CN108614082A - 一种植物蒸腾在线监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物蒸腾在线监测仪，包括气室、开发板、元器件、叶室和外壳；开发板固定连接在外壳内部，元器件包括电磁阀、气泵和设置于气室内部的温湿度传感器以及固定连接在外壳外表面的光照传感器，电磁阀、气泵和气室分别与开发板相固定连接；气室通过管路分别与气泵以及外部大气相连通，气泵通过管路与电磁阀相连通，电磁阀通过管路分别与叶室以及外部大气相连通；温湿度传感器用于检测通过气室的空气的湿度和温度；开发板上集成有wifi模块，wifi模块与服务器端建立通信连接，用于将温湿度传感器和光照传感器检测的数据发送给服务器端供服务器端进行分析；本发明的优点在于，可提高对植物蒸腾速率检测的准确度，实时监测，操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及植物蒸腾检测技术领域，具体涉及一种植物蒸腾在线监测仪。
背景技术
作物蒸发蒸腾量包括植株蒸腾量和棵间蒸发量两部分。植株蒸腾是指作物将根系从土壤中吸入体内的水分，通过叶气孔腔汽化，在叶—气系统水势差的驱动作用下扩散进入大气的过程。
现有的检测过程均需要对植物本体蒸腾产生的水蒸气进行采集，然后进行计算，现有计算作物蒸发蒸腾量的方法分为两种，一种是直接计算出作物蒸发蒸腾量，另一种是先计算参考作物蒸发蒸腾量，再计算实际的作物蒸发蒸腾量。
通常需要人工定期去记录检测结果，然后根据多个结果对植物的蒸腾速率进行计算，计算结果的准确度收到记录数据的频次影响，记录的时间间隔越长，计算结果的准确度越低，且人工记录的方式可能发生数据记录错误的情况，工作过程复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种植物蒸腾在线监测仪，用以提高对植物蒸腾速率检测的准确度，便于携带。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种植物蒸腾在线监测仪，包括外壳、气室、开发板、元器件和叶室；
开发板固定连接在外壳内部，气室固定连接在开发板上，元器件包括电磁阀、气泵和设置于气室内部的温湿度传感器，电磁阀、气泵和气室分别与开发板相固定连接；
气室通过管路分别与气泵以及外部大气相连通，气泵通过管路与电磁阀相连通，电磁阀通过管路分别与叶室以及外部大气相连通；电磁阀用于分别控制叶室与气泵相连通或外部大气与气泵相连通；
叶室上开设有小孔，叶室通过小孔与外部空气相连通；
温湿度传感器用于检测通过气室的空气的湿度和温度；
开发板上集成有wifi模块，wifi模块与服务器端建立通信连接，用于将温湿度传感器检测的数据发送给服务器端；
服务器端用于分析温湿度传感器检测的数据。
本发明进一步设置为：还包括固定连接在外壳外表面的光照传感器，用于检测外壳外部环境的光照强度。
本发明进一步设置为：所述叶室包括一对框体，框体相互拼合固定连接，框体相互远离的一面均固定连接有盖板，盖板和框体的内侧构成密闭的空间，盖板采用透明材质制成。
本发明进一步设置为：所述框体采用树脂材料制成。
本发明进一步设置为：两个所述框体相互靠近的一面固定连接有磁铁，框体由分别位于两个框体内侧的磁铁相互吸合拼接。
本发明进一步设置为：所述外壳包括盒体和盒盖，盒体与盒盖相互固定连接，盒体上开设有第一进气口，第一进气口通过管路与所述电磁阀相连接。
本发明进一步设置为：所述盒体上开设有出气口，出气口通过管路与所述气泵相连接。
本发明进一步设置为：所述管路为橡胶软管。
植物蒸腾速率的检测方法，其特征是，包括以下步骤：
S1：服务器端控制光照传感器和气泵工作；
S2：服务器端控制气泵工作；
S3：前20s电磁阀控制第一进气口打开，第二进气口关闭；
S4：气泵将外部空气吸入气室；
S5：温湿度传感器检测通过气室的气体的温度和湿度；
S6：后80s电磁阀控制第二进气口打开，第一进气口关闭；
S7：气泵将叶室内的空气吸入气室；
S8：温湿度传感器检测叶片温度和湿度；
S9：数据打包；
S10：wifi模块将打包数据发送给服务器端；
S11：服务器端分析检测数据并将分析结果通过显示器绘制成折线图或条形图以便于展示或由用户对数据进行分析并绘制折线图。
植物叶片蒸腾速率计算方法，其特征是：
参照饱和蒸汽水压力与温度转换的表拟合得出关系式，Y(饱和蒸汽水压力)＝0.0568*Ta(空气温度)3+0.6374*Ta2+51.166*Ta+610.8；
将得到的饱和蒸汽水压力换算为毫米汞柱，mmHg(毫米汞柱)＝Y*0.0075；
将毫米汞柱代入蒸腾公式求得蒸腾速率，E(蒸腾速率)＝289*mmHg*(RH叶(叶室内空气湿度)-RH空(空气湿度))/(Ta+273)*V(叶室容积)/A(叶片被夹住部分的面积)/S(测试时间)/18*1000。
本发明具有如下优点：
1、电磁阀可分别控制叶室与气室或外部空气与气室相连通，使得气量充足，来源独立，方便对比；
2、气路整体采用密闭，保证测试气测来源，提高测量精度；
3、服务器端可在线生成趋势图，方便使用者更清晰地看到数据的变化，并可手动下发指令使仪器工作，也可将数据下载到本地，方便使用者进行数据处理；网络平台简洁直观，定时定点推送数据，方便使用者第一时间看到植物所处环境变化及植物本身的状态，以便及时改善植物周围环境并对植物做出相应处理；
4、使用气泵进行气体交换，保证进气速率稳定，流速一定；
5、体积小巧，方便携带，防水设计，能应用于多种农业环境，硬件成本较低，性价比高，可以实时监测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是实施例1中体现开发板和元器件结构的示意图；
图3是图2中A-A的剖视图；
图4是实施例2中体现各元器件之间连接关系的示意图。
其中，
1、开发板；11、第一PCB板；12、第二PCB板；
2、元器件；21、气泵；22、电磁阀；23、光照传感器；
3、气室；
4、叶室；41、框体；411、第二进气口；42、盖板；43、磁铁；44、小孔；
5、气管；
6、外壳；61、盒体；611、第一进气口；612、出气口；62、盒盖。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种植物蒸腾在线监测仪，综合图1和图2，包括开发板1、元器件2、气室3、叶室4和外壳6，外壳6由盒体61和盒盖62相互盖合构成，盒体61与盒盖62之间通过紧固件可拆卸式固定连接。
开发板1包括第一PCB板11和第二PCB板12，第一PCB板11固定连接在盒体61内侧的底面上，元器件2包括分别与第一PCB板11相固定连接的气泵21、电磁阀22以及设置于器室3内部的温湿度传感器，气室3与第一PCB板11相固定连接。气室3通过橡胶软管(图中未画出)分别与气泵21以及外部大气相连通，气泵21通过橡胶软管与电磁阀22相连通，电磁阀22通过橡胶软管分别与叶室4以及外部大气相连通；电磁阀22用于分别控制叶室4与气泵21相连通或外部大气与气泵21相连通。气室3、气泵21以及电磁阀22之间的具体连接关系参见图4.
盒盖62远离盒体61的一面固定连接有光照传感器23，用于检测光照强度，以确定植物所在环境下光照的强度。
盒体61上开设有第一进气口611和出气口612，第一进气口611用于连接橡胶软管，使气室3内部空间与外部大气相连通。第一进气口611通过橡胶软管与电磁阀22相连接，电磁阀22可控制气泵21与叶室4之间的连通或关闭。出气口612通过橡胶软管与气室3相连接，气泵21可通过出气口612将气室3内的气体排出。
结合图3，叶室4包括一对矩形框结构的框体41，框体41相互拼合固定连接。框体41相互远离的一面均固定连接有盖板42，盖板42采用透明亚克力板制作(图1和图2中的盖板42视图均采用了透明的形式显示，以便于观察叶室4内部空间的结构)，框体41使用树脂材料制作，盖板42和框体41的内侧构成密闭的空间，工作时，叶片夹在叶室4内部空间中。框体41的侧面上开设有小孔44，外部空气从小孔44流入叶室4并流经过叶面进入第二进气口411，最终进入气室3。
框体41内侧开设有与内侧空间相连通的第二进气口411，框体41外侧固定连接有气管5，叶室4内部空间通过气管5与气室3相连通，使叶室4中的气体通过气管5流经电磁阀22，被气泵21抽到气室3中。
两个框体41相互靠近的一面均固定连接有磁铁43，磁铁43沿框体41均匀分布。以使得两个框体41对接后可以较为紧密的吸在一起，提高框体41之间贴合紧密程度，提高叶室4的密闭性。
温湿度传感器设置于气室3内部，用于检测气室3内部空气的温度和湿度。
第二PCB板12上集成有wifi模块(图中未画出)，用于将温湿度传感器检测数据发送到与之配套使用的服务器端或接收服务器端发出的执行命令(如气泵21运行或停止、电磁阀22打开或关闭)。
工作过程：将待检测植物的叶片夹在两个框体41之间，使叶片位于叶室4内部的空间中。wifi模块接收服务器端的指令，控制电磁阀22打开，第一进气口611与气室3之间相互连通，气泵21开始运行对第一进气口611进行抽气，将外部大气抽至气室3内，温湿度传感器检测气室3内空气的温度和湿度(此时为空气温湿度)，光照传感器23检测的光照强度数据。电磁阀22切换至气泵21与第一进气口611之间关闭，气泵21与第二进气口411之间连通，气泵21启动将叶室4中的空气吸入气室3，温湿度传感器检测气室3内的温度和湿度(此时为叶片温湿度)，光照传感器23检测的光照强度数据。传感器将检测的叶室4内的气体数据、外部空气数据以及光照强度数据记录在PCB板上集成的数据处理芯片中并打包通过wifi模块发送给服务器端进行处理分析。由于采用无线通信进行数据采集和分析，可替代人工记录数据，计算结果更准确，使用更方便，便于携带。
测试间隔为每10分钟一组，测试时长为100秒，其中空气温湿度的测试时长为20秒，叶室4空气温湿度的测试时长为80秒。在此测试频率及测试方法下，能够有效显示出被测植株一天的蒸腾速率变化趋势，及时了解到植物蒸腾状态。
在本设备中用到以下两个算法：
(1)饱和蒸汽水压力与摄氏度的转换公式：
Y＝0.0568*Ta3+0.6374*Ta2+51.166*Ta+610.8，此公式中Y为饱和蒸汽水压力，Ta为测试得到的空气温度(摄氏度)，此公式为参照饱和蒸汽水压力与温度转换的表拟合出来的多项式方程。
(2)蒸腾速率公式：
第一步将得到的饱和蒸汽水压力换算为毫米汞柱，
mmHg＝Y*0.0075，
第二步带入蒸腾公式求得蒸腾速率，
E＝289*mmHg*(RH叶-RH空)/(Ta+273)*V/A/S/18*1000，其中此公式中E为蒸腾速率，RH叶和RH空分别为设备测得的叶室4内空气湿度和空气湿度，V为叶室4容积，A为叶片被夹住部分的面积，S为测试时间，其余数字均是参数或者公式换算。
实施例2
植物蒸腾速率的检测方法，采用实施例1中的移动式在线蒸腾光合仪，结合图4，包括以下步骤：
S1：服务器端控制光照传感器23和气泵21工作；
S2：服务器端控制气泵21工作；
S3：前20s电磁阀22控制第一进气口611打开，第二进气口411关闭；
S4：气泵21将外部空气吸入气室3；
S5：温湿度传感器检测气室3内的温度和湿度；
S6：后80s电磁阀22控制第二进气口411打开，第一进气口611关闭；
S7：气泵21将叶室4内的空气吸入气室3；
S8：传感器检测叶片温度和湿度；
S9：数据打包；
S10：wifi模块将打包数据发送给服务器端；
S11：服务器端分析检测数据并将分析结果通过显示器绘制成折线图或条形图以便于展示或由用户对数据进行分析并绘制折线图。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种植物蒸腾在线监测仪，其特征是：包括外壳(6)、气室(3)、开发板(1)、元器件(2)和叶室(4)；
开发板(1)固定连接在外壳(6)内部，气室(3)固定连接在开发板(1)上，元器件(2)包括电磁阀(22)、气泵(21)和设置于气室(3)内部的温湿度传感器，电磁阀(22)、气泵(21)和气室(3)分别与开发板(1)相固定连接；
气室(3)通过管路分别与气泵(21)以及外部大气相连通，气泵(21)通过管路与电磁阀(22)相连通，电磁阀(22)通过管路分别与叶室(4)以及外部大气相连通；电磁阀(22)用于分别控制叶室(4)与气泵(21)相连通或外部大气与气泵(21)相连通；
叶室(4)上开设有小孔(44)，叶室(4)通过小孔(44)与外部空气相连通；
温湿度传感器用于检测通过气室(3)的空气的湿度和温度；
开发板(1)上集成有wifi模块，wifi模块与服务器端建立通信连接，用于将温湿度传感器检测的数据发送给服务器端；
服务器端用于分析温湿度传感器检测的数据。
2.根据权利要求1所述的一种植物蒸腾在线监测仪，其特征是：还包括固定连接在外壳(6)外表面的光照传感器(23)，用于检测外壳(6)外部环境的光照强度。
3.根据权利要求1所述的一种植物蒸腾在线监测仪，其特征是：所述叶室(4)包括一对框体(41)，框体(41)相互拼合固定连接，框体(41)相互远离的一面均固定连接有盖板(42)，盖板(42)和框体(41)的内侧构成密闭的空间，盖板(42)采用透明材质制成；框体(41)的侧面上开设有小孔(44)，叶室(4)通过小孔(44)与外部空气相连通。
4.根据权利要求3所述的一种植物蒸腾在线监测仪，其特征是：所述框体(41)采用树脂材料制成。
5.根据权利要求3所述的一种植物蒸腾在线监测仪，其特征是：两个所述框体(41)相互靠近的一面固定连接有磁铁(43)，框体(41)由分别位于两个框体(41)内侧的磁铁(43)相互吸合拼接。
6.根据权利要求1所述的一种植物蒸腾在线监测仪，其特征是：所述外壳(6)包括盒体(61)和盒盖(62)，盒体(61)与盒盖(62)相互固定连接，盒体(61)上开设有第一进气口(611)，第一进气口(611)通过管路与所述电磁阀(22)相连接。
7.根据权利要求6所述的一种植物蒸腾在线监测仪，其特征是：所述盒体(61)上开设有出气口(612)，出气口(612)通过管路与所述气泵(21)相连接。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种植物蒸腾在线监测仪，其特征是：所述管路为橡胶软管。
9.植物蒸腾速率的检测方法，其特征是，包括以下步骤：
S1：服务器端控制光照传感器(23)和气泵(21)工作；
S2：服务器端控制气泵(21)工作；
S3：前20s电磁阀(22)控制第一进气口(611)打开，第二进气口(411)关闭；
S4：气泵(21)将外部空气吸入气室(3)；
S5：温湿度传感器检测通过气室(3)的气体的温度和湿度；
S6：后80s电磁阀(22)控制第二进气口(411)打开，第一进气口(611)关闭；
S7：气泵(21)将叶室(4)内的空气吸入气室(3)；
S8：温湿度传感器检测叶片温度和湿度；
S9：数据打包；
S10：wifi模块将打包数据发送给服务器端；
S11：服务器端分析检测数据并将分析结果通过显示器绘制成折线图或条形图以便于展示或由用户对数据进行分析并绘制折线图。
10.植物叶片蒸腾速率计算方法，其特征是：
参照饱和蒸汽水压力与温度转换的表拟合得出关系式，Y(饱和蒸汽水压力)＝0.0568*Ta(空气温度)3+0.6374*Ta2+51.166*Ta+610.8；
将得到的饱和蒸汽水压力换算为毫米汞柱，mmHg(毫米汞柱)＝Y*0.0075；
将毫米汞柱代入蒸腾公式求得蒸腾速率，E(蒸腾速率)＝289*mmHg*(RH叶(叶室(4)内空气湿度)-RH空(空气湿度))/(Ta+273)*V(叶室(4)容积)/A(叶片被夹住部分的面积)/S(测试时间)/18*1000。
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