CN105638263A - 一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，包括超声阵列模块、接收电路、处理电路、驱动电路、函数发生模块、控制模块和植物工厂上位机组成，系统可以根据植物的不同生长状况产生0.1Hz到50MHz频率的超声波促进植物生长发育，刺激植物的种子、组织和细胞。该系统可针对不同品种的植物施加最适频率的超声波刺激，以调节植物生长周期和组织器官的生长发育，改善次生代谢产物的产生，系统具有精度高、稳定性好等特点，可以广泛的应用于植物工厂种植、植物生理学研究和农业生产及相关领域。

Description

一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统

技术领域

本发明涉及一种超声波系统，具体地说是一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统。

背景技术

随着社会的进步，人类的社会活动导致环境污染现象日益严重，很多地区的大气、水及土壤污染问题触目惊心。同时由于过度依赖农药和化肥来提高农业产量，土壤退化，毒大米、毒蔬菜大量涌向市场，各类食品安全事故频发，国人的生命安全受到了严重威胁，食品安全成为国人关注的焦点。另一方面随着经济的发展，人们对食品质量要求变得更高。而农业技术决定了农业的产量，只有依托技术的进步，采用精细化、工业化的种植方式才能从根本上解决产量与品质的根本问题，国际上普遍认为农业工厂化生产是未来农业发展的必然趋势。因此，近年来植物工厂在国内外得了迅猛的发展。植物工厂将现代自动化环境检测与控制技术、合理光谱构成的LED生物照明技术、以及无土栽培、立体种植等技术相融合，实现了农业生产工业化、标准化、信息化、产业化。植物可广泛用用于种苗、蔬菜、花卉、药材以及其他经济作物的生产及育苗，还可以应用于高科技农业示范园区、农业观光及休闲、亲子活动及学生劳动实践教育基地、社区农场、家庭园艺、都市农业、植物组培、科研实验以及保证特殊环境影响下的新鲜绿菜补给等。

植物工厂内植物能感受的环境刺激包括了光、温度和各种化学信号，以及很多种类的物理刺激，因此对物理刺激的感知和响应对所有生物来说是最重要的。植物的发育是由环境因素和内源信号协同作用的一个连续过程，正是这些各类因子的调控导致了细胞的细化，最终导致植物的多样性。植物由于其无法移动的特点，使其对环境信号有着高度的敏感性，而自身的发育在时空上亦有着高度的可塑性。在所有正处于生长状态的活的生命系统中必然存在着内应力，作为一种特殊的交变应力模式，超声波在介质内传播过程中使质点进入机械振动状态，受其影响的质点的振动能量增加，当超声波依靠机械振动和稳态空化效应使传质边界层减薄，并且使溶质粒子运动加速，这这会促进反应物进入酶或细胞活性部位和生成物进入液体媒介的传质扩散过程。适宜的超声波可促进细胞内产生胞内微流，胞内基质涡流，增加细胞膜和细胞壁的穿透性，从而强化细胞的新陈代谢能力。

发明内容

本发明的目的意在克服上述现有技术的不足，提出一种可根据植物工厂环境信息和植物生长状态产生特定超声波的发生系统，能很好的刺激植物生成，提高种子发芽率，帮助植物工厂育种育苗，并且缩短蔬菜的生产周期。

实现上述目的的技术方案是：

一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，包括超声阵列模块、接收电路、处理电路、驱动电路、函数发生模块、控制模块和植物工厂上位机，所述的植物工厂上位机将植物工厂内部的温度和光照信号传输给控制模块，所述的控制模块基于植物工厂的环境信息确定超声波能量发生及转换系统的工作状态，所述函数发生模块根据控制信号产生不同形状、不同频率的波形，波形信号经过驱动电路放大后传输给超声阵列模块的发射换能器，产生有助植物生长的超声波；同时，超声波阵列的接收换能器采集实际超声波信息，实测信号通过接收电路、处理电路传输给控制模块，控制模块根据该回馈信号调整输出进一步提高系统的控制精度。

在该植物工厂用超声波能量发生及转换系统中，系统的工作频率有4种：低频工作10KHz-100KHz、中频工作100KHz-1000KHz、高频工作1000KHz-10MHz、极高频工作10MHz-50MHz；系统的工作波形有7种：三角波、锯齿波、矩形波/方波、正弦波、递增斜波、递减斜波、阶梯波；系统根据植物工厂内不同的光照周期、环境温度和植物品种，确定最优的工作频率、工作时间以及工作波形。

系统所使用的超声波阵列模块由22个超声波换能器按照一定规则构成，包括超声波发射阵列和超声波接收阵列；其中16个发射换能器呈4*4的2维矩形排列构成超声波发射阵列；另外4个接收换能器位于超声波阵列的中央位置，呈2*2的2维矩形排列构成超声波接收阵列；所述发射换能器和接收换能器均采用收发一体的、中心频率为50KHz的压电陶瓷超声换能器，负责完成超声信号的发送、超声回波信号的接收，使用超声波阵列可以方便灵活地控制超声波声束的形状和声压的分布,便捷地实现了大范围内定植板上每株蔬菜的催苗和促生,并且用同样幅度的电压驱动每个压电晶片单元，超声波聚焦区域的声场强度要远远大于常规的超声波技术，聚焦后的回波波形在幅值上比未聚焦的回波波形大了很多。也就是说超声波相控阵发射出的超声波在焦点处的能量得到加强。系统采用最小均方LMSTDE算法对超声回波接收电路采集到的超声回波信号进行数字信号处理，得到从超声相控阵发射超声波信号到接收到的超声回波信号之间的时间间隔；为防止发生换能器的余震干扰正常的回波检测，在超声相控阵停止发射超声波后需要延时0.5ms来消除超声波换能器探头的余震的影响。

系统控制模块从植物工厂上位机处接收植物工厂的温度、光照和菜品信息，由此确定最优的超声波工作波形、频率、工作时间以及幅值，同时，根据系统的实际测量反馈信号进行模糊PID控制，提高系统的控制精度；所述函数发生模块由FPGA和D/A转换芯片组成，各种运算都在FPGA芯片中进行，通过了FPGA芯片和D/A转换芯片可以得到波形的输出．其中FPGA是函数发生器系统结构中的核心，从D/A转换芯片输出的是电流，如要在D/A转换芯片输出端输出电压，可以用一个运算放大器，对输出波形进行I/V转换，并在放大器的输入端加一个可变电阻，即可得到所需幅值；所述的驱动电路由MOSFET和升压变压器TR功率放大后驱动超声换能器发射超声波。

系统接收电路由前置同相比例放大电路和带通滤波电路组成，所述前置同相比例放大电路采用同相比例放大器实现对回波小信号的线性放大；所述处理电路用于包络检测，由于超声波信号的包络线具有较好的一致性，因此对于回波信号到达包络峰值的时间点，系统采用时延估计法完成对超声回波信号的处理，从而得到超声波发射电路从发送超声波到超声波接收电路接收到回波信号的时间间隔。

采用上述技术方案，本发明有益的技术效果在于：本发明所设计的超声波刺激装装置可以在组织和细胞水平上以特定的频率、波形、振幅、工作时间对不同品种的植物进行处理，有利于从多个层次对声波刺激植物生长的机理开展促进作用。相对于传统模拟函数发生器和晶体管功率放大器，本超声波系统使用了FPGA作为函数发生器，使整个装置具有更高的灵活性和可靠性高。通过自动调节，针对不同植物工厂作物产生最优的超声波刺激促进作用，使植物组织和细胞内的应力状态发生相应的变化，具有提升育种育苗阶段种子的发芽率，降低了移苗、间苗阶段幼苗的病虫害发生概率，缩短定植期植物生长速度等诸多优点，为植物工厂产能的提高有着良好的积极效果。

附图说明

图1是本发明的系统构示意图；

图2是本发明的函数发生模块的电路原理图；

图3是本发明的驱动电路原理图；

图4是本发明的前置同相比例放大电路原理图；

图5是本发明的带通滤波电路原理图；

图6是本发明的包络检波电路原理图；

图7是最小均方时延估计LMSTDE算法的原理框图。

具体实施方式

图1是本发明的系统构示意图，系统包括超声阵列模块、接收电路、处理电路、驱动电路、函数发生模块、控制模块和植物工厂上位机，所述的植物工厂上位机将植物工厂内部的温度和光照信号传输给控制模块，所述的控制模块基于植物工厂的环境信息确定超声波能量发生及转换系统的工作状态，所述函数发生模块根据控制信号产生不同形状、不同频率的波形信号，波形信号经过驱动电路放大后传输给超声阵列模块的发射换能器，产生有助植物生长的超声波；同时，超声波阵列的接收换能器采集实际超声波信息，实测信号通过接收电路、处理电路传输给控制模块，控制模块根据该回馈信号调整输出进一步提高系统的控制精度。

图2是本发明的函数发生模块的电路原理图，所设计的函数发生器可以得到递增斜波、递减斜波、方波、三角波、正弦波及阶梯波等波形，这些波形的产生都是通过FPGA的核心芯片，各种运算都在FPGA中进行，直接输出选择的波形，其中通过plkz端口可进行对输入时钟进行分频，可以克服时钟频率过大的问题，同时也可以控制波形的周期。RESET是用于复位的，而SEL是用于波形的选择。通过fd端口可以对波形进行幅度调节，各个计数器单元可以使plkz，fd，sel的端口设置只需一个开关即可控制。通过了FPGA芯片和DAC0832就可以得到波形的输出，其中FPGA是函数发生器系统结构中的核心，从DAC0832输出的是电流，如要在DAC0832输出端输出电压，可以用一个运算放大器，对输出波形进行I/V转换，在放大器的输入端加一个可变电阻，即可得到所需幅值。

图3是本发明的驱动电路原理图，由函数发生模块产生波形信号,经过MOSFETIRF640和升压变压器TR功率放大后驱动超声换能器发射超声波。采用D2PAK封装的IRF640比现有的任何其他贴片封装，功率高，导通阻抗低,转换速率快，电阻R3是用来与超声换能器进行阻抗匹配的电阻。

图4是本发明的前置同相比例放大电路原理图，OPA2725芯片是一种低噪声高速度的CMOS双运算放大器集成电路，它具有两个通道，支持单电源供电，轨到输出。接收到的回波信号经过前置同相比例放大之后，能够较清晰的看出回波信号的幅度和包络。

图5是本发明的带通滤波电路原理图，由若干个超声换能器组成的超声相控阵发射出的超声波信号为球面波，前置放大电路会把在传播过程中带来的杂波和回波信号同时放大了好多倍，而这些噪声的存在将直接影响到系统探测的精度，又由于回波信号中的有用信号都集中在固定频段范围，因此对回波信号进行以超声波频率为中心频率的带通滤波是非常有必要的，系统采用美国MAXIM公司生产的一款8阶连续时间模拟集成有源滤波器MAX275，其内部包含有两个独立的二阶有源滤波电路，从电路可以看出MAX275能够同时进行低通滤波和带通滤波，也能通过级联的方式实现四阶有源带通滤波器。

图6是本发明的包络检波电路原理图，超声回波信号经过带通滤波后对回波信号进行包络检波。通过用示波器对接收到的超声波回波信号的波形进行观察，对同一个探测物体，即使回波传播的距离不同，接收到的回波波形都基本一样，有区别的只是回波信号的幅度不一样，也即是说，回波信号的包络线都有比较好的一致性即在工程精度条件下可以认为超声回波信号幅度的包络线形状基本不受回波信号的大小而改变，超声回波信号到达包络峰值的时间点和超声回波前沿到达的时间点之间的时间差不随超声波传播的距离不同而改变。对于回波信号到达包络峰值的时间点，本发明采用时延估计法完成对超声回波信号的处理，从而得到超声波发射电路从发送超声波到超声波接收电路接收到回波信号的时间间隔。与传统的阈值检测和微分过零检测相比，不仅简化了电路设计，而且还提高了超声相控阵自动测距系统的适应性和测距的精度。

图7是最小均方时延估计LMSTDE算法的原理框图，最小均方时延估计LMSTDE算法在低信噪比和低采样速率条件下的超声波测量是一种很常用的算法，本发明采用此算法对超声回波接收电路采集到的超声回波信号进行数字信号处理，从而可以得到从超声相控阵发射超声波信号到接收到的超声回波信号之间的时间间隔：参考信号是超声相控阵发射的超声波信号，在接收到的超声回波信号前加一个延迟时间，通过不断的调整延迟时间的大小，让经过LMS算法处理后的超声回波信号和参考信号之间的均方误差达到最小。经过调整后的这个延迟时间就是从超声相控阵发射超声波信号到接收到的超声回波信号之间的时间间隔。最小均方时延估计LMSTDE算法是一种性能比较稳定的时延估计算法，因为它无需要事先了解信道噪声的特性，也不用考虑接收到的超声回波信号波形的畸变问题。

必须指出，上述实施例只对本发明作出的一个非限定性举例说明。但本领域的技术人员会理解，在没有偏离本发明的宗旨和范围下，可以对本发明作出各种修改，替换和变更，这些修改、替换和变更仍属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征在于，包括超声阵列模块、接收电路、处理电路、驱动电路、函数发生模块、控制模块和植物工厂上位机，所述的植物工厂上位机将植物工厂内部的温度和光照信号传输给控制模块，所述的控制模块基于植物工厂的环境信息确定超声波能量发生及转换系统的工作状态，所述函数发生模块根据控制信号产生不同形状、不同频率的波形信号，波形信号经过驱动电路放大后传输给超声阵列模块的发射换能器，产生有助植物生长的超声波；同时，超声波阵列的接收换能器采集实际超声波信息，实测信号通过接收电路、处理电路传输给控制模块，控制模块根据该回馈信号调整输出进一步提高系统的控制精度。

2.一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征在于，系统的工作频率有4种：低频工作10KHz-100KHz、中频工作100KHz-1000KHz、高频工作1000KHz-10MHz、极高频工作10MHz-50MHz；系统的工作波形有7种：三角波、锯齿波、矩形波/方波、正弦波、递增斜波、递减斜波、阶梯波；系统根据植物工厂内不同的光照周期、环境温度和植物品种，确定最优的工作频率、工作时间以及工作波形。

3.一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征在于，该系统所使用的超声波阵列模块由22个超声波换能器按照一定规则构成，包括超声波发射阵列和超声波接收阵列；其中16个发射换能器呈4*4的2维矩形排列构成超声波发射阵列；另外4个接收换能器位于超声波阵列的中央位置，呈2*2的2维矩形排列构成超声波接收阵列；所述发射换能器和接收换能器均采用收发一体的、中心频率为50KHz的压电陶瓷超声换能器，负责完成超声信号的发送、超声回波信号的接收。

4.一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征在于，系统采用最小均方LMSTDE算法对超声回波接收电路采集到的超声回波信号进行数字信号处理，得到从超声相控阵发射超声波信号到接收到的超声回波信号之间的时间间隔；为防止发生换能器的余震干扰正常的回波检测，在超声相控阵停止发射超声波后需要延时0.5ms来消除超声波换能器探头的余震的影响。

5.根据权利要求1所述的一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征是所述控制模块从植物工厂上位机处接收植物工厂的温度、光照和菜品信息，由此确定最优的超声波工作波形、频率、工作时间以及幅值，同时，根据系统的实际测量反馈信号进行模糊PID控制，提高系统的控制精度；所述函数发生模块由FPGA和D/A转换芯片组成，各种运算都在FPGA芯片中进行，通过了FPGA芯片和D/A转换芯片可以得到波形的输出．其中FPGA是函数发生器系统结构中的核心，从D/A转换芯片输出的是电流，如要在D/A转换芯片输出端输出电压，可以用一个运算放大器，对输出波形进行I/V转换，并在放大器的输入端加一个可变电阻，即可得到所需幅值；所述的驱动电路由MOSFET和升压变压器TR功率放大后驱动超声换能器发射超声波。

6.根据权利要求1所述的一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征是所述接收电路由前置同相比例放大电路和带通滤波电路组成，所述前置同相比例放大电路采用同相比例放大器实现对回波小信号的线性放大；所述处理电路用于包络检测，由于超声波信号的包络线具有较好的一致性，因此对于回波信号到达包络峰值的时间点，系统采用时延估计法完成对超声回波信号的处理，从而得到超声波发射电路从发送超声波到超声波接收电路接收到回波信号的时间间隔。