CN112923844A - 一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置 - Google Patents

一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置 Download PDF

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宫鹤
王子连
李士军
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    • H02J7/35Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells

Abstract

本发明公开了一种基于NB‑IoT的植物枝干生长监测装置,上述植物生长监测设备包括:柔性可拉伸应变传感器、橡胶硬性件、柔性单片机数据处理电路板;环状弹性件套设于待测植物枝干主体上,柔性可拉伸应变传感器设置于橡胶硬性件内,柔性单片机数据处理电路板与所述柔性可拉伸应变传感器电连接,柔性单片机数据处理电路板用于采集和传输柔性可拉伸应变传感器产生的拉伸(拉力)信号。上述基于NB‑IoT的植物枝干生长监测装置可直接反应植物枝干主体的生长情况,灵敏度较高,且安装简单,尺寸适应性好,材料易制备,对植物生长过程中无侵入性伤害,可被广泛用于珍贵植物的监测与保护。

Description

一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置
技术领域
本发明涉及植物生长监测技术领域,具体涉及一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置。
背景技术
在既有工业区改造、新建社区绿化、城市生态恢复的各项工作中,植被的种植生长和发育情况监测是一项重要和长期的工作,对实时掌握区域植物特别是难以成活的木本植物的实时监测,对于研究区域生态恢复状况,土壤环境适应性变化,以及园区植被管理有着重要意义。
在制备柔性可拉伸应变传感器的过程中运用高压静电纺丝技术。高压静电纺丝是一种电纺丝技术,该技术用于纺织纳米到微米级的纤维,随着科技的不断发展,工艺的不断提高,合成纤维产量越来越高,被广泛应用到环境、能源、军事、建筑和生物医学等领域,虽然合成纤维不能代替天然纤维,但合成纤维的特殊性能是天然纤维不能做到的。纳米纤维是纤维制备的一项新技术,是伴随纳米科技发展兴起的技术,这是一项革命性的技术。纳米纤维的应用范围非常广泛,几乎遍及生产、生活的各个方面。医学上可制备药物载体、止血材料和创伤材料;用于皮肤清洁剂和面膜的化妆品原材料;运用在更先进的产业有组织工程支架材料和阻隔过滤材料的制备,例如用于皮肤再生、眼角膜再生、空气过滤器和纳米电子材料等,彰显纳米纤维的研发在纺织工业中意义非凡。
在实现本发明的过程中,发明人发现相关技术至少存在以下问题:当前各类植物生成监测系统较多,但这些监测仪灵敏度低,尺寸适应性小,阻碍植物茎部生长或者安装是对植物具有侵入性。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明实施例提供一种直接反应植物的生长情况,灵敏度较高的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置。
为解决上述技术问题,本发明实施例提供以下技术方案:一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,所述一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置包括:柔性可拉伸应变传感器、橡胶硬性件、柔性单片机数据处理电路板;
所述柔性可拉伸应变传感器运用三维结构电纺碳化海绵导电基质与TPR弹性基底制备而成;
所述柔性可拉伸应变传感器与所述橡胶硬性件相连接共同套设于待测植物枝干上;
所述柔性单片机数据处理电路板与所述柔性可拉伸应变传感器连接,所述柔性单片机数据处理电路板用于采集和传输所述柔性可拉伸应变传感器产生的拉力信号;
所述一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置与植物生长监测设备及系统中螺旋状压力传感器相比,性能更加优异,使用年限更长,适用领域更加宽广,在测量植物生长状况方面柔性可拉伸应变传感器能更好的贴合植物本身,使得测量数据更加精准;
所述橡胶硬性套件呈首尾可连接环状;
所述橡胶硬性套件为环状首尾可连接硬性橡胶体;
所述植物生长监测设备还包括太阳能电池板,所述柔性可拉伸应变传感器及所述柔性单片机数据处理电路板分别与所述太阳能电池板连接;
可选地,所述太阳能电池板为柔性太阳能电池薄膜,所述柔性可拉伸应变传感器性太阳能电池薄膜沿所述柔性可拉伸应变传感器延伸方向设置于所述的外表面。
可选地,所述太阳能电池板包括多个多晶硅太阳能电池,多个所述多晶硅太阳能电池相互串联;
可选地,所述柔性单片机数据处理电路板包括数据采集模块和数据传输模块;
所述数据采集模块用于采集所述拉力信号;
所述数据传输单元用于传输所述拉力信号至云端服务器,以使所述云端服务器根据所述拉力信号对植物生长进行监测。
为解决上述技术问题,本发明实施例还提供以下技术方案:一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置。所述一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置包括:如上所述的植物生长监测设备及云端服务器;
所述云端服务器与所述植物生长监测设备通信连接。
可选地,所述云端服务器包括数据接收模块和数据分析模块;
所述接收单元用于接收所述植物生长监测设备发送的拉力信号;
所述分析单元用于根据所述拉力信号对植物生长进行监测。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的植物生长监测装置外部正面结构示意图;
图2为本发明的植物生长监测装置内部背面结构示意图;
图3为本发明的植物生长监测装置整体结构示意图;
图4为本发明的植物生长监测装置整体侧面结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面结合附图和具体实施例,对本发明进行更详细的说明。需要说明的是,当元件被表述“固定于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”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装置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”“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有定义,本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外,下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图2中所示植物生长监测装置内部背面结构示意图中部为所述柔性可拉伸应变传感器,所述柔性可拉伸应变传感器运用三维结构电纺碳化海绵导电基质与TPR弹性基底制备而成。
在制备所述柔性可拉伸应变传感器过程中,首先,在60℃的水浴下磁力搅拌PAN粉末和DMF 6小时以获得均匀的PAN溶液。接着,0.3g AlCl3和0.3gFeCl3 被加入到13wt%的PAN溶液中,接着在50℃的水浴下磁力搅拌6h。然后,前驱液被装入到有着金属喷头的注射器中。在纺丝过程中,施加电压,前驱液的喂液速率和喷嘴到接收器的距离相应地被控制在15kV,0.5mL/h和20cm。一个接地的钢转筒(长5cm;直径7cm)被用作接收器,并且钢转筒的旋转速度被限制在120转/分钟。静电纺丝结束后,获得了无纺多孔的海绵。
已获得的海绵首先在一个空气循环的烘箱中在60℃下干燥2h,接着在同样的条件下进行了氧化稳定海绵但温度和时间相应改为210℃和2h。随后,在1050℃的管式炉中,在氮气氛围下进行了碳化海绵,将海绵转化为了碳化海绵(CS),其中升温速率为5 ℃/min。最后,管式炉冷却到室温后获得了CS。
碳化海绵(CS)压力传感器通过简单的用熔融状态TPR包裹CS而制备。首先,将获得的碳化海绵切成条。接着,两片铜箔通过导电银胶粘贴到碳化海绵条两端。最后,将熔融状态TPR倒在模型中有两个电极的CS表面,随后在真空中脱气20min,并接着在40℃下加热12h后制备得到柔性可拉伸应变传感器。
如图2中所示植物生长监测装置内部背面结构示意图中部两侧为所述柔性单片机数据处理电路板,所述柔性单片机数据处理电路板设置于所述所述柔性可拉伸应变传感器的中部,所述柔性单片机数据处理电路板包括数据采集模块和数据传输模块,所述数据采集模块用于采集所述拉力信号;所述数据传输单元用于传输所述拉力信号至云端服务器,以使所述云端服务器根据所述拉力信号对植物生长进行监测。植物生长监测设备安装在待测植物枝干部分后,记录其柔性可拉伸应变传感器的初始拉力值,当日间太阳能输出值达到一定功率时,植物树干直径的变化反映到柔性可拉伸应变传感器的电信号上,所述柔性单片机数据处理电路板的数据采集模块采集所述电信号作为拉力信号,并由所述数据传输模块上传到云端服务器,所述云端服务器将所述拉力信号与初始拉力值进行比较,并通过标定公式计算出植物树干当前直径值。
所述数据采集模块是光电耦合电路,光电耦合电路包括光电耦合器、隔离放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容和二极管,所述光电耦合器内部二极管的负极同时与第二电容的一端和第四电阻的一端电连接并接电源,光电耦合器内部三极管的集电极与第四电阻的另一端电连接,光电耦合器内部三极管的发射极与第二电容的另一端电连接并接地,光电耦合器内部稳压二极管的正极同时与第一电阻的一端、第二电阻的一端、第三电阻的一端、二极管的负极和第一电容的一端电连接,光电耦合器内部稳压二极管的负极同时与第一电阻的一端、第三电阻的另一端、二极管的正极和第一电容的另一端电连接并与隔离放大器的第一连接端电连接,第二电阻的另一端和第三电阻的另一端均是数字数据连接端,第一电阻的另一端与控制处理模块相应的输入端电连接,隔离放大器的第二连接端接地。所述数据传输模块可为Zigbee传输模块。
所述植物生长监测设备还包括太阳能电池板,所述柔性可拉伸应变传感器及所述柔性单片机数据处理电路板分别与所述太阳能电池板连接。
在本实施例中,所述太阳能电池板可为柔性太阳能电池薄膜,所述柔性太阳能电池薄膜沿所述柔性可拉伸应变传感器的方向设置于所述柔性可拉伸应变传感器的外表面,上述螺旋结构的太阳能电池板的面积大大增加,更加适应长时间在线监测。
所述柔性太阳能电池薄膜层可以为铜铟硒(CIS)或铜铟镓硒(CIGS)电池薄膜。
在一些实施例中,所述太阳能电池板包括多个多晶硅太阳能电池,多个所述多晶硅太阳能电池相互串联;上述螺旋结构的太阳能电池板的面积大大增加,更加适应长时间在线监测。
所述云端服务器与所述植物生长监测设备通信连接的方式可通过无线网络进行连接,所述无线网络可以是基于任何类型的数据传输原理,用于建立两个节点之间的数据传输信道的无线通信网络,例如位于不同信号频段的蓝牙网络、WiFi网络、无线蜂窝网络或者其结合。
所述云端服务器可以是任何类型,用以与植物生长监测设备建立通信连接的智能装置,例如手机、平板电脑或者智能遥控器等。该智能终端可以装配有一种或者多种不同的用户交互装置,用以向用户展示和反馈信息。这些交互装置包括但不限于:按键、显示屏、触摸屏、扬声器以及遥控操作杆。
所述云端服务器包括数据接收模块和数据分析模块;所述接收单元用于接收所述植物生长监测设备发送的拉力信号;所述分析单元用于根据所述拉力信号对植物生长进行监测。植物生长监测设备安装在待测植物茎部后,植物生长监测设备记录其柔性可拉伸应变传感器的初始拉力值,当日间太阳能输出值达到一定功率时,植物树干直径的变化反映到柔性可拉伸应变传感器的电信号上,所述柔性单片机数据处理电路板的数据采集模块采集所述电信号作为拉力信号,并由所述数据传输模块上传到云端服务器,所述云端服务器的数据接收模块接收所述拉力信号,并将所述拉力信号传输至数据分析模块,所述数据分析模块将将所述拉力信号与初始拉力值进行比较,并通过标定公式计算出植物树干当前直径值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明,它们没有在细节中提供;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范围。

Claims (12)

1.一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,包括:柔性可拉伸应变传感器、橡胶硬性套件、柔性单片机数据处理电路板;
所述柔性可拉伸应变传感器运用三维结构电纺碳化海绵导电基质与TPR弹性基底制备而成;
所述柔性可拉伸应变传感器与所述橡胶硬性件相连接共同套设于待测植物枝干上;
所述柔性单片机数据处理电路板与所述柔性可拉伸应变传感器连接,所述柔性单片机数据处理电路板用于采集和传输所述柔性可拉伸应变传感器产生的拉力信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,所述一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置与植物生长监测设备及系统中螺旋状压力传感器相比,性能更加优异,使用年限更长,适用领域更加宽广,在测量植物生长状况方面柔性可拉伸应变传感器能更好的贴合植物本身,使得测量数据更加精准。
3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,所述橡胶硬性套件呈首尾可连接环状。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,所述橡胶硬性套件为环状首尾可连接硬性橡胶体。
5.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,所述柔性可拉伸应变传感器包括多个拉伸应变传感器,多个所述拉伸应变传感器根据所述橡胶硬性套件的宽度与大小均匀设置于所述橡胶硬性套件内。
6.根据权利要求5所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,多个所述柔性可拉伸应变传感器相互串联并呈环状设置于所述橡胶硬性套件内。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,所述植物生长监测设备还包括太阳能电池板,所述柔性可拉伸应变传感器及所述柔性单片机数据处理电路板分别与所述太阳能电池板连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,所述太阳能电池板为柔性太阳能电池薄膜,所述柔性太阳能电池薄膜沿所述橡胶硬性件的延伸方向设置于所述橡胶硬性件的外表面。
9.根据权利要求8所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,
所述太阳能电池板包括多个多晶硅太阳能电池,多个所述多晶硅太阳能电池相互串联;
多个所述多晶硅太阳能电池依次沿所述延伸方向设置于所述橡胶硬性件的外表面。
10.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,所述数据处理电路板包括数据采集模块和数据传输模块;
所述数据采集模块用于采集所述拉力信号;
所述数据传输单元用于传输所述拉力信号至云端服务器,以使所述云端服务器根据所述拉力信号对植物生长进行监测。
11.一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,包括:
所述的植物生长监测设备及云端服务器;
所述云端服务器与所述植物生长监测设备通信连接。
12.根据权利要求11所述的一种基于NB-IoT的植物枝干生长监测装置,其特征在于,
所述云端服务器包括数据接收模块和数据分析模块;
所述接收单元用于接收所述植物生长监测设备发送的拉力信号;
所述分析单元用于根据所述拉力信号对植物生长进行监测。
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