CN112114545B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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CN112114545B CN202010869630.8A CN202010869630A CN112114545B CN 112114545 B CN112114545 B CN 112114545B CN 202010869630 A CN202010869630 A CN 202010869630A CN 112114545 B CN112114545 B CN 112114545B
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Abstract

本发明公开了一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置及其测量方法，包括：数据采集模块、主控单元模块、数据显示模块和数据存储模块以及与云服务器通信的GPRS模块，供电模块和单片机；所述单片机和供电模块电性连接；所述单片机和GPRS模块电性连接，所述GPRS模块和云服务器信号连接；所述单片机和主控单元模块电性连接。本发明中，采用直径1‑2mm的热探针对树木几乎无损伤的侵入式检测并有效地避免外界因素的干扰，结合远程服务端动态采样并依据环境变化切换检测装置的工作方式，综合HPV和TDP法各自的优点，可提升测量数据的有效性和精确度，减小数据冗余，降低能耗且可实现云服务器平台的数据共享。

Description

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
技术领域
本发明涉及农业检测技术领域，特别涉及一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置及其测量方法。
背景技术
应用热技术测量树木液流量广泛地用来估算个体水平上的树木水分蒸腾，热脉冲速度(HPV)是应用热技术测量液流的方法之一。为了测量树液流量，国内外学者陆续提出多种测量树木蒸腾耗水的方法，热技术应用于树木蒸腾耗水日趋完善，使测量并估计林分蒸腾耗水量成为可能。在基于热技术的液流测量方法中，最常见的是热脉冲和热耗散方法，这些方法采用直径1-2mm的探针测量对树干无明显的损伤。近年来HPV凭借基于热理论基础下的可靠性、科学性、移动便携、微创低功耗受到众多国内外研究学者的关注。
热脉冲技术的原理是采用不同于Granier经验热消散法持续加热方式的脉冲式加热，脉冲释放的热量在树木内部传递不仅通过液流传输，还通过木质纤维传导。对于给定一定脉冲热量的树液流动过程中，局部温度会达到某一个最大值，之后，温度会缓慢的恢复到初始温度。在这个热量传递过程中，液流传递相对于木质纤维传导占主导地位，同时液流携带热信号由上、下热探针感应并计算出当前液流速率值。
现有技术中的测量装置在测量时存在以下问题：首先，基于热脉冲技术的液流测算不适用于低速液流变化，对于持续加热方式的TDP和HFD法，能耗过大，无法长期置于野外的值守。其次，对于包裹式茎流计而言，仅适用于小茎植被，包裹表面极易受到雨天雨水的干扰，造成数据失准。最后，随着物联网技术的发展，更需要可远程数据采集的茎流计，而目前存在的茎流计产品和数据分析软件多数为国外研发，价格昂贵且无法实现云服务器平台的数据共享。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明可以解决现有的设备在旋筒风帆使用过程中，圆台形旋筒的角度无法调节，导致受力中心下移的量无法调节，不利于调节整体的稳定性的难题。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置,包括：数据采集模块、主控单元模块、数据显示模块和数据存储模块以及与云服务器通信的GPRS模块，供电模块和单片机；
所述单片机和供电模块电性连接；所述单片机采用STM32F10系列；
所述单片机和GPRS模块电性连接，所述GPRS模块和云服务器信号连接；
所述单片机和主控单元模块电性连接；所述主控单元模块和数据存储模块电性连接；
所述主控单元模块和数据显示模块电性连接；
所述主控单元模块和数据采集模块电性连接；
所述数据采集模块包括加热针、热探针和与热探针相连接的AD转换芯片；
所述供电模块包括太阳能板和蓄电池，所述太阳能板和所述蓄电池电性连接；
所述数据显示模块设置为液晶屏；
所述数据存储模块设置为SD卡。
作为本发明的一种优选技术方案，所述数据显示模块为2.8寸TFT液晶屏，液晶屏显示当前采集的实时数据和当地时间信息。
作为本发明的一种优选技术方案，所述GPRS模块为Air202芯片，用于将实时数据传输至云服务器平台。
作为本发明的一种优选技术方案，所述加热针为定制直径2.9mm的陶瓷加热棒；上下两个所述热探针为直径1-2mm、长度30-50mm的K型热电偶，所述热探针距离所述加热针分别10mm和5mm；所述与热探针相连接的AD转换芯片为MAX6675数模转换芯片。
作为本发明的一种优选技术方案，所述加热针由继电器控制12V电源进行间断供电。
作为本发明的一种优选技术方案，STM32以SPI串口通信方式将采集的数据写入所述数据存储模块的SD卡。
此外，本发明还提供了一种基于HPV和TDP双模式的树干液流的测量方法，包括以下步骤：
S1、选取胸径5-20cm的林木，将热探针和加热针安装在高于地面1.0m左右树干的茎向同一直线上，具体操作是通过钻孔模板和微型电钻将加热探针和上、下热探针分别安装相同深度的木质部内，加热针距离上、下热探针分别为10mm和5mm；
S2、安装部位使用海绵或锡纸进行遮光防护处理，避免外界因素影响数据采集；连接数据采集模块、GPRS模块、供电模块后，由编程控制数据采样周期开始进行数据采集、显示、存储和传输；
S3、由上、下热探针感知的温差变化计算当前液流速率值；当工作在热脉冲方式时，数据采样周期为30min，包括：加热期10s和冷却期1790s；通过所述数据采集模块控制的上、下两路热探针检测热信号并记录加热前的温度差值，并启动单片机内部计时器，在加热10s后实时获取两路热探针温度差值，当该值等于加热前温度差值时，停止计时器并记录时间t。通过Levenberg–Marquardt算法估计参数k为热扩散系数[m2.h-1]，Vh热扩散速率[m.h-1]；
采用LM算法拟合分为以下步骤：首先，由热传导热对流方程可得：
Figure GDA0003108475830000041
其中T为温度，t为时间，CW、C分别为树液与木质部的比热容[J.m-3.℃-1]，λ为热导率[W.m-1.℃-1]，Jx和Jy分别为茎向与横向的液流速率；
其次，茎向与横向的热扩散速率与液流速率存在以下关系：
Figure GDA0003108475830000042
最后，通过参数的误差估计和置信区间来判断参数是否合理；
当环境因素变化时导致液流速率低于10cm/h时，增大采样周期，采用热耗散模式降低能耗并增大茎流计数据测量准确性，转换为热耗散工作方式；数据采样周期为30min，记录上探针与加热针之间的温差，由校准参数后的Granier经验公式计算当前液流速率；
S4、通过GPRS模块将采集数据实时上传云服务器平台进行数据处理，便于农林工作者远程监控树干液流动态、预测液流变化趋势，从而科学管理林木以及节水灌溉。
作为本发明的一种优选技术方案，基于热脉冲技术的液流测算一次所述加热期加热的时长为10s；所述数据采样周期为30min。
作为本发明的一种优选技术方案，当环境因素变化时如秋冬季、阴雨天导致液流速率变低，此时基于热脉冲的液流测算准确度降低，通过模式转换为基于耗散技术的液流测算。
作为本发明的一种优选技术方案，采集的实时数据显示在数据显示模块，同时以固定频率存储于SD卡，并通过GPRS模块上传至云服务器平台，便于农林类科学研究者远程监测树干液流变化和分析树干液流特征。
(三)有益效果
1.本发明提供的基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置及其测量方法，其可以通过传感器采集数据转化为实时液流速率。同时，由显示传感器采集的实时数据以及当前时间信息。此外，数据每隔30min记录并存储到片上SD卡，每隔10min上传数据到云服务器，可实现远程监测和数据分析。
2.本发明提供的基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置及其测量方法，本发明相对于现有技术中的测量装置及方法，采用直径1-2mm的热探针对树木几乎无损伤的侵入式检测并有效地避免外界因素的干扰。采用STM32F10系列单片机研发，具有低功耗、高性能数据处理、编程灵活可控、体积小便携等优点。结合远程服务端动态采样并依据环境变化切换检测装置的工作方式，综合HPV和TDP法各自的优点，可提升测量数据的有效性和精确度，减小数据冗余，降低能耗且可实现云服务器平台的数据共享，为农林工作者远程监控树干液流动态、预测液流变化趋势，从而科学管理林木以及节水灌溉提供方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明的基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置的实际运用原理示意图；
图2是本发明的液流检测方法流程图；
图3是本发明的数据采集模块的示意图；
图4是本发明的供电模块的示意图；
图5是本发明的结构示意图。
图中：10、加热针；20、热探针；30、太阳能板；40、液晶屏；50壳体。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1至图5所示，一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置,包括：壳体50、数据采集模块、主控单元模块、数据显示模块和数据存储模块以及与云服务器通信的GPRS模块，供电模块和单片机；壳体50通过卡箍固定在树干上，主控单元模块、数据显示模块和数据存储模块以及与云服务器通信的GPRS模块，供电模块和单片机均集合在壳体50中；
所述单片机内部设置有计时器；所述单片机采用STM32F10系列。
所述单片机和供电模块电性连接；
所述单片机和GPRS模块电性连接，所述GPRS模块和云服务器信号连接；
所述单片机和主控单元模块电性连接；所述主控单元模块和数据存储模块电性连接；
所述主控单元模块和数据显示模块电性连接；
所述主控单元模块和数据采集模块电性连接；
所述数据采集模块包括加热针10、热探针20和与热探针20相连接的AD转换芯片；
所述供电模块包括太阳能板30和蓄电池，所述太阳能板30和所述蓄电池电性连接；
所述数据显示模块设置为液晶屏40；
所述数据存储模块设置为SD卡。
所述数据显示模块为2.8寸TFT液晶屏，液晶屏显示当前采集的实时数据和当地时间信息。
所述GPRS模块为Air202芯片，用于将实时数据传输至云服务器平台。
所述加热针10为定制直径2.9mm的陶瓷加热棒；上下两个所述热探针20为直径1-2mm、长度30-50mm的K型热电偶，所述热探针20距离所述加热针10分别10mm和5mm；所述与热探针20相连接的AD转换芯片为MAX6675数模转换芯片。
所述加热针10由继电器控制12V电源进行间断供电。
所述主控单元模块控制采用单片机内部RTC集成电路以及采用DS18B20芯片的数字温度传感器。
STM32以SPI串口通信方式将采集的数据写入所述数据存储模块的SD卡。
此外，本发明还提供了一种基于HPV和TDP双模式的树干液流的测量方法，包括以下步骤：
S1、选取胸径5-20cm的林木，将热探针和加热针安装在高于地面1.0m左右树干的茎向同一直线上，具体操作是通过钻孔模板和微型电钻将加热探针和上、下热探针分别安装相同深度的木质部内，加热针距离上、下热探针分别为10mm和5mm；
S2、安装部位使用海绵或锡纸进行遮光防护处理，避免外界因素影响数据采集；连接数据采集模块、GPRS模块、供电模块后，由编程控制数据采样周期开始进行数据采集、显示、存储和传输；
S3、由上、下热探针感知的温差变化计算当前液流速率值；当工作在热脉冲方式时，数据采样周期为30min，包括：加热期10s和冷却期1790s；通过所述数据采集模块控制的上、下两路热探针检测热信号并记录加热前的温度差值，并启动单片机内部计时器，在加热10s后实时获取两路热探针温度差值，当该值等于加热前温度差值时，停止计时器并记录时间t。通过Levenberg–Marquardt算法估计参数k为热扩散系数[m2.h-1]，Vh热扩散速率[m.h-1]；
采用LM算法拟合分为以下步骤：首先，由热传导热对流方程可得：
Figure GDA0003108475830000101
其中T为温度，t为时间，CW、C分别为树液与木质部的比热容[J.m-3.℃-1]，λ为热导率[W.m-1.℃-1]，Jx和Jy分别为茎向与横向的液流速率；
其次，茎向与横向的热扩散速率与液流速率存在以下关系：
Figure GDA0003108475830000102
最后，通过参数的误差估计和置信区间来判断参数是否合理；
当环境因素变化时导致液流速率低于10cm/h时，增大采样周期，采用热耗散模式降低能耗并增大茎流计数据测量准确性，转换为热耗散工作方式；数据采样周期为30min，记录上探针与加热针之间的温差，由校准参数后的Granier经验公式计算当前液流速率；
S4、通过GPRS模块将采集数据实时上传云服务器平台进行数据处理，便于农林工作者远程监控树干液流动态、预测液流变化趋势，从而科学管理林木以及节水灌溉。
基于热脉冲技术的液流测算一次所述加热期间断加热的时长为10s；所述数据采样周期为30min。
当环境因素变化时如秋冬季、阴雨天导致液流速率变低，此时基于热脉冲的液流测算准确度降低，通过模式转换为基于耗散技术的液流测算。
采集的实时数据显示在数据显示模块，同时以固定频率存储于SD卡，并通过GPRS模块上传至云服务器平台，便于农林类科学研究者远程监测树干液流变化和分析树干液流特征。
工作原理：本发明基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置及其测量方法，依据热脉冲技术测量树干液流，即加热针释放的脉冲热量作为热信号，由上、下热探针感知并通过热传导-热对流方程转化成液流速率值；依据热耗散技术的树干液流检测，即所述加热探针持续释放一段时间的热信号，在该短时间内，随着树干液流上升信号向四周扩散，不同的液流速率表现出不同的温差状态。通过Granier经验公式计算当前液流速率。与现有技术中的测量装置及方法相比，本发明装置基于STM32F10系列单片机研发，具有低功耗、高性能数据数据处理、编程灵活可控、体积小便携等优点；结合远程服务端动态采样并依据环境变化切换检测装置的工作方式，综合HPV和TDP法各自的优点；此外，本发明采用基于物联网技术的无线通信方式，可实现云服务器平台的数据共享，便于农林工作者远程监控树干液流动态、预测液流变化趋势，从而科学管理林木以及节水灌溉。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置,其特征在于，包括：数据采集模块、主控单元模块、数据显示模块和数据存储模块以及与云服务器通信的GPRS模块，供电模块和单片机；
所述单片机和供电模块电性连接，所述单片机采用STM32F10系列；
所述单片机和GPRS模块电性连接，所述GPRS模块和云服务器信号连接；
所述单片机和主控单元模块电性连接；所述主控单元模块和数据存储模块电性连接；
所述主控单元模块和数据显示模块电性连接；
所述主控单元模块和数据采集模块电性连接；
所述数据采集模块包括加热针（10）、热探针（20）和与热探针相连接的AD转换芯片；
所述供电模块包括太阳能板（30）和蓄电池，所述太阳能板和所述蓄电池电性连接；
所述数据显示模块设置为液晶屏（40）；
所述数据存储模块设置为SD卡；
当工作在热脉冲方式时，所述加热针（10）和上、下两个所述热探针（20）分别安装相同深度的木质部内，所述加热针（10）分别距离上、下两个所述热探针（20）分别为10 mm和5mm；
当环境因素变化时导致液流速率低于10cm/h时，转换为热耗散工作方式，记录上侧所述热探针（20）与所述加热针（10）之间的温差。
2.根据权利要求1所述的一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置，其特征在于：所述数据显示模块为2.8寸TFT液晶屏，液晶屏显示当前采集的实时数据和当地时间信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置，其特征在于：所述GPRS模块为Air202芯片，用于将实时数据传输至云服务器平台。
4.根据权利要求1所述的一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置，其特征在于：所述加热针为定制直径2.9 mm的陶瓷加热棒；上下两个所述热探针为直径1-2 mm、长度30-50 mm的K型热电偶，所述热探针距离所述加热针分别10 mm和5 mm；所述与热探针相连接的AD转换芯片为MAX6675数模转换芯片。
5.根据权利要求4所述的基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置，其特征在于，所述加热针由继电器控制12 V电源进行间断供电。
6.根据权利要求1所述的基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置，其特征在于，STM32以SPI串口通信方式将采集的数据写入所述数据存储模块的SD卡。
7.一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取胸径5-20 cm的林木，将热探针和加热针安装在高于地面1.0 m左右树干的茎向同一直线上，具体操作是通过钻孔模板和微型电钻将加热探针和上、下热探针分别安装相同深度的木质部内，加热针距离上、下热探针分别为10 mm和5 mm；
S2、安装部位使用海绵或锡纸进行遮光防护处理，避免外界因素影响数据采集；连接数据采集模块、GPRS模块、供电模块后，由编程控制数据采样周期开始进行数据采集、显示、存储和传输；
S3、由上、下热探针感知的温差变化计算当前液流速率值；当工作在热脉冲方式时，数据采样周期为30 min，包括：加热期10 s和冷却期1790s；通过所述数据采集模块控制的上、下两路热探针检测热信号并记录加热前的温度差值，并启动单片机内部计时器，在加热10s后实时获取两路热探针温度差值，当该值等于加热前温度差值时，停止计时器并记录时间t，通过Levenberg–Marquardt算法估计参数k为热扩散系数[m2.h-1]，Vh热扩散速率[m.h-1]；
采用LM算法拟合分为以下步骤：首先，由热传导热对流方程可得：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
，其中T为温度，t为时间，CW、C分别为树液与木质部的比热容[J.m-3.℃-1]，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
为热导率[W.m-1.℃-1]，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004
分别为茎向与横向的液流速率；
其次，茎向与横向的热扩散速率与液流速率存在以下关系：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE006
；
最后，通过参数的误差估计和置信区间来判断参数是否合理；
当环境因素变化时导致液流速率低于10cm/h时，增大采样周期，采用热耗散模式降低能耗并增大茎流计数据测量准确性，转换为热耗散工作方式；数据采样周期为30min，记录上探针与加热针之间的温差，由校准参数后的Granier经验公式计算当前液流速率；
S4、通过GPRS模块将采集数据实时上传云服务器平台进行数据处理，便于农林工作者远程监控树干液流动态、预测液流变化趋势，从而科学管理林木以及节水灌溉。
8.根据权利要求7所述的一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置的测量方法，其特征在于，基于热脉冲技术的液流测算一次所述加热期加热的时长为10s；所述数据采样周期为30 min。
9.根据权利要求7所述的一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置的测量方法，其特征在于，当环境因素变化时如秋冬季、阴雨天导致液流速率变低，此时基于热脉冲的液流测算准确度降低，通过模式转换为基于耗散技术的液流测算。
10.根据权利要求7所述的一种基于HPV和TDP双模式的树干液流检测装置的测量方法，其特征在于，采集的实时数据显示在数据显示模块，同时以固定频率存储于SD卡，并通过GPRS模块上传至云服务器平台，便于农林类科学研究者远程监测树干液流变化和分析树干液流特征。
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Citations (5)

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