CN106030280A - 一种装置用于测量在植物组织中水势 - Google Patents

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Abstract

一种装置和系统，用于通过测量植物流体的渗透所引起的压力变化来测量在植物组织中之流体势。测量装置包括隔室具有刚性本体被配置来在其中容置渗压剂，其中，所述隔室具有至少一个开口；至少一个选择性屏障，像是至少一个膜定位覆盖在隔室的开口；以及至少一个压力传感器配置成检测在隔室内流体的压力变化。选择性屏障的位置系选择性地允许介于植物流体以及所述隔室中的渗压剂之间的水转移。隔室被配置来使介于植物流体和隔室中之渗压剂间通过选择性屏障而有直接接触。

Description

一种装置用于测量在植物组织中水势
【相关专利申请案参考】
本PCT申请主张2013年12月23日提交的美国临时专利申请号61/919,859优先权。其整个内容通过引用被并入本申请案中。
【技术领域】
本发明一般涉及装置，设备，检测器，系统和方法，用于测量在植物中水的势能(potential)，更具体地说，装置，设备，渗压计，系统和方法用于经由渗透压在植物中测量水势(potential)。
【背景技术】
在植物中水势是用于确定在活细胞中的水活性的关键的测量。在植物中测得水势以负幅度压力单位表示。植物水势由在根部的～-0.3范围兆帕，通过再茎部的～-1兆帕(兆-帕斯卡尔,Mega-Pascal)，和在树冠的～-2兆帕，朝向在大气的～-100兆帕。作为从高势能(potential)到低势能(potential)的水流，所以植物中水由土壤流到树根经茎部和树冠到大气中。植物水分中的势能(potential)的精确测量测是决定作物灌溉状态的关键信息。
作物中水分中的势能(potential)的连续监测，是测定精准农业的优化灌溉的关键因素。本发明的描述是使用基于传感器的渗透计来准确地追踪作物水势(potential)。
虽然连接测量装置进入木质部导管破坏土壤-植物-大气水连续，测量质外体(apoplastic)的可行性(细胞间组织间隙)由湿度测定磨蚀茎组织的水势是由麦氏(McBurney)和科斯蒂根Costigan)(1984)证明，以及所述仪器是由Dixon和泰里(Tyree)(1984)开发。这种方法现在是通过ICT国际澳大利亚(佚名，2013年)被商业化。本仪器限制其以科学应用的使用的严格操作要求，但所述装置不适合实际的耕作。新颖的MEMS装置用于水势测量，是由美国康奈尔(Cornell)大学在美国的临时专利申请号S/N 61/170,223,2009年,四月。PCT公开WO2010/121176A2，2010年10月。名称为“微流体木质部探测”，以及美国专利号No.8695407。此探针插入茎，并且经由气相测量，这在本质上是一个干湿的另一种实现。膜渗透压测定法是一种公知的方法中，(例如美国专利号4455864，1984年，英国1992年专利号GB32261513)。它包括一个半渗透膜分隔的两个腔室：密封的隔室填充有公知的渗透势溶液，并连接到压力传感器；另一个腔室包含具有未知渗透势的流体由于分子量和/或溶质浓度。由于只有水分子可以通过膜，将水从高水势流动到低水势。未知溶液的势，为从在密封室中的压力变化来计算。本发明将用渗透压计原理通过与树干汁液的传感器膜的紧密接触来测量在流体相中的茎水势。
美国专利号4,455,864公开了一种用于渗透压的直接测量的膜渗透压力计。渗透压力计包括压力测量室，用于接收纯溶剂中，样品腔室分离从其接收溶液进行测试，和一个半透膜接触的支承板是粗略渗透液体的，所述膜位于所述支撑板的邻近样品腔室的一侧，其中所述样品腔室包括，在其表面上最靠近膜，圆锥形环形表面，当所述样品腔室和压力测量室被组装对所述膜的两个表面面向样品腔室以及对压力测量室的内表面来按压的弹性密封环。
专利申请号EP0060447中公开了一种样本腔室，用于接收样品液体可被查于膜渗透压计中，膜渗透压计具有样品腔室开放于大气中，其特征在于，一个或多个孔或腔室的壁提供通道从外部通向样品腔室的内部，并开口出来在半透膜的自由部分的外边缘的附近。
专利申请号WO 2004/083829公开了一种膜渗透压计，其包括一个半渗透膜，所述半渗透膜的一侧是在与溶液接触以便的被量测，半渗透膜定位于测量细胞(cell)内，而所述半渗透膜另一侧与一溶液对接触进行分析。测量装置测量在测量细胞(cell)内或通过该膜的体积流动的压差。待分析的溶液含有结合于受体(receptors)的相对结合位点(opposing binding sites)的结合位点(abinding site)的分析物。半透膜是可渗透的分析物并且是不可渗透的受体(receptors)和配体(ligands)。期间在溶液中选择性地确定特定分析物的方法进行分析，分析物扩散，至少部分经由半透膜，离出待分析的溶液并进入测量细胞(cell)。结果是，待测量配体(ligands)，受体(receptors)和溶液内配体(ligand)复合物的变化的平衡被量测，从而在测量细胞(cell)内影响压力的变化，实现可由测量装置测量。
专利申请号WO 2004/083828公开了膜渗压计(osmometer)，其适合用于定量测定被分析物，其代表的高分子亲和力受体(receptor)的低分子量亲和配位体(ligands)的膜渗透计，以及用于定量测定这种类型的分析物的方法。本发明的方法提出了有竞争力的亲和分析的一个有利的形式。此方法的特征在于：本发明的膜渗透压计的半透膜被用作信号发生器和作为对介质相位(medium phase)的界面(interface)。本发明的感测膜渗透计内，半透膜位于感测液相和介质相位(medium phase)之间。根据本发明，不渗透亲和力受体和一个不渗透的竞争配位体(competitionligands)位于在感测(sensory)液相，并且该膜是可渗透的被分析物。根据本发明的不透亲和力键结配对(impermeable affinitybinding partner)的渗透分压(osmotic partial pressure)和或介于不透亲和力键结配对(the impermeable affinity binding partners)和一个网络液体(a network liquid)之间的亲和力键(the affinitybonds)的液压效应(hydraulic effect)被记录为分析物浓度的量度。
【发明内容】
根据本发明的方面，提供了一种装置，用于在植物组织中用于测量流体势(fluid potential)，其包括：(a)一隔室具有一刚性本体被配置来在其中容置渗压剂，所述隔室包括至少一开口；(b)至少一选择性屏障至少定位在所述隔室的所述至少一开口，用来选择性地允许介于植物流体以及所述隔室中的所述渗压剂之间的水转移；以及(c)至少一个压力传感器，被配置来检测在所述隔室中流体的压力的变化，所述变化与所述植物组织的所述水势相关联，其中，所述隔室被配置来使得介于所述植物流体和所述隔室中之所述渗压剂间通过所述至少一选择性屏障而有直接接触。
任选地，所述选择性屏障是膜。所述膜为反向渗透(reverseosmosis,RO)膜，正向渗透(forward osmosis,FO)膜或纳米过滤(nano filtration,NF)膜。
另外地或替代地，所述选择性屏障(无论是膜与否)覆盖所述隔室的至少部分的内壁，以覆盖所述隔室的所述至少一开口。
根据一些实施例，所述渗压剂为水吸收性水凝胶。所述渗压剂包括聚乙二醇(PolyEthyleneGlycol,PEG)。
根据上述任何实施例，所述至少一个压力传感器为：至少一个压电换能器传感器；至少一个应变量测传感器或其组合。
根据上述实施例的任何一个或多个的所述装置，其中所述隔室任选具有所涵盖的至少一个开口边缘的细长形状所述选择性屏障。
根据上述实施例的任何一个或多个的所述装置，可选的，还包括微处理器以及发射器被连接到所述至少一传感器用于读取，数字化，并由此发送传感器数据。
所述装置可任选地还包括至少一微机电系统(MicroElectro-Mechanical System,MEMS)包括所述压力传感器和所述数据处理器和发射器，其被嵌入在所述至少一微机电系统中。
根据上述实施例的任何一个的所述装置，其中，所述发送器被配置为无线发送：射频(RF)信号或红外线(IR)信号的其中一个。
根据上述实施例的任何一个的所述装置，其中所述传感器包括感测单元，和微处理器，其控制所述测量并转换由所述感测单元输出的模拟电压为与其相关的水势和转换所述水势为表示它们的数字信号，然后可以通过所述发射器发送所述数字信号。
根据一些实施例中，所述发射器被配置用于向本地区域的网状网络传送信号。用作中继站的数据转发到一个更远程中央单元，用于进一步处理和数据的呈现。
根据上述实施例的任何一个的所述装置，其中所述隔室被配置来通过所述植物组织的所述自由空间(“质外体”,"apoplast")来液压地连接到所述植物的维管导管(vascularconduit)，其中，被量测的所述流体势是通过所述维管导管(vascular conduit)传送的所述植物汁液水。所述维管导管是所述植物的木质部。
根据上述实施例的任何一个的所述装置，其中所述隔室形成一扁平形状形成空腔用于在其中包含所述渗压剂和单个开口，其中，所述至少一个选择性屏障位于所述开口之内侧或外侧以覆盖所述隔室的所述开口。
根据上述实施例的任何一个的所述装置，其中所述空腔中的所述流体势最初设置为较低于预期在所述植物组织来进行测量的所述最小的势(potentials)。
根据本发明的其它方面，提供一种用于量测在植物组织中流体势的方法，所述方法包括以下步骤：a)放置测量装置的至少一部分在所述植物内，使得它和所述植物组织创建起液压连续，所述测量装置包括隔室具有一开口，所述隔室其内含有渗压剂，至少一个压力传感器和至少一个选择性屏障定位在所述隔室的所述至少一个开口上，所述选择性屏障被配置为选择性地允许水从其间流过，同时阻止在所述植物流体的其他成分的流过；b)感测压力中的变化，所述压力变化是由于流体因渗透压的流动流进流出所述隔室所引起，而流体的流动是被产生来平衡所述植物组织流体以及在所述腔室中的所述渗压剂的所述化学势(chemicalpotential)；以及c)输出所述感测压力的数据指示，所述变化与所述植物组织的流体势相关。
可选地，还包括步骤：a)接收从所述传感器输出的数据；以及b)根据在每个给定的时间段内所述感测的压力，计算在所述植物中的所述流体势。
所述方法任选地还包括：发送由所述至少一个压力传感器输出之数据到处理单元，所述处理单元配置为进行与所述传感器输出数据相关联的所述流体势的计算。
另外地或备选地，所述测量装置放置在靠近所述植物的至少一个维管导管。
根据一些实施例中，测所述测量装置插入到所述植物的所述茎的所述质外体中。
根据本发明的其它方面，提供了一种系统，所述系统包括：a)多样性的测量装置，每个装置置入在所述植物群组的不同的植物的一位置中，其中每个装置和每个所述植物组织创建起液压连续，其中每个装置包括隔室具有至少一个开口配置成在其中容纳渗压剂，至少一个压力传感器，至少一个选择性屏障定位在所述隔室的所述至少一个开口上；以及b)中央单元配置为在即时从所有测量装置接收传感器数据以及基于与其相关联的所述传感器数据来计算所述组的每个植物的流体势。
可选地，所述中央单元还被配置为下述至少其中一个:a)计算在所述组和/或所述整个组的每个所述植物的至少一个条件，根据各植物的流体势；以及b)呈现每种植物和/或所述整组的被计算的至少一个条件。
做最后一种情况能包括:所述至少一个条件包括以下至少一项：灌溉条件；施肥条件。
可选地，其中所述中央单元包括用于接收传感器数据的至少一个接收器。所述接收器被配置为通过无线链接由多个所述装置的所述压力传感器来无线接收信号。
在一些实施例中，所述系统的每个测量装置的每个传感器包括包括感测单元，和微处理器，其控制所述测量并转换由所述感测单元输出的模拟电压为与其相关的水势和转换所述水势为表示它们的数字信号，然后可以通过所述发射器发送所述数字信号。所述发射器被配置于发射信号到所述中央单元经由基于局域网状网络的射频(RF)或红外线(IR)通信。
根据本发明的其它方面，提供了一种用于在植物组织测量流体势的装置，a)至少一个选择性屏障在其中包封渗压剂为选择性地允许在所述植物流体和其中的所述渗压剂之间的水转移，所述至少一个选择性屏障被配置为使得在所述植物的流体和其中的所述渗压剂之间有直接接触；以及b)至少一个压力传感器配置为在所述至少一个屏障中流体的压力的检测变化，所述变化与所述植物组织的所述流体势相关。
【附图说明】
图1A-1C示出，根据本发明的一个实施例的测量在植物组织内量测流体(水)势的测量装置：图1A示出的测量装置的立体图；图1B示出了测量装置的剖面图；和图图1C示出了测量装置的底视图。
图2A-2C示出了测量装置，用于在具有圆锥体上的植物组织内测量流体势，根据本发明的另一实施例：图2A示出的装置的分解图；图2B示出了装置的透视侧面图；图2C示出了透视升高视图的装置。
图3，根据本发明的一些实施例，示出一系统用于测量植物的组中的植物组织中的流体的势，通过远程数据采集中心，配置成用于接收传感器资料。
图4，根据本发明的另一个实施例，示出测量装用于在具有一个扁平的本体上的植物组织内，测量流体势。
图5，根据本发明的另一个实施例，示出了在具有由一个半球形盖覆盖扁平体的植物组织内，测量流体势。
图6，根据本发明的一些实施例，示出一系统，用于通过配置成用于接收来自多个测量装置的传感器数据的远程数据采集中心，测量一组植物的植物组织中的流体势。
图7，根据本发明的一些实施例，是过程的流程图，用于使用测量装置测量在植物组织中的流体势。
图8，根据本发明的一些实施例，是处理的流程图，用于分析使用统一的中央处理中心接收来自多个测量装置的数据的多个植物的状态。
图9A-9C，根据本发明的另一实施例，示出了测量装置用以测量在植物组织内流体(水)势：图9A示出的测量装置的立体图；图。图9B示出了测量装置的剖面图；和图9C示出的测量装置的底视图。
【具体实施方式】
在各种实施例的以下详细描述中，参阅了形成其一部分的附图，以及其中通过在其中可实施本发明图示的具体实施例的方式示出。可以理解，其他实施例可以被利用，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行结构改变。
本发明在其一些实施例中，提供了一种测量装置和一种方法用于测量流体势，即，提供一方法经由渗透压在植物质外体水势和包括多个这样的装置的系统，其能够监视和任选地也控制一种或更多组植物的的灌溉状态，其中，每个植物或某些植物已安装所述装置在其中。
根据一些实施例，测量装置被配置为被插入到植物的一部分，用于测量流体其中的势能(potential)。所述测定装置可以通过植物的一部分，如植物的茎，插入至切开的切口中，使得其接合植物的内部组织，用于测量其流体的势能(potential)。
所述测量装置可以包括(a)一本体配置成用于插入在植物的切口中，所述本体具有通过本体或其部分隔出的隔室，其配置为在其中包含渗压剂，其中所述隔室的本体是隆起的以及包括一个开口或多个开口允许渗压剂和植物流体之间的直接接触；(b)一种或更多选择性的屏障如一种膜其被定位至少覆盖在本体的开口，用于选择性地允许植物流体和在隔室中的渗压剂之间的传递；以及(c)一个或多个压力传感器，每个被配置为检测在隔室的流体的压力变化。
测量装置(也简称为“装置”)允许经由所述一个或更多的选择性屏障的植物流体和渗压剂之间的直接接触，并测量通过隔室内部的天然流体转移(渗透)所造成的的压力，所述天然流体转移(渗透)系发生以化学平衡流体的化学势(chemical potential)。根据在植物的组织水的流动的水势，水从选择性屏障(即，膜)的一侧流到另一侧。由于选择性渗压剂被封装在基本上邻接隔室的隆起体内，流体流动转换成封闭隔室内部的压力变化。测得的压力和其变化是直接相关于植物的水势，为其灌溉状态以及可能与其他环境影响相关的结果，从而使植物的水势能直接和精确地测量。
测量装置被插入在植物部分，例如植物的茎的新鲜的切口或孔中。切口的尺寸使得测量装置外壁或其中一些是在与植物的组织直接接触。测量装置的主体的外壁和所述植物的组织之间的接触，允许液体到其经由其选择性屏障流入渗压剂隔室，并从渗压剂隔室流出。盐和溶解于水中的其它有机材料不通过精细的选择性屏障。流体的流动方向由植物组织中的水势(potential)来确定，这取决于气候条件，灌溉和其它环境影响。这种水势(potential)是匹配于在选择性屏障后面的装置内的浓缩溶液(渗压剂)的恒定水势。
例如，灌溉后和在夜间，因为植物组织的水饱和，由此导致在植物组织的高水势(potential)。这样的高势能(potential)导致水流通过选择性屏障进入渗压剂隔室。因为渗压剂隔室的体积几乎固定，此是由于邻接渗压剂隔室之本体的刚性所致，所添加的水引起内部压力上升。当感应压力等于植物的水势和渗压剂的化学势(chemical potential)之间的差，水渗透流被暂停。白天，因为经由它的叶植物损失水，茎内的水势下降，导致水流出渗压剂隔室。这样的流动减小了隔室内部的压力。
在渗压剂隔室内部的压力变化由定位在所述腔内部或外部的压力传感器来测量，其中溶液(渗压剂)被测得在渗压剂隔室中的压力，是直接相关于植物水势。
所述水势因此是从压力传感器的输出或使用嵌入在测量装置中的处理器被推导(例如通过使用具有传感器和嵌入其中的所述处理器的微机电系统(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)，或由传感器输出发送到远程位置，以在那里进行处理。
根据一些实施例，微机电系统(Micro Electro-MechanicalSystem,MEMS)传感器包括感测单元和一微处理器，其控制所述测量并转换由感测单元输出之与其水势相关的模拟电压。水势(potential)然后被格式化为表示它们的数字信号(digital signal)，其可以经由所述发射器发送。在其他实施例中，传感器不包括处理器，而是所述装置之一外部部分，其通过导线或其它通信装置连接所述装置。在这种情况下，发射器还可以是嵌入或连接到所述处理器的装置的盖子外部的部分。例如，在将装置设计成被插入到植物茎的情况下，处理器和发射器是位于所述茎的外部。
根据本发明的一些实施例中，测量装置的渗压剂隔室中的渗透势(osmotic potential)设置为低于被测定预期在植物组织的最小势能(potential)。
渗压剂可以是任何流体，如液体溶液或凝胶，它允许基于势能(potential)梯度渗透，诸如水吸收性水凝胶，即，Praestol 2500聚酰胺(polyamide)或液体溶液，即，聚乙二醇(PolyEthyleneGlycol,PEG)，或任何其他在本领域公知的材料。根据他们的水势范围，不同的植物类型可能需要不同的渗透剂或不同的渗透剂浓度。即，在水果充盈的苹果树，需-1.2兆帕(Mega-Pascal,MPa)的最低量，或者在收成前的葡萄藤是-2.0兆帕(Mega-Pascal,MPa)。
现在参考图1A-1C，它图示测量装置10的示意图，用于在根据本发明的一些实施例的植物组织中，测量流体(水)的势能(potential)。根据这些实施例中，装置10包括壳体11由两个外壳部件11a和11b组成，其可经由诸如螺丝13a和13b的连接组件相连接。下侧的外壳部件11b其内具有隔室12，其中渗压剂可以置入。隔室12具有一个上侧的开口，在开口上是被放置膜选择性屏障15，其是由一隆起支撑体16固持(参见图1B和1C)。装置10还包括连接到下侧的外壳部件11b的微机电系统传感器单元18。微机电系统传感器单元18被放置在隔室12的上部的开口，从而密封所述开口。隔室12的制成是通过创建穿过外壳部件11b的细长孔以及通过填充材料密封隔室12周围密封隔室12，创建一个填充层17，在其内形成空腔，该空腔为该隔室。该隔室12大致为隆起的以形成一隆起的隔室主体。
微机电系统传感器单元18，可以包括压力传感器和任选一个处理器和任选连接到配线(wiring)，该配线可以通过壳体11的一指定的配线管14来被插入。可替代地，处理器连接到一个发射器，用于与压力传感器进行无线通信，压力传感器位于植物内，以允许将处理单元置放在测量装置10壳体11的外侧，保持装置10或其部分被设计为尽可能紧凑的被插入到植物(即，植物的茎)。
测量装置10或至少壳体11其配置为被插入到植物的小切口中，以允许在隔室12的渗压剂与植物流体之间的自由和直接水流。
根据一些实施例中，可选择膜15被设计成允许植物的唯一汁液水进入隔室，以防止其他非水材料通过面向植物组织的隔室外侧进入面向腔室12和在其中之渗压剂之隔室内侧。
其他的压力传感器可以用于量测在隔室12中压力的改变，来量测(推导)在每个预定时间内被量测的植物组织的水势。压力测量可以在预定时限(timeframe)内由传感器连续地或频繁(如每一个或多个秒钟或几分钟)被完成。传感器数据可以在一处理器进行分析，该处理器系连接至该远方的传感器，该传感器具有或连接至一个发射器。该分析可以包括推导在植物水势时间的压力变化，在每个预定的时间范围(timeframe)和类似方式，来推导植物的灌溉状态。这个信息可以用一呈现装置来呈现，诸如屏幕(screen)连接或通信连接测量装置，因此允许使用者依此灌溉植物。
现在参考图2A-2C，根据本发明的一些实施例，其图示的测量装置100，用于在植物组织中测量流体的势。该装置100包括：(i)由三片构成的隆起主体110：具有锥形形状的多孔包封构件111，第一密封112用于密封包封构件111的一开口，和盖子113配置成用于封闭锥形包封构件111的另一开口。隆起主体110形成多孔质隔室配置成容置渗压剂在其内；(ii)一种选择性屏障120，它可以是反向渗透(reverse osmosis,RO)膜，正向渗透(forward osmosis,FO)膜或纳米过滤(nano filtration,NF)膜，或本领域公知任何其它选择层中，从其内覆盖包封构件111的壁；以及(iii)微机电系统单元150包括至少一个压力传感器，以及任选的处理器，以及无线发射器嵌入其中，或外部地和其连接，如一个射频(RF)发射器被配置用于无线发射射频(RF)信号，或红外線(IR)光发射器，被配置用于发送红外線(IR)信号。
如图2A和2C所示，盖113包括一个帽盖115和细长件114配置成用于插入到包封件111的孔中，形成一空间，其在此作为隔室的“空腔”，其位于选择性屏障120的内壁与本体110内的细长构件114之间，渗压剂置入空腔中。
一旦装置100被插入到在植物中的切口中，例如在树茎或其他植物茎的切口中，此时可有一个在主体110的隔室的渗压剂以及植物流体之间的直接接触，该直接接触是经由在多孔包封构件111之穿孔和经由选择性屏障120所达成。
选择性屏障120被设计为仅允许汁液水的通道进入隔室腔内防止污染材料穿过。流体的通道通过选择性屏障120以及包封构件111的穿孔，是根据位于隔室外侧的植物流体以及隔室内的渗压剂之间的势梯度(potential gradient)来平衡它们。在本体110的隔室内部的压力的变化是由一个微机电系统(MicroElectro-Mechanical System,MEMS)传感器150来量测，并且在每个给定时间段(time frame)中的流体势从传感器数据推导出。装处理器的树表面通过导线153a，153b和153c接收传感器信号，并且被配置为从所述传感器接收数据并进行处理，用于计算装置的流体势变化或用于经由它的无线发射器发送所述传感器数据到远程单元，直到其将处理和分析的传感器数据用于推导与植物水势相关联的各种参数，例如在每个给定的时间段(timeframe)，随着时间的推移的它们的变化，这是指示灌溉和/或其它植物水势的条件。
如图2A和2C中所示，所述盖115包括一个凹槽117用于在其中放置平台151，所述微机电系统传感器150被附接至所述平台151。在这个特殊的例子中，传感器是在渗压剂的外部。但在其它实施例中，传感器的探针可以被插入到空腔中，或传感器中(微机电系统以外)，或者可以附着在空腔的内侧壁上。
图3示出，根据本发明的一些实施例，一系统，用于通过配置成从多个测量装置100的压力传感器接收数据的远程集中器单元51来测量一组植物的植物组织中的流体势。压力传感器151经由模拟前端(AFE)152藉由线153a，153b和153c连接到微机电系统(传感器150的微控制器154，其中经由模拟前端(AFE)152为负责提取以及调理与模拟信号转换成数字数据的电子组件，其由电池153供电，其中微控制器154连接到无线发射器155，用于发送传感器数据或由此所推断的数据，使得经由无线通信网络可给每个给定的时刻或时间段(timeframe)的流体势至远程集中器单元51，例如通过基于通信链路(communication link)91的射频(RF)。集中器单元51通过链路91从一组具有发射传感器的树木来接收传感器数据，并重新发送数据通过有线或无线装置，即，封包无线服务技术(GeneralPacket Radio Service，GPRS)调制解调器(modems)到互联网(Internet)。
图4示出根据本发明的另一个实施例之测量装置200，用于量测植物组织内流体的势，该装置具有一个扁平的本体。在这种情况下，测量装置200具有一个扁平矩形形状，具有形成空腔于其中的隔室210，所述渗压剂30置入于空腔中。隔室210具有一个由一屏障240所界定之开口211，其中有两层体系位在该开口211之外且覆盖该开口：第一个是选择性膜220的屏障被放置在开口上，以及第二是刚性多孔垫230层叠在膜220上，植物的流体处于经由屏障220和230与隔室210中的渗压剂连续接触，以确保只有植物流体的汁液水可进入隔室210中。
根据一些实施例，位于隔室210上方的绝对压力传感器250感测在其中的压力，其中压力是由相应于植物流体与渗压剂之间的流体势梯度而通过其开口211的流入或流出隔室210的流体所导致。
图5示出了根据本发明的另一个实施例，具有由半球形盖360保护的扁平体310的测量装置300，来测量在植物组织中的流体势。装置300本体310包围的隔室320，在其中具有隆起壁，在其中形成空腔，所述渗压剂位于空腔中。隔室320具有一个开口321，其是由外部两个选择性屏障覆盖：一个膜331和多孔垫332，用于允许通过由膜障331和多孔垫332在植物的流体和渗压剂之间的连续接触。微机电系统传感器350定位在隔室320上，用于量测其内压力，以及通过电连接器连接到印刷电路板(PCB)340。是植物的流体和渗压剂之间连续接触的多孔垫332定位在隔室320，用于在其中测量压力和通过电连接器连接到印刷电路板(PCB)340。测量装置300的整体形状将是一个半球形，配置成插入在植物之植物茎或其他部分的一个相应的半球形开口的切口中。
所有类型的测量装置如装置100，200和300可以被配置用于测量来自的维管导管的植物流，如植物茎木质部和/或来自植物的其他部分。测量装置的相同的设计可以是能够测量在各类植物，并在各种类型的植物类型或部件的流体势。这要求具有渗压剂在其中的隔室内部的初始压力，将适合具体的植物类型，其被量测是取决于它的平均公知中，例如在过度灌溉和和下灌溉条件下的最低和/或最高的势。这种已知的压力范围或阈值取决于装置本身的各种因素，诸如隔室的壁的刚性和尺寸，选择性屏障孔密度，具体渗压剂的一致性和类型等。
在一个例子中，测量装置被配置用于在树干的木质部测量水势，因此切口被制成树茎到达非常接近木质部(没有伤害到它们)来放置装置在其中。
图6示出根据本发明的一些实施例，系统600用于通过配置成用于经由集中器单元630接收的传感器数据的远程中央单元610，来监视和测量在一组植物的维管导管诸如树木10a-10d的流体势，该远程中央单元610从多个测量装置，如测量装置60a-60d接收数据，每个测量装置插入树木10a-10b的树茎中的一个中。
每一棵树10a-10d的每个测量装置60a-60d中配置为从它的传感器发送数据或处理过的数据，该发送是经由一个或多个无线通信链路，如通过一个射频链路(RF link)93来到中央单元610，其中在中央单元610处此数据被积累和处理。
根据一些实施例，集中器单元630被配置用于浓缩从所有的测量装置60a-60d经由数据传输接收的信息，以及发送这些数据，及任选地与其相关联的附加数据通过云网络97通过集中器630到远程位于中央单元610。中央单元630包括一个云网络发射器631和一个本地网状网络接收器632，使用短程的本地网络95，诸如例如无线通信链路，即，无线网络(Wi-Fi)，紫蜂(Zig-Bee)等等来接收测量装置的数据，。
根据一些实施例，如图5所示，中央单元610包括一个或多个接收模块，如接收模块611用于从集中器单元的发送器631接收数据，其可以是他们的压力传感器数据或与其相关的数据，例如所测量的水势在相对于特定时间段(timeframe)(从传感器数据计算出的)；以及处理模块612用于处理和分析例如接收到的传感器/传感器相关的数据，用于识别每个树10a-10d在时间上的水势变化，和/或用于识别树10a-10d的整体状况，以允许控制灌溉和其它可能的影响过程，如确定要添加肥料的量和类型以及施肥和灌溉等的计划或其它类似的东西。
系统600可以优化灌溉以及其他工序等等以在水和其他物质的准确所需量下，得到最好的作物，该所须量为在从系统600监控的这些植物，想要健康和最佳生长和产量所必需的。
系统600可以包括软件和硬件模块能够处理数据和可选地也可以包括一个或多个呈现装置由呈现模块613控制用于呈现分析结果和/或接收数据的信息。
系统600可被设计为用来监视各类植物中各种测量装置，以便它可以适于监测不同的植物组(不同的作物和其田地)。
根据一些实施例，为了确定所述组中的植物的灌溉条件，系统600的处理模块612系可操作经由一个或多个计算机处理器612来被编程，以比较传感器中的压力相应到低灌溉条件的一个预定的下阈值压力，以及正被监视的特定植物类型的相应到过度灌溉条件的上部压力阈值。为使系统600适应于一组不同的植物类型的，管理员可能需要改变下和上阈值的值，例如在0.8至1.2兆帕(MPa)(负)茎水势在苹果树为最佳范围。
根据一些实施例，如图6所示，中央单元610还可以包括灌溉控制模块614配置用于操作和控制灌溉装置620，其可以是系统600的一部分或从中分离的一部分。灌溉模块614还被配置用于依据随着时间的推移测量到的流体势，确定灌溉计划和其时间跨度来灌溉对照组的植物10a-10b，例如，通过确定灌溉量和日程表。灌溉模块还可以提供计划其他相关的处理，例如为施肥日程和量，肥料类型，确定是否农作物应由盖加以保护，消毒，再植等等。在其他实施例，灌溉模块614简单地呈现了这些计划，并不控制实际自动灌溉装置。
中央单元610还可以包括或可以访问一个或多个数据库如中心数据库617，用于存储所接收的和分析的数据以及与其等相关联的信息，如日期，当天的每次测量相关联的时间等等。
根据一些实施例，如图6所示，中央单元610可以被配置为允许访问一个或多个远程用户装置，诸如具有设计应用操作的用户装置，从而通过在应用界面620中的特别展示模块621来观看数据，诸如相关联的测量的势(potentials)和/或灌溉状态和/或灌溉计划。所述应用任选地还提供了一种决策支持模块622用于允许用户远程控制灌溉。应用程序也可以使通过数据检索中央单元610的数据库617进行查询。
图7是一个根据本发明的一些实施例的方法的流程图，测量在植物组织中流体势，使用测量装置在其中具有至少一个开口的隆起隔室，隔室中具有渗压剂，至少一个选择性屏障覆盖所述隔室的一个或多个开口，以及压力的传感器。
所述方法包括在所需位置，如在植物的茎使植物内形成切口，和在其中插入测量装置71；使用该装置的压力传感器72感测在隔室中的渗压剂，其中所述传感器数据是在每个给定的时间段(timeframe)内连续地或离散地输出73，传感器数据可被通过作为具有接收器和发射器做为中继站的集中器单元接收，然后由集中器单元发送到远程单元，通过基于通信链路的云网的传感器数据进一步处理74。
图8是根据本发明的一些实施例的方法的流程图，使用统一的中央处理中心，从多个测量装置接受数据的多个植物状态的处理的流程图。该方法首先包含来自多个测量装置接收传感器数据，每个安装在相同的植物群的一个不同的植物被监测81，其中数据可以指示具体植物的特性，和所感测的压力或与其另一参数相关联的。该数据可以经由无线通信链路被发送，例如经由嵌入在测量装置或与其连接的发射器RF通信。
接收到的数据，其接着是被处理以计算每一植物的个体状况，如灌溉状态或从压力推导或相关联状态，并且计算出的各植物的流体势82，然后计算出的灌溉状态被呈现83。任选的被监视的所有的组的植物的总体灌溉状态，其是可被计算84以用于确定植物状态的原因84。一个或多个控制计划然后被计算，并通过系统计算机装置被自动设计，例如用于灌溉在组中的所有的植物或单独地每个植物85，所述计划方案通过所述系统的呈现装置然后被呈现85，以允被许授权人查看和控制灌溉或相应的影响植物的生长等因素。另外地或替代地，通过自动灌溉装置，控制可以自动地完成，例如87，任选地灌溉计划包括调度灌溉可以被下载到控制器，用于根据在灌溉计划调度控制植物组的灌溉。
现在参考图9A-9C所示，其显示根据本发明的其他实施例的测量装置120，用来在植物组织中测量流体(水)势。根据这些实施例，装置20包括壳体21，是由两个外壳部件21a和21b的制成，经由连接件例如螺钉连接或卡扣连接。下侧的外壳部件具有隔室在其中，其中渗压剂可以置入。内隔室22具有一个上开口，膜选择性屏障25被放置在上开口上，并由多孔隆起支撑体26固持(参见图9B和9C)。装置20还包括微机电系统传感器单元28连接到下外壳部件21b上。微机电系统传感器单元28被放置在隔室22的上部开口，从而密封该开口。隔室22是通过创建穿过外壳部件21b的细长孔并密封该腔室22。隔室22的壁基本上是隆起的形成隆起的隔室本体。
微机电系统传感器单元28可以包括压力传感器和任选一个处理器和任选连接到配线，该配线可经由所述壳体21的配线管(wiring tube)来被插入。可替代地，处理器连接到一个发射器，用于与压力传感器进行无线通信，该压力传感器位在植物内，以允许将所述处理单元位于测量设备20外壳21之外，使得被设计来插入植物(例如植物的茎)的测量设备20或其一部分，其被保持尽可能紧凑。
测量装置20或至少外壳21其构造为被插入到植物的小切口，以允许在隔室22和植物流体渗压剂之间自由和直接水流。
根据一些实施方案中，选择膜25被设计成允许植物的唯一汁液水进入隔室以防止其他非水材料从通过其外侧面向植物组织成其内侧面向室22和渗透调节物质在其中。
测量装置的其他结构可实施组合，例如，如上所示该设备的各种部件。例如，测量传感器可以实施为圆锥形测量装置，而不是以微机电系统传感器来实现。各种类型的传感器可以用于装置不同构造的隔室和各种构造，类型和选择性的一种或多种屏障。
根据本发明的其他实施方案中，测量装置简单地包括一个或多个选择性屏障完全包封渗压剂在其中，如多孔隆起主体和/或具有隔室的没有完全密封的部分中的隆起膜。事实上隔室主体为含有渗压剂在其中，形成一个空腔的选择性屏障本身。传感器位于内部或在选择性屏障隔室上以用于感测在其中压力的变化。
许多变化和修改可以由本领域中的普通技术人员可以作出，而不脱离本发明的精神和范围。因此，必须理解，所说明的实施例已仅出于示例的目的，并且不应将其视为限制由以下发明及其各种实施方案和/或由以下权利要求限定的本发明中阐明。例如，尽管权利要求的元素如下所述在特定组合的事实，必须明确地理解，本发明包括更少，更多或不同的元素，这是在上面公开的其他组合，即使最初未权利在这样的组合。教学这两个组件中要求保护的组合结合是进一步被理解为也允许所要求的组合，其中两个组件没有彼此结合，而是可以单独使用或联合其它组合。本发明的任何公开的组件的切除明确预期在本发明的范围之内。
在本说明书中使用的词语来描述本发明及其各种实施例不仅在它们的通常定义的含义的意义上被理解，同时包含在本说明书结构，材料或动作通常定义的含义以外的范围的特别定义。因此，如果一个元素可以在本说明书的上下文中应被理解为包括多于一个含义，那么其在权利要求中的使用必须被理解为是通用于由说明书和词语本身支持的所有可能含义。
因此，词语或下列权利要求书的元素的定义，在本说明书中定义为不仅包括在其中字面上阐述的元素的组合，但所有等同结构，材料或动作，用于执行基本相同的功能在基本相同的方式，以获得基本上相同的结果。在这个意义上它因此预期的是，两个或多个组件的等同替换可以用于以下或者单个组件可被取代为权利要求中的两个或更多个组件的权利要求书的要素中的任何一个制成。尽管组件可以如上面以特定组合，甚至最初主张如此进行描述，但是要清楚地理解，来自要求保护的组合的一个或多个组件在一些情况下从该组合中切除，并且所要求保护的组合可以针对到一个子组合的子组合或变化。
如本领域普通技术人员认知对于现在已知的或以后设计从要求保护的主题非实质性的改变，其是被认为等同于权利要求书的范围内。因此，现在或以后已知的本领域的普通技术人员显而易见的替换被限定为所定义的要素的范围内。
权利要求因而被理解为包括具体图示和以上描述的内容，概念等效的内容，可以明显地被取代的内容，及基本上结合了本发明的基本想法的内容。
虽然本发明已详细描述，但改变和修改，不脱离本发明的教导出发，将是显而易见的对那些熟练的技术人员。这些变化和修改都被认为落在本发明和所附权利要求的范围之内。

Claims (30)

1.一种在植物组织中用于测量流体势(fluid potential)的装置，其特征在于，所述装置包括：
a)一隔室具有一刚性本体被配置来在其中容置渗压剂，所述隔室包括至少一开口；
b)至少一选择性屏障至少定位在所述隔室的所述至少一开口，用来选择性地允许介于植物流体以及所述隔室中的所述渗压剂之间的水转移；以及
c)至少一个压力传感器，被配置来检测在所述隔室中流体的压力的变化，所述变化与所述植物组织的所述水势相关联，
其中，所述隔室被配置来使得介于所述植物流体和所述隔室中之所述渗压剂间通过所述至少一选择性屏障而有直接接触。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述选择性屏障是膜。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述膜为反向渗透(reverse osmosis,RO)膜，正向渗透(forward osmosis,FO)膜或纳米过滤(nano filtration,NF)膜。
4.根据权利要求1至3中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述选择性屏障覆盖所述隔室的至少部分的内壁，以覆盖所述隔室的所述至少一开口。
5.根据任何权利要求1至4中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述渗压剂为水吸收性水凝胶。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述渗压剂包括聚乙二醇(PolyEthyleneGlycol,PEG)。
7.根据个权利要求1至6中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述至少一个压力传感器为：至少一个压电换能器传感器；至少一个应变量测传感器或其组合。
8.根据权利要求求1至7中的任一项所述的装置，其特征在于，所述隔室具有细长形状，其具有由所述选择性屏障覆盖的至少一个开口边缘。
9.根据权利要求1至8中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，还包括微处理器以及发射器被连接到所述至少一传感器用于读取，数字化，并由此发送传感器数据。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括至少一微机电系统(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)包括所述压力传感器和所述数据处理器和发射器，其被嵌入在所述至少一微机电系统中。
11.根据任权利要求8至10中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述发送器被配置为无线发送：射频(RF)信号或红外线(IR)信号的其中一个。
12.根据权利要求1至11中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述传感器包括感测单元，和微处理器，其控制所述测量并转换由所述感测单元输出的模拟电压为与其相关的水势和转换所述水势为表示它们的数字信号，然后可以通过所述发射器发送所述数字信号。
13.根据权利要求9中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述发射器被配置用于向本地区域的网状网络传送信号。
14.根据权利要求1至13中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述隔室被配置来通过所述植物组织的所述自由空间(“质外体”,"apoplast")来液压地连接到所述植物的维管导管(vascular conduit)，其中，被量测的所述流体势是通过所述维管导管(vascular conduit)传送的所述植物汁液水。
15.根据权利要求14中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述维管导管是所述植物的木质部。
16.根据权利要求1至3,5至7和9至15中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述隔室形成一扁平形状形成空腔用于在其中包含所述渗压剂和单个开口，其中，所述至少一个选择性屏障位于所述开口之内侧或外侧以覆盖所述隔室的所述开口。
17.根据权利要求1至16中任何一项或多项所述的装置，其特征在于，所述空腔中的所述流体势最初设置为较低于预期在所述植物组织来进行测量的所述最小的势(potentials)。
18.一种用于量测在植物组织中流体势的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)放置测量装置的至少一部分在所述植物内，使得它和所述植物组织创建起液压连续，所述测量装置包括隔室具有一开口，所述隔室其内含有渗压剂，至少一个压力传感器和至少一个选择性屏障定位在所述隔室的所述至少一个开口上，所述选择性屏障被配置为选择性地允许水从其间流过，同时阻止在所述植物流体的其他成分的流过；
b)感测压力中的变化，所述压力变化是由于流体因渗透压的流动流进流出所述隔室所引起，而流体的流动是被产生来平衡所述植物组织流体以及在所述腔室中的所述渗压剂的所述化学势(chemical potential)；以及
c)输出所述感测压力的数据指示，所述变化与所述植物组织的流体势相关。
19.根据权利要求18的所述的方法，其特征在于，还包括步骤：
a)接收从所述传感器输出的数据；以及b)根据在每个给定的时间段内所述感测的压力，计算在所述植物中的所述流体势。
20.根据权利要求19的所述的方法，其特征在于，还包括：发送由所述至少一个压力传感器输出之数据到处理单元，所述处理单元配置为进行与所述传感器输出数据相关联的所述流体势的计算。
21.根据权利要求18至20中任何一项或多项所述的方法，其特征在于，所述测量装置放置在靠近所述植物的至少一个维管导管。
22.根据权利要求18至21中任何一项或多项所述的方法，其特征在于，所述测量装置插入到所述植物的所述茎的所述质外体中。
23.一种用于测量一组植物中流体势的系统，其特征在于，所述系统包括：
a)多样性的测量装置，每个装置置入在所述植物群组的不同的植物的一位置中，其中每个装置和每个所述植物组织创建起液压连续，其中每个装置包括隔室具有至少一个开口配置成在其中容纳渗压剂，至少一个压力传感器，至少一个选择性屏障定位在所述隔室的所述至少一个开口上；以及
b)中央单元配置为在即时从所有测量装置接收传感器数据以及基于与其相关联的所述传感器数据来计算所述组的每个植物的流体势。
24.根据权利要求23中所述的系统，其特征在于，所述中央单元还被配置为下述至少其中一个:
a)计算在所述组和/或所述整个组的每个所述植物的至少一个条件，根据各植物的流体势；以及
b)呈现每种植物和/或所述整组的被计算的至少一个条件。
25.根据权利要求24中所述的系统，其特征在于，所述至少一个条件包括以下至少一项：灌溉条件；施肥条件。
26.根据权利要求23至25中任何一项或多项所述的系统，其特征在于，其中所述中央单元包括用于接收传感器数据的至少一个接收器。
27.根据权利要求26中所述的系统，其特征在于，所述接收器被配置为通过无线链接由多个所述装置的所述压力传感器来无线接收信号。
28.根据权利要求27中所述的系统，其特征在于，所述系统的每个测量装置的每个传感器包括包括感测单元，和微处理器，其控制所述测量并转换由所述感测单元输出的模拟电压为与其相关的水势和转换所述水势为表示它们的数字信号，然后可以通过所述发射器发送所述数字信号。
29.根据权利要求28中所述的系统，其特征在于，所述发射器被配置于发射信号到所述中央单元经由基于局域网状网络的射频(RF)或红外线(IR)通信。
30.一种用于在植物组织测量流体势的装置，其特征在于，所述装置包括：
a)至少一个选择性屏障在其中包封渗压剂为选择性地允许在所述植物流体和其中的所述渗压剂之间的水转移，所述至少一个选择性屏障被配置为使得在所述植物的流体和其中的所述渗压剂之间有直接接触；以及
b)至少一个压力传感器配置为在所述至少一个屏障中流体的压力的检测变化，所述变化与所述植物组织的所述流体势相关。
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