CN113093620B - 一种分布式光合速率监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式光合速率监测系统，是在温室/大棚内的不同位置处分别部署多个监测端和一个主控端；该监测端分为两层，上层为叶片仓，下层为叶片仓测控室，叶片仓测控室内设置有电机、MCU模块、可充电电池、各个环境传感器、无线通信模块，并用于接收主控端指令，控制叶片仓自动开合以及测量叶片仓内作物叶片的环境因子数据后发送给主控端；主控端根据所接收到的环境因子数据拟合出光合速率。本发明能快速准确地分布测量温室/大棚内各处作物的光合速率，简化过程并提高装置在温室/大棚中的作用范围，为后续根据光合速率对温室/大棚内环境参数调控奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及智慧农业领域，具体涉及一种分布式光合速率监测系统，适用于温室/大棚作物的光合速率监测，以及根据光合速率对温室/大棚内环境参数进行调控。
背景技术
光合作用是作物在光子通量密度条件下，将二氧化碳和水转化为有机物，实现物质积累的生化过程，决定作物的产量与品质。而光合速率是在光饱和条件下表面光合效率的重要指标，是提高光合作用、加快物质积累、提高产量和品质的关键，因此要对光合速率进行精确、实时、分布式监测。
目前常见的光合速率检测方法有三种，一种是叶绿素荧光检测法，另一种是基于气体交换原理的测定法，还有一种是根据温度、CO2浓度、光子通量密度等环境因子与光合速率之间的关系构建模型的计算方法，例如论文“胡瑾.基于作物光合需求的设施光环境调控方法与技术研究[D].西北农林科技大学,2016.”。在光合速率检测装置方面，PTM-48A植物生理生态监测系统和LI-COR(Li-6400和Li-6800)便携式光合仪是两款有代表性的检测设备，其中PTM-48A的叶片仓开闭设计为气动控制，且无传感器测量叶片仓闭合压力，可能会造成叶片仓与外界进行气体交换，致使测量的误差增大。Li-6400与Li-6800的叶片仓开闭设计为手动控制，未实现自动化。而且这两款设备的叶片仓仍需与主机进行实体连接和有线通信，均未实现分布式测量作物的光合速率。因此具有较大的局限性。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种分布式光合速率监测系统，以期能快速准确地分布测量温室/大棚内各处作物的光合速率，简化过程并提高装置在温室/大棚中的作用范围，为后续根据光合速率对温室/大棚内环境参数调控奠定基础。
本发明为解决技术问题采取如下技术方案：
本发明一种分布式光合速率监测系统的特点是：在温室/大棚内的不同位置处分别部署多个监测端和一个主控端；
所述监测端分为两层，上层为叶片仓，下层为叶片仓测控室；
所述叶片仓包括：透明顶盖板、底盖板、电机驱动杆、驱动杆导轨；
所述透明顶盖板通过铰链与底盖板相连接；并在所述透明顶盖板与底盖板的闭合处沿边设置有密封圈；
在所述透明顶盖板和底盖板的侧部分别设置有驱动杆导轨，在一对驱动杆导轨之间设置有电机驱动杆；所述电机驱动杆是由下中空套管和上实心杆连接而成，下中空套管在电机的驱动下沿驱动杆导轨转动，从而带动上实心杆沿中心轴方向上下移动，以控制叶片仓的透明顶盖板的开合；
在所述透明顶盖板与底盖板的闭合处设置有凸台，所述凸台上设置有薄膜式压力传感器，用于获取叶片仓的开合度；
在底盖板上设置有若干个预留孔；
所述叶片仓测控室内设置有所述电机、MCU模块、可充电电池、各个环境传感器、无线通信模块；
在所述底盖板的预留孔处安装有温度传感器、CO2浓度传感器、PAR光子通量密度传感器；
在监测端的外侧设置有显示屏；
所述MCU模块分别与电机、温度传感器、CO2浓度传感器、PAR光子通量密度传感器、薄膜压力传感器、无线通信模块和显示屏相连，并由所述可充电电池供电；
所述MCU通过无线通信模块接收主控端的测量命令，并驱动所述电机转动以控制叶片仓的透明顶盖板闭合，从而利用温度传感器、CO2浓度传感器、PAR光子通量密度传感器对处于所述叶片仓中的作物叶片进行测量，得到的三个环境参数通过无线通信模块发送给主控端，同时在显示屏上进行显示；
所述主控端包括：主MCU模块、触摸屏、主无线通信模块和电源模块；
在所述触摸屏上显示多个监测端的状态信息，并能对各监测端的叶片仓的开合时间进行设置；
所述主MCU模块通过主无线通信模块接收多个监测端的环境参数并代入已拟合的光合速率计算模型，从而得到各个监测端内叶片的光合速率。
本发明所述的一种分布式光合速率监测系统的特点也在于：
所述监测端放置在可伸缩的托板上，所述托板安装在可升降的三角架上，以满足不同空间位置处作物叶片的环境参数的测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的监测端接收主控端的测量命令，驱动电机转动，在压力传感器的反馈下控制叶片仓的透明顶盖板自动闭合，然后自动获取仓内环境数据，监测端的全自动化操作不仅实现了连续测量，而且大大减少了人为操作带来的误差。
2、本发明设计了一种温室/大棚环境下分布式作物光合速率监测方法，监测端与主控端是分离的，消除了实体连接和有线通信的局限，使得监控端可以布置在温室/大棚各处，实现对温室/大棚内各处作物叶片进行光合速率监测，使测得的光合速率可以更加全面的代表温室/大棚作物整体的光合速率值。
3、本发明采用低成本的光合速率测量方案和环保型结构材料，可以简单、有效、低成本和不破坏植物生理状态的计算出作物的光合速率，适合大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明分布式光合速率监测系统的总体示意图；
图2为本发明监测端结构图；
图3为本发明叶片仓测控电路框图；
图4为本发明监测端安放示意图；
图5为本发明主控端电路框图；
图中标号：a为监测端；b为主控端；1、叶片仓；2、透明顶盖板；3、伺服电机；4、传感器安装预留孔；5、密封圈；6、OLED屏；7、压力传感器放置平台；8、叶片仓测控室；9、橡胶铰链；10、驱动杆导轨；11、电机驱动杆。
具体实施方式
本实施例中，一种分布式光合速率监测系统，可以通过分布式监测的方法计算在温室/大棚内的不同位置处的作物叶片的光合速率，如图1所示，该系统包括：多个监测端a和一个主控端b；
如图2所示，监测端a分为两层，上层为叶片仓1，下层为叶片仓测控室8；
叶片仓1包括：透明顶盖板2、底盖板、电机驱动杆11、驱动杆导轨10；
透明顶盖板2通过铰链9与底盖板相连接，为不改变叶片的光照环境，顶盖板采用透明材质，使叶片保持正常的光合作用，便于PAR传感器采集数据；并在透明顶盖板2与底盖板的闭合处沿边设置有密封圈5，确保叶片仓闭合时与外界无气体交换；
在透明顶盖板2和底盖板的侧部分别设置有驱动杆导轨10，在一对驱动杆导轨之间设置有电机驱动杆11；电机驱动杆11是由下中空套管和上实心杆连接而成，下中空套管在电机3的驱动下沿驱动杆导轨10转动，从而带动上实心杆沿中心轴方向上下移动，以控制叶片仓1的透明顶盖板2的开合；
在透明顶盖板2与底盖板的闭合处设置有凸台7，凸台7上设置有薄膜式压力传感器，用于感知叶片仓1的开合度；具体实施中，薄膜式压力传感器为RFP602电阻式薄膜压力传感器；
在底盖板上设置有若干个预留孔4；
叶片仓测控室8内设置有电机3、MCU模块、可充电电池、各个环境传感器、无线通信模块；其中电机3，用于接收主控端信号，根据该信号控制电机驱动杆11沿驱动杆导轨10转动。
在测控室8与底盖板相连的预留孔4处安装有温度传感器、CO2浓度传感器、PAR光子通量密度传感器；具体实施中，温度传感器为DS18B20单总线温度传感器，CO2浓度传感器为MH-Z19C红外二氧化碳浓度传感器；PAR传感器为DAVIS 6450太阳辐射传感器；
在监测端a外侧设置有显示屏6；具体实施中，显示屏为0.96寸OLED显示屏；
MCU模块分别与电机3、温度传感器、CO2浓度传感器、PAR光子通量密度传感器、薄膜压力传感器、无线通信模块和显示屏6相连，并由可充电电池供电；具体实施中，可充电电池为5V/1800mAh可充电锂离子电池；
如图3所示，MCU通过无线通信模块接收主控端b的测量命令，并驱动电机3转动以控制叶片仓1的透明顶盖板2闭合，从而利用温度传感器、CO2浓度传感器、PAR光子通量密度传感器对处于叶片仓1中的作物叶片进行测量，得到的环境参数通过无线通信模块发送给主控端b，同时在显示屏6上进行显示；
如图4所示，监测端a放置在可伸缩的托板上，托板安装在可升降的三角架上，以满足不同空间位置处作物叶片的环境参数的测量。
如图5所示，主控端b包括：主MCU模块、触摸屏、主无线通信模块和电源模块；
本实施例中，MCU模块和主MCU模块的型号均为STM32；触摸屏为7寸电容触摸屏；无线通信模块与主无线通信模块均为NRF24L01；
在触摸屏上显示多个监测端的状态信息，并能对各监测端的叶片仓的开合时间进行设置；
在主MCU模块上部署作物多因子拟合的光合速率模型；主MCU模块通过主无线通信模块接收多个监测端的环境参数并代入已拟合的光合速率模型进行计算，从而得到各个监测端内叶片的光合速率；
主控端的电源可采用多种供电形式，如市电和蓄电池等。
综上所述，本实施例中的一种分布式光合速率监测系统中的主控端和监测端通过无线通信，使监测端与主控端分离且不受信号线所约束，可独立工作在温室/大棚内的各个区域，实现了作物光合速率的分布式监测，使测得的光合速率可以更加全面的代表温室/大棚作物整体的光合速率值。
Claims (1)
1.一种分布式光合速率监测系统，其特征是：在温室/大棚内的不同位置处分别部署多个监测端(a)和一个主控端(b)；
所述监测端(a)分为两层，上层为叶片仓(1)，下层为叶片仓测控室(8)；所述监测端(a)放置在可伸缩的托板上，所述托板安装在可升降的三角架上，以满足不同空间位置处作物叶片的环境参数的测量；
所述叶片仓(1)包括：透明顶盖板(2)、底盖板、电机驱动杆(11)、驱动杆导轨(10)；
所述透明顶盖板(2)通过铰链(9)与底盖板相连接；并在所述透明顶盖板(2)与底盖板的闭合处沿边设置有密封圈(5)；
在所述透明顶盖板(2)和底盖板的侧部分别设置有驱动杆导轨(10)，在一对驱动杆导轨之间设置有电机驱动杆(11)；所述电机驱动杆(11)是由下中空套管和上实心杆连接而成，下中空套管在电机(3)的驱动下沿驱动杆导轨(10)转动，从而带动上实心杆沿中心轴方向上下移动，以控制叶片仓(1)的透明顶盖板(2)的开合；
在所述透明顶盖板(2)与底盖板的闭合处设置有凸台(7)，所述凸台(7)上设置有薄膜式压力传感器，用于获取叶片仓(1)的开合度；所述凸台(7)是在所述透明顶盖板(2)与底盖板的闭合处的外侧壁上；
在底盖板上设置有若干个预留孔(4)；
所述叶片仓测控室(8)内设置有所述电机(3)、MCU模块、可充电电池、各个环境传感器、无线通信模块；
在所述底盖板的预留孔(4)处安装有温度传感器、CO2浓度传感器、PAR光子通量密度传感器；
在监测端(a)的外侧设置有显示屏(6)；
所述MCU模块分别与电机(3)、温度传感器、CO2浓度传感器、PAR光子通量密度传感器、薄膜压力传感器、无线通信模块和显示屏(6)相连，并由所述可充电电池供电；
所述MCU通过无线通信模块接收主控端(b)的测量命令，并驱动所述电机(3)转动以控制叶片仓(1)的透明顶盖板(2)闭合，从而利用温度传感器、CO2浓度传感器、PAR光子通量密度传感器对处于所述叶片仓(1)中的作物叶片进行测量，得到的三个环境参数通过无线通信模块发送给主控端(b)，同时在显示屏(6)上进行显示；
所述主控端(b)包括：主MCU模块、触摸屏、主无线通信模块和电源模块；
在所述触摸屏上显示多个监测端的状态信息，并能对各监测端的叶片仓的开合时间进行设置；
在主MCU模块上部署作物多因子拟合的光合速率模型；主MCU模块通过主无线通信模块接收多个监测端的光合速率参数并代入已拟合光合速率模型进行计算，从而得到各个监测端内叶片的光合速率。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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