CN110568020A - 植物液流监测装置及方法 - Google Patents

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张菊
高健
李博
李绍稳
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Abstract

本发明实施例提供一种植物液流监测装置及方法，属于植物生理监测技术领域。通过经恒流源加热的TDP探针受植物液流影响产生电压差，主控模块经过运算得出液流量，然后将数据存储、远程通信和显示，并在监测到输入电源的输出电压小于预设工作电压时，向手机端发送警报信息。相对于相关技术更加小巧便携。与此同时，由于使用了低噪声、高增益、精密放大电路，从而减少了体积，降低了价格；采用SD卡存储和远程无线发送两种数据读取方案，兼顾解决偏远密林通信困难与及时获取监测数据的矛盾；采用太阳能电池板+蓄电池供电模式，摆脱了市电限制。植物液流的监测方法通过迭代寻找电压最大值，代入公式可以立即得出液流量，减少后续分析的工作量。

Description

植物液流监测装置及方法
技术领域
本发明涉及植物生理监测技术领域，尤其涉及一种植物液流监测装置及方法。
背景技术
植物液流(Sap Flow)量的测定一直是植物水分生理研究的核心。在相关技术中，监测方法主要有热脉冲、热扩散和热补偿，其中由于热扩散法(TDP)具有基本保持植物自然生长条件和正常生长状况、可以连续测定植物液流的优点而被广泛使用。根据热扩散原理制成的热扩散液流计是由两根探针组成，上探针恒定连续加热，内含加热元件和热电偶，下探针作为参考端，只有热电偶。通过测定两根探针在植物边材中温度差产生的电压差计算液流量。目前市面上探测植物液流的仪器和方法，分为商业化仪器和探针+恒流加热+数采仪组合的模块化仪器，一般需要市电供应仪器工作，而野外供电困难；仪器较少配备无线通信模块，用户无法实时了解仪器的工作状况；仪器体积大、成本高、不利于规模化使用；同时仪器只获得、存储探针间的电压值，需要先导出数据再转换成液流量。因此，需要对现有的监测装置及方法进行改进。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的植物液流监测装置及方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种植物液流监测装置，包括：
TDP探针、恒流源加热电路、信号放大部分、电压变换部分、主控模块、存储部分、通信部分、显示部分、供电部分、电量监测部分以及液流量计算方法，其特征在于，所述的经恒流源加热的TDP探针受植物液流影响产生电压差，经过信号放大后传给主控模块，主控模块经过迭代运算和公式运算得出液流量，然后将数据存储、远程通信和显示，并在监测到输入电源的输出电压小于预设工作电压时，向手机端发送警报信息。
可选地，所述信号放大电路为两级信号放大电路；其中，前级放大为AD620差分放大电路，后级放大为OP07放大电路。
可选地，所述电压变换部分包括升压正负电压输出模块及三端稳压集成电路，输入电源先通过所述升压正负电压输出模块进行正负电源输出，再通过所述三端稳压集成电路进行正负电源稳压，以为所述信号放大电路提供电源。
可选地，所述主控模块采用STM32F103单片机芯片，实现液流监测的数据采集、显示、存储、通信及电量监测功能。
可选地，所述存储模块与所述主控模块连接，所述存储模块用于存储所述电压差的平均值以及所述液流量。
可选地，所述通信模块与所述主控模块连接，所述通信模块用于将所述电压差的平均值以及所述液流量发送至数据库，并在监测到输入电源的输出电压小于预设工作电压时，向手机端发送警报信息。
可选地，所述显示模块与所述主控模块连接，所述显示模块用于显示实时时间、所述电压差的平均值以及所述液流量。
可选地，所述供电部分包括太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池，用于提供输入电源。
可选地，所述电量监测部分用于监测供电部分的输出电压。
结合本发明实施例的第一方面任一种可能的实现方式，根据本发明实施例的第二方面，提供了一种植物液流监测方法，包括：
采用迭代方法求得当前探针电压差最大值，并代入公式算出实时液流量，具体步骤如下：
步骤1：初始化单片机，设置最大值Vmax＝0，设置时间段T，求取T时间内的电压差平均值；
步骤2：上、下两个探针所测定的电压信号先经过信号放大电路后发送给单片机的AD通道，单片机每过30秒还原放大倍数得到实时电压值，求取T时间内的平均值Vi；
步骤3：将平均值Vi与当前最大值Vmax进行比较，如果Vi>Vmax，将Vi作为当前最大值Vmax并保存以便下次比较，否则不改变当前最大值Vmax；
步骤4：根据公式算出液流量，即
Jsi＝a*(Vmax/Vi-1)b；
其中，Jsi表示所述液流量，Vmax表示一天当中当液流为0时的电压值，Vi表示当前时间段内TDP输出的电压差平均值，a与b为参数系数，与植物种类有关；
步骤5：单片机将获得的平均值Vi和液流量Jsi存储到SD卡中，并通过GPRS发送到数据库。
本发明实施例提供的植物液流监测装置及方法，相对于相关技术中的监测装置更加小巧便携。与此同时，由于使用了低噪声、高增益、精密放大电路，从而减少了体积，降低了价格；采用SD卡存储和远程无线发送两种数据读取方案，兼顾解决偏远密林通信困难与及时获取监测数据的矛盾；采用太阳能电池板+蓄电池供电模式，摆脱了市电限制。植物液流的监测方法通过迭代寻找电压最大值，代入公式可以立即得出液流量，减少后续分析的工作量。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述是示例性和解释性的，并不能限制本发明实施例。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种植物液流监测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种植物液流监测装置的信号放大部分的原理框图；
图3为本发明实施例提供的一种植物液流计算方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前监测植物液流的仪器和方法，分为商业化仪器，以及由探针、恒流加热及数采仪组合的模块化仪器。两者一般需要市电供应仪器工作，而野外供电困难。其次，仪器通常较少配备无线通信模块，用户无法实时了解仪器的工作状况。另外，仪器体积大、成本高、不利于规模化使用。最后，仪器只获得、存储探针间的电压值，从而需要先导出数据再转换成液流量，不能直接得出数据。
针对相关技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种植物液流监测装置。参见图1，该装置包括：TDP探针、恒流源加热电路、信号放大部分、电压变换部分、主控模块、存储部分、通信部分、显示部分、供电部分、电量监测部分以及液流量计算方法，其特征在于，所述的经恒流源加热的TDP探针受植物液流影响产生电压差，经过信号放大后传给主控模块，主控模块经过迭代运算和公式运算得出液流量，然后将数据存储、远程通信和显示，并在监测到输入电源的输出电压小于预设工作电压时，向手机端发送警报信息。
为了便于理解，本发明实施例以毛竹的液流监测为例。经恒流源加热的TDP探针受植物液流影响产生电压差，经过信号放大后传给主控模块，主控模块经过迭代运算和公式运算得出液流量，然后将数据存储、远程通信和显示，并在监测到输入电源的输出电压小于预设工作电压时，向手机端发送警报信息。
本发明实施例提供的装置，相对于相关技术中的监测装置更加小巧便携。与此同时，由于使用了低噪声、高增益、精密放大电路，从而减少了体积，降低了价格；采用SD卡存储和远程无线发送两种数据读取方案，兼顾解决偏远密林通信困难与及时获取监测数据的矛盾；采用太阳能电池板+蓄电池供电模式，摆脱了市电限制。植物液流的监测方法通过迭代寻找电压最大值，代入公式可以立即得出液流量，减少后续分析的工作量。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，信号放大电路为两级信号放大电路；其中，前级放大为AD620差分放大电路，后级放大为OP07放大电路。通过AD620差分放大电路及OP07放大电路，可以组成低噪声、高增益且高稳定的精密放大电路。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，电压变换部分包括升压正负电压输出模块及三端稳压集成电路，输入电源先通过升压正负电压输出模块进行正负电源输出，再通过三端稳压集成电路进行正负电源稳压，以为信号放大电路提供电源。具体地，输入电源可先通过升压正负电压输出模块进行正负电源输出，再通过型号为LM7812、LM7912三端稳压集成电路进行正负电源稳压，为信号放大电路提供正负12V电源。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，主控模块包括型号为STM32F103的单片机芯片，实现液流监测的数据采集、显示、存储、通信及电量监测功能。其中，该芯片集高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，同时保持高集成度和开发简易的特点。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，存储模块与主控模块连接，存储模块用于存储电压差的平均值以及液流量。具体地，存储模块可采用SD卡，在完成计算平均值Vi和液流量Jsi后，可将数据将实时进行SD卡存储。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，通信模块与主控模块连接，通信模块用于将电压差的平均值以及液流量发送至数据库，并在监测到输入电源的输出电压小于预设工作电压时，向手机端发送警报信息。具体地，通信模块可采用型号为A9的GPRS模块，在完成计算平均值Vi和液流量Jsi后，数据将实时进行GPRS通信。其中，GPRS模块不仅将数据发送到数据库，在监测蓄电池的输出电压小于额定工作电压时，将短信发送警报信息。
本发明实施例提供的装置，通过采用SD卡存储和远程无线发送两种数据读取方案，可兼顾解决偏远密林通信困难与及时获取监测数据的矛盾。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，显示模块与主控模块连接，显示模块用于显示实时时间、电压差的平均值以及液流量。具体地，显示模块采用0.96寸OLED显示屏，该模块操作方便，程序简单，功耗低。通过OLED显示屏，可显示实时时间、平均值Vi及液流量Jsi。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，供电部分用于提供输入电源，供电部分包括太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池。本发明实施例提供的装置，由于采用了太阳能电池板+蓄电池供电模式，从而可摆脱市电限制。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，电量监测部分通过监测蓄电池的输出电压实现，需将蓄电池的输出电压进行分压处理，使其控制在主控芯片的AD通道的监测范围内。
其中，结合实际情形，包含上述实施例中的植物液流监测装置的信号放大部分的原理框图可参考图2。
AD620是一款低成本、高精度、单芯片仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1～10000；通过调整片内电阻的绝对值，只需一个电阻便可实现对增益的精确编程(G＝100时精度可达0.15％)。增益公式为RG＝49.4kΩ/(G-1)；
其中，RG为AD620的第1、8脚之间电阻R8的阻值，G为增益值。
根据实际需要设置增益20倍，即RG＝2.6kΩ。
OP07芯片是一种低噪声，低输入偏置电流、高开环增益、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
本次设计采用同相放大器，特点是输入阻抗高，增益公式为A＝1+Rf/Ri；
其中，A为增益值，Rf为电位器R9的阻值，Ri为电阻R10的阻值。
根据实际需要设置增益100倍，即Rf＝100kΩ,Ri＝1kΩ。
通过两级信号放大后，微弱的电压信号总计放大2000倍。
基于上述装置实施例中任一实施例的内容，本发明实施例提供了一种植物液流计算方法。参见图3。本发明实施例提供的方法，通过迭代寻找电压最大值，代入公式可以立即得出液流量，以减少后续分析的工作量。该方法的具体流程可以参考图3，包括：
采用迭代方法求得当前探针电压差最大值，并代入公式算出实时液流量，具体步骤如下：
步骤1：初始化单片机，设置最大值Vmax＝0，设置时间段T，求取T时间内的电压差平均值；
步骤2：上、下两个探针所测定的电压信号先经过信号放大电路后发送给单片机的AD通道，单片机每过30秒还原放大倍数得到实时电压值，求取T时间内的平均值Vi；
步骤3：将平均值Vi与当前最大值Vmax进行比较，如果Vi>Vmax，将Vi作为当前最大值Vmax并保存以便下次比较，否则不改变当前最大值Vmax；
步骤4：根据公式算出液流量，即
Jsi＝a*(Vmax/Vi-1)b；
其中，Jsi表示所述液流量，Vmax表示一天当中当液流为0时的电压值，Vi表示当前时间段内TDP输出的电压差平均值，a与b为参数系数，与植物种类有关；
步骤5：单片机将获得的平均值Vi和液流量Jsi存储到SD卡中，并通过GPRS发送到数据库。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种植物液流监测装置，其特征在于，包括：TDP探针、恒流源加热电路、信号放大部分、电压变换部分、主控模块、存储部分、通信部分、显示部分、供电部分、电量监测部分以及液流量计算方法，其特征在于，经所述恒流源加热的TDP探针受植物液流影响产生电压差，经过信号放大后传给主控模块，主控模块经过迭代运算和公式运算得出液流量，然后将数据存储、远程通信和显示，并在监测到输入电源的输出电压小于预设工作电压时，向手机端发送警报信息。
2.根据权利要求1所述的植物液流监测装置，其特征在于，所述信号放大电路为两级信号放大电路；其中，前级放大为AD620差分放大电路，后级放大为OP07放大电路。
3.根据权利要求1所述的植物液流监测装置，其特征在于，所述电压变换部分包括升压正负电压输出模块及三端稳压集成电路，输入电源先通过所述升压正负电压输出模块进行正负电源输出，再通过所述三端稳压集成电路进行正负电源稳压，以为所述信号放大电路提供电源。
4.根据权利要求1所述的植物液流监测装置，其特征在于，所述主控模块采用STM32F103单片机芯片，实现液流监测的数据采集、显示、存储、通信及电量监测功能。
5.根据权利要求1所述的植物液流监测装置，其特征在于，所述存储模块与所述主控模块连接，所述存储模块用于存储所述电压差的平均值以及所述液流量。
6.根据权利要求1所述的植物液流监测装置，其特征在于，所述通信模块与所述主控模块连接，所述通信模块用于将所述电压差的平均值以及所述液流量发送至数据库，并在监测到输入电源的输出电压小于预设工作电压时，向手机端发送警报信息。
7.根据权利要求1所述的植物液流监测装置，其特征在于，所述显示模块与所述主控模块连接，所述显示模块用于显示实时时间、所述电压差的平均值以及所述液流量。
8.根据权利要求1所述的植物液流监测装置，其特征在于，所述供电部分包括太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池，用于提供输入电源。
9.根据权利要求1所述的植物液流监测装置，其特征在于，所述电量监测部分用于监测供电部分的输出电压。
10.一种基于权利要求1至9中任一项所述的植物液流监测装置的植物液流监测方法，其特征在于，包括：
采用迭代方法求得当前探针电压差最大值，并代入公式算出实时液流量，具体步骤如下：
步骤1：初始化单片机，设置最大值Vmax＝0，设置时间段T，求取T时间内的电压差平均值；
步骤2：上、下两个探针所测定的电压信号先经过信号放大电路后发送给单片机的AD通道，单片机每过30秒还原放大倍数得到实时电压值，求取T时间内的平均值Vi；
步骤3：将平均值Vi与当前最大值Vmax进行比较，如果Vi>Vmax，将Vi作为当前最大值Vmax并保存以便下次比较，否则不改变当前最大值Vmax；
步骤4：根据公式算出液流量，即
Jsi＝a*(Vmax/Vi-1)b；
其中，Jsi表示所述液流量，Vmax表示一天当中当液流为0时的电压值，Vi表示当前时间段内TDP输出的电压差平均值，a与b为参数系数，与植物种类有关；
步骤5：单片机将获得的平均值Vi和液流量Jsi存储到SD卡中，并通过GPRS发送到数据库。
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CN112114545B (zh) * 2020-08-26 2021-09-24 浙江农林大学 一种基于hpv和tdp双模式的树干液流检测装置及其测量方法

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