CN110596183A - 茎流信号采集节点和利用该节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种茎流信号采集节点，包括包裹于植物茎部的环形的加热片，在加热片外表面环绕设置有热电堆，在植物茎部靠近加热片的上端和下端分别设置有上部热电偶组和下部热电偶组，热电堆、上部热电偶组和下部热电偶组的信号输出端连接信号处理模块，信号处理模块的输出端连接单片机的信号输入端，信号处理模块包括依次连接的放大器、滤波器和模数转换器，单片机连接有与数据处理终端双向通信的无线通信模块，本发明还提供了一种利用茎流信号采集节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统，包括茎流信号采集节点和数据处理终端，茎流信号采集节点采集温度信息和功率信息，数据处理终端向茎流信号采集节点下发功率控制指令，本发明可保证茎流测量精度。
Description
技术领域
本发明属于智能农业设施技术领域，涉及林业生态保护工程、水资源管理、水文学、作物栽培、植物水分关系和植物生物量估算等研究，特别涉及一种茎流信号采集节点和包含该节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统。
背景技术
植物茎杆的茎流量是植物重要的生理信息之一，茎流量的获取对植物生理研究和森林植被保护研究有着重要的作用。目前的茎流传感器的测量原理有热脉冲法、热平衡法和热扩散法。
热脉冲法需要将温度探头插入茎秆中，热平衡法在测量植物的茎流时在夜间、阴雨天气等蒸腾作用不明显或者外界温度较低的情况下，因横向传导的向外的热量相对较多，而沿植物茎部向上传导热量较小，导致植物茎部径向上的热电偶测得温差较小，从而造成测量不精确。尤其是在茎流较小的情况下，上述方法均无法得到精确结果。
同时，现有热平衡法的径流传感器，大多是直接通过热电偶丝将温度的电信号传送至数据处理终端，有线数据传输方式造成一个数据处理终端只能对应较少数量的信号采集节点，对于野外大量的测量时，茎流采集十分不便。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种茎流信号采集节点和包含该节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统，在现有热平衡法的基础上进行改进，对于茎流较小的情况仍可精确测量，并可智能调节加热量大小，本发明一方面解决了在夜间、阴雨天气等蒸腾作用不明显或者外界温度较低的情况下，测量茎流时精度低的问题；另一方面解决了在有线的数据传输方式下一个数据处理终端只能对应较少数量的信号采集节点的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种茎流信号采集节点，包括包裹于植物茎部的环形的加热片3，在加热片3外表面环绕设置有热电堆4，在植物茎部靠近加热片3的上端和下端分别设置有上部热电偶组1和下部热电偶组5，所述热电堆4、上部热电偶组1和下部热电偶组5的信号输出端连接信号处理模块，信号处理模块的输出端连接单片机的信号输入端，所述信号处理模块包括依次连接的放大器、滤波器和模数转换器，所述加热片3连接有PWM驱动模块，PWM驱动模块使用两个场效应管构成一个共集放大电路，实现用PWM对加热片3加热功率进行调节，所述单片机连接有与数据处理终端双向通信的无线通信模块。
所述加热片3外部紧密包裹设置有泡沫保温层2，热电堆4位于加热片3和泡沫保温层2之间，所述泡沫保温层2内部为泡沫绝热材料，外部为银白色阻燃防水保温垫。
所述上部热电偶组1和下部热电偶组5均由两个热电偶组成，分别测量植物茎部在加热片3的上、下四点的温度电信号，所述热电堆4为薄膜式热电堆，用于测量横向的温度平均差的电信号。
所述单片机连接有功率检测模块，所述功率检测模块对加热片3的电路进行分流，将分流的微小电流和电压通过INA226芯片进行检测，将检测的电流大小和电压大小的信号，以串口方式输入给单片机，再通过分流的比例计算出真实的电流值，所述无线通信模块为Lora无线通信模块，采用双向传输模式，正向传输是采集在单片机中存储的温度信息和功率信息，传送给数据处理终端；反向传输是将数据处理终端对于加热片3的功率控制指令传输给信号采集节点的单片机。
节点中用电部件均以锂电池为电源，所述锂电池连接有能够为其充电的太阳能发电板。
本发明还提供了一种利用所述茎流信号采集节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统，包括所述茎流信号采集节点和数据处理终端，所述茎流信号采集节点采集温度信息和功率信息，所述数据处理终端向所述茎流信号采集节点下发功率控制指令。
所述数据处理终端通过判断植物茎部上下温度差是否在一个合适的范围内，若不在此范围内时，则通过外界温度信息、植物茎部上下温度差和植物茎部直径信息进行多方位的处理，通过误差逆传神经网络模型计算出一个稳定加热功率，并将该加热功率的控制指令传输给所述单片机，单片机根据该控制指令通过PWM驱动模块对加热片3加热功率进行调节。
所述数据处理终端以树莓派为核心，所述误差逆传神经网络模型采用三层神经网络模型结构，模型输入为植物茎部的直径、泡沫保温层2的热导率、水的导热率、热电偶上下中的间距、植物种类、热电堆的电势、加热片3的功率和热电偶的温度，模型的输出为加热片的功率。
所述数据处理终端对采集数据应用能量平衡处理处理如下：
P-(qu+qd+qr+qf+S)＝0
其中P为加热片3的功率，通过功率检测模块测得；
qu和qd分别是上下热扩散通量，Kst为植物茎部的热导率系数(W/m·℃)，A为植物茎部的横截面积(m2)，是植物茎部上下两方的温度梯度，单位℃/m，dT是上、下两点的通过热电偶测得的温度差，dx是上、下两点的热电偶的距离；
qr是通过泡沫保温层2向外的径向导热速率，qr＝Ksh·E，E是热电堆4测得的电压，Ksh是热传导常数，单位W/℃；
qf是通过植物茎部的液体茎流径向导热速率，qf＝CP·F·(Tu-Td)，CP为水的比热容，F为茎流量，Tu和Td为上下热电偶组的温度；
S是存储与植物茎部中的极少部分热量；
由此，F＝(P-(Kst·A·(dTu+dTd)/dx)-Ksh·E)/[CP·(Tu-Td)]。
所述误差逆传神经网络是一种多层的前馈神经网络，将植物截面积、Ksh、Kst、热电堆平均温度、预知得茎流信息、上下两点的热电偶的距离和上下两点温度差作为正向传播得输入信号从输入层传入，经过隐层逐层处理后，传向输出层，若输出层和期望得输出Tu-Td不符，则转入反向传播阶段；误差反传是将输出误差以某种形式通过隐层向输入层逐层反传，并将误差分摊给各层的所有单元，从而获得各层单元的误差信号，此误差信号及作为修正各单元权值的依据；这样多次修正各层的权值后，就建立好一个模型，通过该模型就可以保证Tu-Td在一个合适的范围内，也使得系统能够自主的进行热源自适应。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、与热脉冲法相比，无须将温度探头插入茎秆中，便可直接得到测定结果。
2、可依据外界环境变化而实时改变加热片的功率，以此确保了一个稳定的植物茎部的径向热散失率，保证了茎流测量的精度。
3、茎流信号采集节点为包裹式设计，检测时不会损坏植株，同时利用能量平衡原理，相对于插针式，不会受植株木质部不均匀的影响，很大程度上提高了检测的精度。
4、茎流信号采集节点使用锂电池和太阳能供电装置，保证大量野外实验的需求。
5、茎流信号采集节点采集的信息通过Lora传输到数据处理终端，可大批量采集、处理数据信息。
本发明可依据外界环境变化而实时改变加热片的功率，以此确保了一个稳定的植物茎部的径向热散失率，保证了茎流测量的精度，解决了夜晚或者阴雨天茎流量较小导致测量误差较大的问题和野外测量远距离植株茎流的问题。
附图说明
图1是本发明茎流测量系统的整体架构示意图。
图2是本发明茎流测量系统的设计框架图。
图3是本发明茎流信号采集节点的硬件平台框架图。
图4是本发明控温决策模型的训练流程图。
图5是本发明使用控温决策模型进行预测的流程图。
图6是树莓派操作界面一。
图7是树莓派操作界面二。
图8是树莓派操作界面三。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1和图2所示，是本发明基于温补偿的热源自适应茎流测量系统的整体架构，其分为两个模块：茎流信号采集节点和数据处理终端，茎流信号采集节点采集温度信息和功率信息，数据处理终端向所述茎流信号采集节点下发功率控制指令。
本发明的茎流信号采集节点可有多个，为包裹式设计，每个茎流信号采集节点包括包裹于植物茎部的环形的加热片3，在加热片3外表面环绕设置有热电堆4，在植物茎部靠近加热片3的上端和下端分别设置有上部热电偶组1和下部热电偶组5。
为密封和绝热，可在加热片3外部紧密包裹设置有泡沫保温层2，热电堆4位于加热片3和泡沫保温层2之间，泡沫保温层2内部为泡沫绝热材料，外部为银白色阻燃防水保温垫，以此来保证外界温度系统的影响。
上部热电偶组1和下部热电偶组5均可由两个热电偶组成，热电偶可采用TT-T-30，上部热电偶组1的两个热电偶间距固定，可位于直径两端，下部热电偶组5的两个热电偶分别位于上部热电偶组1的两个热电偶的正下方，分别测量植物茎部在加热片3的上、下四点的温度电信号，热电堆4为薄膜式热电堆，用于测量横向的温度平均差的电信号，具体可采用环形T型热电堆。
如图3所示，热电堆4、上部热电偶组1和下部热电偶组5的信号输出端连接信号处理模块，信号处理模块的输出端连接单片机的信号输入端，信号处理模块用于处理热电偶采集的电信号，其包括依次连接的放大器、滤波器和模数转换器，依次对电信号放大、滤波、数模转换后存入单片机的寄存器中；单片机连接有与数据处理终端双向通信的无线通信模块。无线通信模块为Lora无线通信模块，采用双向传输模式，正向传输是采集在单片机中存储的温度信息和功率信息，传送给数据处理终端；反向传输是将数据处理终端对于加热片3的功率控制指令传输给信号采集节点的单片机。
加热片3连接有PWM驱动模块，PWM主要是对加热片进行调节，PWM驱动模块使用两个场效应管构成一个共集放大电路，实现用PWM对加热片3加热功率进行调节。
同时，单片机还可连接有功率检测模块，功率检测模块对加热片3的电路进行分流，将分流的微小电流和电压通过INA226芯片进行检测，将检测的电流大小和电压大小的信号，以串口方式输入给单片机，再借助单片机计算出真实的电流值，并存入寄存器中。
茎流信号采集节点的加热片3、热电堆4、上部热电偶组1和下部热电偶组5、单片机、PWM驱动模块、信号处理模块等用电部件均以锂电池为电源，锂电池连接有能够为其充电的太阳能发电板，当锂电池电量过低时会自动切断对信号采集节点供电，等待太阳能发电板给锂电池充电充足后又自动通电，保证信号采集节点的供电充足。
茎流信号采集节点的加热部分主要是保证被测植物茎流时径向的温度差在一个合理的范围内的执行装置，其具有了良好的物理结构和必备的信号采集设备，根据监测的热电信号，通过数据处理终端下发相应的加热控制指令。
其中，数据处理终端上有LCD显示屏，可对上位机程序进行显示和参数设置，管理人员可根据显示，依事先设定范围，主动下发加热控制指令。也可在上位机中设置植物茎部的导热率和植物茎部的直径和编号，植物茎部上下两组热电偶的间隔，借由程序实现自动控制指令下发，智能调节加热功率，来增大径向热传导量提高测量精度。具体的方案是通过判断植物茎部上下温度差是否在一个合适的范围内，不在此范围内时，通过外界温度信息、植物茎部上下温度差和植物茎部直径信息进行多方位的处理，通过已经建立好的误差逆传神经网络模型计算出一个稳定加热功率，对于加热功率的控制指令又通过Lora传输给信号采集节点的片上系统的单片机。
当采用自动控制时，以树莓派为核心，具体的误差逆传神经网络模型采用三层神经网络模型结构，其中对于模型的输入选取了植物的直径、保温材料的热导率、水的导热率、热电偶上下中的间距、植物种类、热电堆的电势、加热片的功率和上下四根热电偶的温度四个值，模型的输出选取了加热片的功率。
对于最终茎流量的计算，在数据处理终端上，对于采集数据的处理，应用能量平衡如下：
P-(qu+qd+qr+qf+S)＝0 (公式1)
其中P为加热器的功率，qu和qd分别是上下热扩散通量，qr通过泡沫隔热套向外的横向导热速率，qf通过植物茎部的液体茎流径向导热速率。S是存储与植物茎部中的极少部分热量，对于整个系统可以将其约等于0。
加热器的功率P是通过功率检测模块来测得的，植物茎部的上方和下方的热扩散qu和qd是通过热传导的傅里叶热扩散定律计算得知：
其中Kst为植物茎部的热导率系数(W/m·℃)，A为植物茎部的横截面积(m2)，dT/dx是植物茎部上下两方的温度梯度(℃/m)，dT分别是上、下两点的通过热电偶测得的温度差，dx分别是上、下两点的热电偶的距离。径向的热辐射功率qr，通过薄膜式的热电堆来测得电压E，Ksh作为一个热传导常数，单位是(W/℃)，能通过测量的热电堆电压信号准确的计算出横向的热散失量。大小是通过零点设置的方式设置的，若植物在温度较高的下午，植物的蒸腾作用达到最大这时候，植物会自己关闭蒸腾作用，这时茎流量为零，qf为零，根据公式5就可以计算Ksh。
qr＝Ksh·E (公式3)
其中qf也就是所需要的量也就测得了。其中：
qf＝CP·F·(Tu-Td) (公式4)
Cp就水的比热容，F即为流量，Tu和Td上下的温度，将上面公式结合可得茎流量：
F＝(P-(Kst·A·(dTu+dTd)/dx)-Ksh·E)/[CP·(Tu-Td)] (公式5)
控温决策模型训练如图4所示，先通过大量的实验将已知的茎流大小，植物截面积、Ksh、Kst等信息，输入模型进行训练，其中Tu-Td作为标签，训练出一个模型。实际使用如图5所示，将加热片功率、外界温度、Kst、Ksh、四个温度信息、横截面积A、茎流大小等信息输入模型预测Tu-Td，再和我们实际的测得的Tu-Td进行对比，相似度高就用这个数据计算出实际的茎流，相似度不高就进行零点校准最后关机。
综上，数据处理终端可以通过采集的四个热电偶和热电堆的温度信息、植物茎部的热导率和植物茎部直径等信息进行处理，测算植物茎部中液流径向导热速率和横向导热速率，最后通过植物茎部中液流径向导热速率、横向导热速率及加热片的功率计算出茎流大小，并在数据处理终端上显示，过程界面如图6、图7和图8所示，同时将数据传输到云服务器，便于通过手机app实时显示茎流的大小。其中信号采集节点上使用锂电池和太阳能供电装置，保证大量野外实验的需求。通过本发明系统，可以精确的测量植物茎部的茎流，保证野外实验的方便性和可行性，对植物生理研究和森林植被保护研究有着重要的作用。
以上实施方式仅用于说明本发明，并非对该发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所用等同的技术方案也等同于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种茎流信号采集节点，其特征在于，包括包裹于植物茎部的环形的加热片(3)，在加热片(3)外表面环绕设置有热电堆(4)，在植物茎部靠近加热片(3)的上端和下端分别设置有上部热电偶组(1)和下部热电偶组(5)，所述热电堆(4)、上部热电偶组(1)和下部热电偶组(5)的信号输出端连接信号处理模块，信号处理模块的输出端连接单片机的信号输入端，所述信号处理模块包括依次连接的放大器、滤波器和模数转换器，所述加热片(3)连接有PWM驱动模块，PWM驱动模块使用两个场效应管构成一个共集放大电路，实现用PWM对加热片(3)加热功率进行调节，所述单片机连接有与数据处理终端双向通信的无线通信模块。
2.根据权利要求1所述茎流信号采集节点，其特征在于，所述加热片(3)外部紧密包裹设置有泡沫保温层(2)，热电堆(4)位于加热片(3)和泡沫保温层(2)之间，所述泡沫保温层(2)内部为泡沫绝热材料，外部为银白色阻燃防水保温垫。
3.根据权利要求1所述茎流信号采集节点，其特征在于，所述上部热电偶组(1)和下部热电偶组(5)均由两个热电偶组成，分别测量植物茎部在加热片(3)的上、下四点的温度电信号，所述热电堆(4)为薄膜式热电堆，用于测量横向的温度平均差的电信号。
4.根据权利要求1所述茎流信号采集节点，其特征在于，所述单片机连接有功率检测模块，所述功率检测模块对加热片(3)的电路进行分流，将分流的微小电流和电压通过INA226芯片进行检测，将检测的电流大小和电压大小的信号，以串口方式输入给单片机，再通过分流的比例计算出真实的电流值，所述无线通信模块为Lora无线通信模块，采用双向传输模式，正向传输是采集在单片机中存储的温度信息和功率信息，传送给数据处理终端；反向传输是将数据处理终端对于加热片(3)的功率控制指令传输给信号采集节点的单片机。
5.根据权利要求1所述茎流信号采集节点，其特征在于，节点中用电部件均以锂电池为电源，所述锂电池连接有能够为其充电的太阳能发电板。
6.一种利用权利要求1所述茎流信号采集节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统，包括所述茎流信号采集节点和数据处理终端，所述茎流信号采集节点采集温度信息和功率信息，所述数据处理终端向所述茎流信号采集节点下发功率控制指令。
7.根据权利要求6所述利用茎流信号采集节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统，其特征在于，所述数据处理终端通过判断植物茎部上下温度差是否在一个合适的范围内，若不在此范围内时，则通过外界温度信息、植物茎部上下温度差和植物茎部直径信息进行多方位的处理，通过误差逆传神经网络模型计算出一个稳定加热功率，并将该加热功率的控制指令传输给所述单片机，单片机根据该控制指令通过PWM驱动模块对加热片(3)加热功率进行调节。
8.根据权利要求7所述利用茎流信号采集节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统，其特征在于，所述数据处理终端以树莓派为核心，所述误差逆传神经网络模型采用三层神经网络模型结构，模型输入为植物茎部的直径、泡沫保温层(2)的热导率、水的导热率、热电偶上下中的间距、植物种类、热电堆的电势、加热片(3)的功率和热电偶的温度，模型的输出为加热片的功率。
9.根据权利要求7所述利用茎流信号采集节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统，其特征在于，所述数据处理终端对采集数据应用能量平衡处理处理如下：
P-(qu+qd+qr+qf+S)＝0
其中P为加热片(3)的功率，通过功率检测模块测得；
qu和qd分别是上下热扩散通量，Kst为植物茎部的热导率系数(W/m·℃)，A为植物茎部的横截面积(m2)，是植物茎部上下两方的温度梯度，单位℃/m，dT是上、下两点的通过热电偶测得的温度差，dx是上、下两点的热电偶的距离；
qr是通过泡沫保温层(2)向外的径向导热速率，qr＝Ksh·E，E是热电堆(4)测得的电压，Ksh是热传导常数，单位W/℃；
qf是通过植物茎部的液体茎流径向导热速率，qf＝CP·F·(Tu-Td)，CP为水的比热容，F为茎流量，Tu和Td为上下热电偶组的温度；
S是存储与植物茎部中的极少部分热量；
由此，F＝(P-(Kst·A·(dTu+dTd)/dx)-Ksh·E)/[CP·(Tu-Td)]。
10.根据权利要求9所述利用茎流信号采集节点的基于温补偿的热源自适应茎流测量系统，其特征在于，所述误差逆传神经网络是一种多层的前馈神经网络，将植物截面积、Ksh、Kst、热电堆平均温度、预知得茎流信息、上下两点的热电偶的距离和上下两点温度差作为正向传播得输入信号从输入层传入，经过隐层逐层处理后，传向输出层，若输出层和期望得输出(Tu-Td)不符，则转入反向传播阶段；误差反传是将输出误差以某种形式通过隐层向输入层逐层反传，并将误差分摊给各层的所有单元，从而获得各层单元的误差信号，此误差信号及作为修正各单元权值的依据；多次修正各层的权值后，就建立好一个模型。
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| CN117761346A (zh) * | 2024-02-22 | 2024-03-26 | 浙江大学 | 适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置 |
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2019
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