针对性地寻找改善生态软环境的顺序与实施步骤、强度。

如图7所示，植物发育生长环境提示器主要由一个细柱状可伸缩检测保护杆和设置在顶端用于监测参数提示的指针式三弧形刻度表盘，还包括环绕其周边的数片花瓣和少数高低错落的叶片部件构成。

检测保护杆下底端设置有土壤含水量传感器5，如选用土壤水分测定仪、氯化锂湿度计等。中上部杆体配置温度传感器3，如选用热电阻、半导体温敏材料等，花蕊位置则用于放置指针式三弧形刻度的表指示盘1，指示表盘1环绕数片花瓣上安装光敏传感器2，如选用太阳能电池、光敏电阻等。

表盘下面设有电子处理芯片负责监测信号转换、存储及传输、提示驱动、研判和运算、耗电管理等功能的实施。高低错落的叶片为数据通讯接口以及无线数据发送装置4，或输入设定数据接口。

监测时，细柱状可伸缩检测保护杆垂直插入土壤植物预计根部深度，浅根植物约插200mm，深根植物可插800mm。伸缩调整高度位于最高和最低的植物叶片之间。为了维护土壤环保安全，采用太阳能电池供电，安全材质一体化密封制造，要求至少达到IP65以上外壳防护等级，可供长期反复使用。

指针式三弧形刻度表盘既可以是一块预先定制的底壳板，采用普通指针加彩印注释区域方式工作，与手表刻度盘相近；也可以是彩色LED提示屏，既可模拟指针提示生长环境温度T、植物接受光照强度R和土壤中相对含水量M三项监测参数值，也可充填指定颜色将发育生态环境A绿色区域、生长生态环境B黄色区域和维护生态环境状态C白色区域标识出来，与手机显示屏相近。

季节变化因数来源于电子处理芯片上所加载的农历节气提示软件S和24小时制时钟Timer。每到重要节气都作为触发事件，调用存放在专家知识库中的数据进行重新研判和运算，自动刷新成当前节气所对应的A和B、C区域位置，指导植物当下季节生态软环境管理。换句话说，发育生态环境A绿色区域、生长生态环境B黄色区域和维护生态环境状态C白色区域会跟随季节的变换而自动调整移动。由于被赋予了季节变化因数，可以重新理解为A区域是生态软环境管理的最佳状态设定区；B区域是比较偏差纠正区；C区域是异常灾害警示区。

当光照低，太阳能较少和夜间则转入节电模式，关闭LED提示屏，确保电子处理芯片上软件程序仍能继续保持一段时间的运行。反过来认识耗电管理，在首先满足软件程序运行的情况下，将富裕且无法存储的电能提供给LED提示屏。另外在LED关闭时，可以通过外界触发短暂开启提示屏。

利用电讯公司已开通的短信信息传递方式（GPRS），用短信息包压缩然后拆分技术，进行双向交流。另外本装置推广后，形成较大范围点阵布局，还可直接通过地理信息系统进行通讯，不仅传递监测参数及分析数据，还可叠加传递扫描得到的监测区局部图像，供农业专家远程进一步会诊。

植物发育生长环境提示器功能适合于大多数普通植物，即生态适应性较强的植物，在发育生长期间需要随时监测、适当提示调控的基本要求。但还有少部分的植物发育生长规律具有特殊个性，如兰花等，抗光照、高温但耐旱性极低，实施通用的生态软环境管理还需操作者做出适当的人为修正，以适应具有特殊个性，即生态习性强的植物种植管理。

上面的特例植物告诉我们还需要在通用型植物发育生长环境提示器的基础上，对采集的信息继续挖掘和加工，以提高现有通用型的修正能力并扩大适应面。为了达到这个目的，需要叠加智能化处理模块。1、实现对特殊个性化植物进行分组模糊归类描述，用于修正并重新搜寻个性化植物的A绿色区域和B黄色区域，再次对信息进行处理、提示、标识等；2、通过对更有针对性的信息收集、研判、模糊推理、事件管理后，进一步寻找和预报偏差调整时机与推荐实施的等级强度指数，并输出不同等级的需求程度报警。

首先是对特殊个性化植物进行分组模糊归类描述。将植物按耐寒力系数Ω、光照长度系数Θ、耐旱性系数Ψ分成三个修正方向组。在各个组中又分别划定为不同的类别，如耐寒力系数组再划分为耐寒植物、半耐寒植物、不耐寒植物三个类别；光照长度系数组再划分为长日照植物、日中性植物、短日照植物三个类别；耐旱性系数组再划分为旱生植物、半耐旱植物、中生植物、温生植物、水生植物五个类别。每个组中的各个类别，预先设定一个模糊参考系数范围，依据实际状况由专家选取并输入。

智能化处理模块按最后系数取值更新调整生态软环境发育、生长知识值注释，从而由改变修正系数直接导致A和B、C区域位置更替，适应特殊植物管理需求。

表2：针对特定植物管理所增设的个性化修正系数表

如前面提到的兰花，抗光照Θ取1.2、高温Ω取0.8但耐旱性极低Ψ取0.6。

其次是进一步寻找和预报偏差调整时机与推荐实施的等级强度指数，并输出不同等级的需求程度报警。喷水可以增加空气湿度，降低气温，洗去植株上面的灰尘及冲掉害虫等，避免嫩叶焦枯和花朵早凋，保持植物清新；特别是一些喜阴湿的花卉，如山茶、杜鹃、兰花、龟背竹等，经常向叶面上喷水，对其生长发育十分有利。至此引出了：喷水降温推荐指数TKQ，起因是喷水增加空气湿度，降低气温，与S、T、参数相关；避免喷水后太阳直晒多在早上和下午实施，与Timer、R参数相关。

植物会因光照时间过短或过长而导致体眠停止发育，所以农业生产上对光照也需进行控制，一般促进植物生长的光照时间大多是以长日照为主，根据植物特性不同，分为8-10小时，10-12小时，12-14小时的光照时间区段，具体应用时可进行选择。至此引出了：光照时间充足度指数RKQ，起因是光补偿点以上的光照强度（与R参数相关）和每天有效光照时间（与Timer参数相关）之间的累计关系。

由于植物所吸收的水分绝大部分用于蒸腾，所以需水量也可认为是总蒸腾量与总干物重的比率。如用每形成 1克干物质需要蒸腾水分的克数表示，则称蒸腾系数。如稻的蒸腾系数为680，小麦为540，玉米为370。也可以这样说，不同生态类型的植物，在一生中耗水的差异，主要是蒸腾作用失水的差异引起的。至此引出了：建议浇灌给水量指数MKQ，主要依据不同生态类型的植物，与Ψ参数相关；目前土壤中的含水量，与M参数相关；当前气候条件下的蒸腾量，与S、T、R、参数相关。

它们可依据专业模型成果，表达成具体的关系算式。

 

表3：推荐实施强度指数信息分析表

图8智能型植物发育生长环境提示器信息处理流程图中，下半部分体现植物发育生长环境提示器实现的通用功能。图中最底部分是植物赖以生存的土壤，细柱状可伸缩检测保护杆垂直插入土壤里，在其下底端设置有土壤含水量传感器M，用于指针式三弧形刻度表盘上土壤含水量提示指针MI指示。中上部杆体配置温度传感器T，用于环境温度提示指针TI指示。顶端花瓣上安装光敏传感器R，用于环境光照提示指针RI指示。

另外图中上半部分对附加的智能型信息处理流程进行了展示。智能型处理器一方面接受MI、TI、RI三个基础监测信号、季节变化因数S、Timer外，也通过输入设定数据接口分别接受个性化修正方向组中的耐寒力系数Ω、光照长度系数Θ、耐旱性系数Ψ所对应的各个类别的具体参考系数值。同时还有标准的通讯接口，方便与外界的有线、无线数据交换。

每个智能型处理器有唯一的设备命名，负责监视各自划定的区域，与外界数据自动交换采用事件触发工作模式，即出现监测参数报警或等级强度指数越限时才发送变化后事件信息，正常情况下每天（24小时）仅自动完整传送基本信息数据一次，但可按接收指令要求随时发送补充完善信息。

智能型植物发育生长环境提示器需要输出不同等级的需求程度报警。报警等级从强烈需求到严格禁止的方向进行四级强度差别提示，对应设置的报警灯颜色由按：绿色—黄色—橙色—红色顺序排列，统一对应过度。

在信息显示方面，相比通用型植物发育生长环境提示器，智能型在原有功能的基础上增加了三个推荐指数：喷水降温推荐指数、光照时间充足度指数、建议浇灌给水量指数，每个指数又分别对应四级报警灯提示，因此表盘需要重新增添显示功能。

图9智能型植物发育生长环境提示器表盘外观配置图中可以看出，左上弧型刻度尺表示的是生长环境温度T的监测量程范围，其外圈层注明“喷水降温推荐指数”，内圈层按绿色（最佳时机）—黄色（开始推荐）—橙色（间歇喷洒）—红色（不得浇淋）顺序排列四级强度报警灯方式布置。

右上弧型刻度尺表示的是土壤中相对含水量M的监测量程范围，其外圈层注明“建议浇灌给水量指数”，内圈层按绿色（饥渴枯萎）—黄色（给足水量）—橙色（适度水量）—红色（严控灌溉）顺序排列四级强度报警灯。

中下弧型刻度尺表示的是植物接受光照强度R的监测量程范围，其外圈层注明“光照时间充足度指数”，内圈层按绿色（缺乏光照）—黄色（基本满足）—橙色（达到要求）—红色（强照灼伤）顺序排列四级强度报警灯。

为了达到智能型功能要求，引入了特殊植物个性化系数描述机理，起到适当刷新和调整专家知识库，修正并扩大适应面的作用；另外依据生态软环境各因数之间存在着相互联系、制约的关系进一步寻找和预报偏差调整时机与推荐实施的等级强度指数。还可以发送实时数据进行现状或灾情远程描述、报告。

Claims (7)

1.一种植物发育生长环境提示器，其特征在于：包括杆体，杆体底端设置有土壤含水量传感器（5），杆体的中部设置有温度传感器（3），杆体顶面设置有指示表盘（1），指示表盘（1）周边环绕设置有光敏传感器（2）；所述土壤含水量传感器（5）、温度传感器（3）、光敏传感器（2）和指示表盘（1）均与电子处理芯片相连；

    所述指示表盘（1）为具有三个弧形边组成的正三角形状，各条弧形边上有刻度值，三个指针原点分别设置在三个角顶点上，表盘中间预先划分成发育、生长和维护环境区域；还按报警等级从强烈需求到严格禁止的方向，设置报警灯。

2.如权利要求1所述的植物发育生长环境提示器，其特征在于：所述杆体为伸缩式结构。

3.如权利要求1所述的植物发育生长环境提示器，其特征在于：所述杆体上设置有错落设置的叶片（4），其中叶片为数据通讯接口和无线数据发送装置。

4.如权利要求1所述的植物发育生长环境提示器，其特征在于：所述各个弧形边的内侧依次设置有绿色、黄色、橙色和红色四级强度报警灯。

5.如权利要求1至4任一所述的植物发育生长环境提示器，其特征在于：所述表盘对应的三弧边分别表示植物生长环境温度、植物接受光照强度和土壤中相对含水量。

6.一种植物生态条件监测调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）监测对植物发育生长起关键作用的温度、光照、水分、季节因数这些生态软环境参数；作为植物主要发育生长需求指标：第一类植物生长环境温度，用T表示；第二类植物接受光照强度，用R表示；第三类土壤中相对含水量，用M表示；第四类季节变化因数，对应的春夏秋冬农历节气用S表示；

 2）将T、R、M三项监测参数交叉显示在同一块刻度显示表盘上，实现集中观察；三指针交叉环抱区域所处位置表示监测到的植物实际生态状况。

7.如权利要求6所述的植物生态条件监测调整方法，其特征在于：还包括如下步骤：

1）将专家知识库推荐的最佳生态软环境发育知识值和常态软环境生长知识值注释在表盘上，发育生态环境绿色区域A、生长生态环境黄色区域B和维护生态环境状态白色区域C标识出来；与监测到的植物实际生态状况进行比较；

2）利用与专家知识库对比后呈现的偏差，进行逐项研判推理，提出改善植物生态环境的调整策略，观察三根指针穿越或趋近知识库设定区域的距离，容易得出植物各项需求指标满足或偏差程度；然后有针对性地寻找改善生态软环境的顺序与步骤、强度；

3）每到重要节气，第四类季节变化因数都作为触发事件，调用存放在专家知识库中的数据进行重新研判和运算，自动更新成当前节气所对应的A和B、C区域位置，指导植物当下季节生态软环境管理。