CN113671133B - 一种实时监测及修正作物倾角的装置及其抗作物倒伏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时监测及修正作物倾角的装置及其抗作物倒伏的方法，包括倾角传感器，通过弹力橡胶圈固定在作物茎杆上，用于测量作物茎杆的角度变化并将角度变化转化为电流信号；数据传输模块，用于接收倾角传感器的电流信号；数据处理与评估模块，与数据传输模块电性连接，用于接收电流信号并经过运算将结果数据传送至数据传输模块；倾角修复模块，其包括伺服电机、与伺服电机的输出轴缠绕连接的尼龙线，尼龙线与弹力橡胶圈连接，伺服电机与所述数据传输模块电性连接，用于将脉冲电流信号转化为力的大小和方向以带动尼龙线来修正作物茎杆的倾角。本发明能更加直观准确的实时监测和修正作物的倾角，广泛应用于作物科学研究和作物实际生产。

Description

一种实时监测及修正作物倾角的装置及其抗作物倒伏的方法

技术领域

本发明涉及农业作物的技术领域，尤其涉及一种实时监测及修正作物倾角的装置及其抗作物倒伏的方法。

背景技术

作物的倒伏导致作物产量降低、品质变差、收获难度提高等。有效地测量和评估作物的抗倒能力，对作物的栽培、育种引种、品种审定等都具有非常重要的参考价值。

当前评价作物抗倒能力，主要分为两种。第1种是：测定作物生理生化指标，通过建立相关性，间接来推断作物的抗倒能力。第2种是：用茎秆强度测量仪测定茎秆抗折力，通过建立相关性，间接来推断作物的抗倒能力。这两种方式，可以概括为，从生理生化方面评价、从农艺性状方面评价。共同点是把作物茎杆取下测量，或者破坏性的测量、或者忽略某部分的影响，这会导致很大的误差，难以准确反应和评价作物的抗倒伏能力。或者将以上两种方法结合使用，也仅仅是测量和评价作物某一个时间点的静态的抗倒能力，很难反应作物整个生育期或者关键生育期的抗倒能力。

作物的倒伏是作物自身和所处环境共同作用的结果。实际上作物的抗倒能力，既有作物本身的调节适应发挥作用，也有自然环境的影响。以上两种方式，都无法准确的反应作物的抗倒能力，所以亟需发明一种比较直观准确的方法来评价作物的抗倒伏能力。

另外，现有技术中也没有对作物的倾斜进行修正以抗作物倒伏的方案。

发明内容

基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供一种实时监测及修正作物倾角的装置，更加直观准确的实时监测和修正作物的倾角，广泛应用于作物科学研究和作物实际生产。

相应的，本发明还提供了一种实时监测及修正作物倾角的装置的抗作物倒伏的方法，可以实时监测及修正作物的倾角，进一步对作物的抗倒能力进行评估。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种实时监测及修正作物倾角的装置，包括倾角传感器，通过弹力橡胶圈固定在作物茎杆上，用于测量作物茎杆的角度变化并将角度变化转化为电流信号；数据传输模块，与所述倾角传感器电性连接，用于接收所述倾角传感器的电流信号；数据处理与评估模块，与所述数据传输模块电性连接，用于接收所述电流信号并经过运算将结果数据传送至数据传输模块，所述数据传输模块将运算后的数据转化为脉冲电流信号传输至倾角修复模块；倾角修复模块，其包括伺服电机、与所述伺服电机的输出轴缠绕连接的尼龙线，所述尼龙线与所述弹力橡胶圈连接，所述伺服电机与所述数据传输模块电性连接，用于将脉冲电流信号转化为力的大小和方向以带动尼龙线来修正作物茎杆的倾角。

优选的，每株作物的周围设置4个伺服电机，并呈十字交叉对称排列。

进一步的，作物旁设有深插在土壤中的固定立杆，所述固定立杆的顶部设有太阳能发电板；所述固定立杆上安装有防水密闭盒子，所述防水密闭盒子内设有与所述太阳能发电板连接的可充电锂电池和所述数据传输模块，所述可充电锂电池和太阳能发电板用于给整个装置进行供电。

进一步的，所述伺服电机通过导线与所述可充电锂电池和数据传输模块连接。

优选的，所述数据处理与评估模块由上位机和上位机软件组成，所述上位机为手机、便携式笔记本电脑、平板电脑、可编程硬件中的一种，所述上位机软件还用于处理数据、实时显示数据、极值报警、电源低压报警、历史数据查询记录、角度变化曲线绘制、作物抗倒评估、数据备注导出、倾角校正、倾角确认。

本发明的实时监测及修正作物倾角的装置的抗作物倒伏的方法，其步骤为：

S1，把固定立杆深插在土壤中，在固定立杆的顶部设置太阳能发电板，在固定立杆上安装防水密闭盒子，在其内部安装可充电锂电池和数据传输模块；

S2，把倾角传感器用弹力橡胶圈固定在作物茎杆上，倾角传感器通过导线与防水密闭盒子内部的可充电锂电池、数据传输模块电性连接；

S3，在数据处理与评估模块的上位机软件上，按下“开机/关机”按钮，打开电源开关通电，检查上位机和上位机软件，上位机软件显示角度变化，说明实时监测及修正作物倾角的装置已经正常工作，开始记录作物茎杆的倾角变化；

S4，通过上位机软件发出角度复位程序指令，也即按下“基准校正”按钮，则此时倾角传感器的测量值表示作物茎杆此刻的三维空间角度基准状态，按下“基准确认”按钮，默认此刻为作物茎杆的倾角的基准，在上位机上按下“自动记录”按钮，此时开始记录和保存作物茎杆的倾角变化，并在上位机软件上自动绘制和显示角度变化曲线；

S5，通过上位机软件发出倾角校正程序指令，也即按下“倾角校正”按钮，此时伺服电机自动归位，也即转速、转向、扭矩统一，使作物茎杆保持与水平面呈90度直角，按下“倾角确认”按钮，默认此刻为作物茎杆倾角的修正基准。

另外，在步骤S4中，根据不同要求不同作物，通过操作上位机软件，可以记录1h、2h、12h、24h、5d、10d、20d、30d、365d、500d任意时间段作物茎杆的倾角变化，同时可在上位机软件中对数据进行数据处理、实时显示数据、极值报警、电源低压报警、历史数据查询记录、角度变化曲线绘制、作物抗倒评估、数据备注导出、信号识别、自动记录、基准校正、基准确认、端口设置、极值设置、开源编程、倾角校正、倾角确认。

由上，本发明提供的实时监测及修正作物倾角的装置及其抗作物倒伏的方法，具有更加直观准确的实时监测和修正作物倾角的技术效果，广泛应用于作物科学研究和作物实际生产，进一步对作物的抗倒能力进行评估。可实时监测和修正，可实时监测不修正、可单独修正不监测。实时监测作物茎杆的倾角变化，既可以判断抗倒能力，也可进一步通过上位机软件发出倾角修正程序指令或否。

本发明的实时监测作物倾角变化已经满足作物实际生产的抗倒能力评价的需要，进一步修正倾角是用于作物科学研究，可通过操作上位机软件设置为实时监测倾角变化并修正，此时，只要作物的倾角发生变化，伺服电机立即执行数据处理与评估模块的运算结果，立即将作物茎杆修正，此时修正所需要的力的大小和方向因作物的个体、环境不同而不同，对作物的引种育种具有重要参考价值，也对分析作物抗倒的机理有重大帮助。

附图说明

图1为本发明的实时监测及修正作物倾角的装置的结构框图；

图2为本发明的实时监测及修正作物倾角的装置的结构示意图；

图3为本发明的防水密闭盒子的外观图；

图4为本发明的防水密闭盒子的内部图；

图5为本发明的上位机软件的主页布局图。

图6为本发明的电源布局图；

图7为本发明的数据处理与评估模块的布局图；

图8为本发明的品种A和品种B倾角变化总体态势图；

图9为本发明的作物茎杆与所在土壤水平面的夹角示意图；

图10为本发明的伺服电机排列俯视图；

图11为本发明的伺服电机排列主视图。

其中：1-可充电锂电池、2-太阳能发电板、3-光敏二极管、4-倾角传感器、5-数据传输模块、6-数据处理与评估模块、6-1-上位机、6-2-上位机软件、7-固定立杆、8-导线、8-1-螺母、8-2-螺丝、8-3-防水密闭盒子、9-倾角修复模块、9-1-伺服电机、9-2-伺服电机底座、9-3-底座固定杆、9-4-尼龙线、10-弹力橡胶圈、11-作物茎杆。

具体实施方式

如图1-图11所示，本发明实施例提供的实时监测及修正作物倾角的装置包括可充电锂电池1、太阳能发电板2、光敏二极管3、倾角传感器4、数据传输模块5、数据处理与评估模块6、固定立杆7、导线8、倾角修复模块9、弹力橡胶圈10。

本实施例所选的倾角传感器4的型号为HWT31。所选的数据传输模块5的型号为WT4G-M。所选的导线8的型号为铁氟龙。伺服电机9-1的型号为130ST-M15025。以上材料均可以从商业渠道购得。

可充电锂电池1或太阳能发电板2给整个装置进行供电。白天，实时监测及修正作物倾角的装置，工作时，由太阳能发电板2供电，并将多余的电储存在可充电锂电池1中；夜晚工作时，由可充电锂电池1供电。可充电锂电池1、太阳能发电板2与光敏二极管3连接，由光敏二极管3的感光阻值变化引起电流变化，进一步实现对整个装置的供电判断。

倾角传感器4用于测量作物的倾角。可充电锂电池1、倾角传感器4、数据传输模块5互相电性连接。由可充电锂电池1、太阳能发电板2供电，倾角传感器4通过弹力橡胶圈10固定在作物茎杆11上，弹力橡胶圈10具有弹力，不影响作物的茎杆生长发育。作物茎杆11的角度改变，引起倾角传感器4的角度变化，倾角传感器4把角度变化转化为变化的电流信号通过导线8传输到数据传输模块5。

数据传输模块5把接收到的角度变化数据，通过无线传输，传输给数据处理与评估模块6。数据传输模块5由可充电锂电池1、太阳能发电板2供电。一个数据传输模块5可以连接若干个倾角传感器4，且可将数据通过无线传输，传输给数据处理与评估模块6。

数据处理与评估模块6由上位机6-1和上位机软件6-2组成，数据处理与评估模块6是硬件和软件的结合体。上位机6-1可以是手机、便携式笔记本电脑、平板电脑、可编程硬件中的任意一种；上位机软件6-2用于处理数据、实时显示数据、极值报警、电源低压报警、历史数据查询记录、角度变化曲线绘制、作物抗倒评估、数据备注导出、倾角校正、倾角确认等。

固定立杆7设置在作物旁，固定立杆7的底部深插在土壤中，优选为20厘米-50厘米，固定立杆7上每隔10厘米设置有安装孔，防水密闭盒子8-3通过螺母8-1和螺丝8-2固定在固定立杆7上。固定立杆7的顶部设有上述太阳能发电板2，太阳能发电板2与固定立杆7通过螺丝8-2和螺母8-1连接。

数据传输模块5和可充电锂电池1集成在防水密闭盒子8-3的内部。防水密闭盒子8-3通过螺母8-1和螺丝8-2在固定立杆7的上高度可调节。

太阳能发电板1通过导线8电性连接到防水密闭盒子8-3的内部，倾角传感器4通过导线8电性连接到数据传输模块5。导线8的长度任意、选择重量较轻、具有防水防晒抗老化的铁氟龙导线。

本发明的倾角修复模块9由伺服电机9-1、伺服电机底座9-2、底座固定杆9-3、尼龙线9-4组成。伺服电机9-1通过导线8与可充电锂电池1、太阳能发电板2、数据传输模块5电性连接。尼龙线9-4的一端缠绕连接在伺服电机9-1的输出轴上，尼龙线9-4的另一端连接在弹力橡胶圈10上，底座固定杆9-3深插在土壤中，优选为20-50厘米。数据处理与评估模块6接收到数据传输模块5发送的倾角传感器4的测量数据后，经过上位机6-1和上位机软件6-2运算，再次将结果数据发送至数据传输模块5，数据传输模块5将运算后的数据转化为变化的脉冲电流信号，通过导线8传输至伺服电机9-1执行，伺服电机9-1将变化的脉冲电流信号转化为力的大小和方向，也即伺服电机9-1的正转、反转、转速、扭矩，通过尼龙线9-4连接弹力橡胶圈10来修正作物茎杆11的倾角。优选的，每株作物设置4个伺服电机9-1，呈十字交叉对称排列，目的是便于对作物茎杆11发生的倾角进行力的分解和修正。

本发明的实时监测及修正作物倾角的装置的工作步骤(抗作物倒伏的方法)如下：

第1步：把固定立杆7深插在土壤中，优选为20-50厘米，固定立杆7的顶部设有太阳能发电板2，太阳能发电板2与固定立杆7通过螺丝8-2和螺母8-1连接；导线8与太阳能发电板2电性连接，可穿过防水密闭盒子8-3到达内部，并与可充电锂电池1、数据传输模块5、倾角传感器4、伺服电机9-1电性连接。

第2步：把倾角传感器4用弹力橡胶圈10分别固定在甘蓝型油菜品种A和品种B的作物茎杆11上，导线8电性连接倾角传感器4，穿过防水密闭盒子8-3的外壳到达防水密闭盒子8-3内部，与可充电锂电池1、数据传输模块5电性连接。

第3步：在数据处理与评估模块6的上位机6-1中的上位机软件6-2上，按下“开机/关机”按钮，打开电源开关通电，检查上位机6-1和上位机软件6-2，上位机软件6-2显示角度变化，说明实时监测及修正作物倾角的装置已经正常工作，开始分别记录甘蓝型油菜品种A和品种B的作物茎杆11的倾角变化。

第4步：通过上位机软件6-2发出角度复位程序指令，也即按下“基准校正”按钮，则此时倾角传感器4的测量值分别表示甘蓝型油菜品种A和品种B的作物茎杆11此刻的三维空间角度基准状态，按下“基准确认”按钮，默认此刻为甘蓝型油菜品种A和品种B的作物茎杆11的倾角的基准，在上位机6-1上按下“自动记录”按钮，此时开始记录和保存甘蓝型油菜品种A和品种B的作物茎杆11的倾角变化，并在上位机软件6-2上自动绘制和显示角度变化曲线。

如图9所示，通过操作上位机软件6-2，甘蓝型油菜的作物茎杆11与所在土壤水平面的夹角表示为α，按下“极值设置”按钮，设甘蓝型油菜作物茎杆11与所在土壤水平面的夹角为：

0°至30°：抗倒能力差，严重影响收割；

30°至60°：抗倒能力中等，影响收割；

60°至90°：抗倒能力强，不影响收割。

设置的记录时间为100天。

根据不同要求不同作物，通过操作上位机软件6-2可以记录1h、2h、12h、24h、5d、10d、20d、30d、365d、500d等任意时间段作物茎杆11的倾角变化，同时可在上位机软件6-2中对数据进行数据处理、实时显示数据、极值报警、电源低压报警、历史数据查询记录、角度变化曲线绘制、作物抗倒评估、数据备注导出、信号识别、自动记录、基准校正、基准确认、端口设置、极值设置、开源编程、倾角校正、倾角确认等。

在这100天的工作时间段，品种A和品种B甘蓝型油菜各自的作物茎杆11与所在土壤的水平面的夹角α，可能是外界环境如风力造成的倾角变化，也可能是油菜角果的重量导致的倾角变化，上位机软件6-2都记录保存、显示、分析、评估。

100天后，结果如图8所示，在上位机软件6-2上按下“抗倒评估”按钮，上位机软件6-2依据前述的“极值设置”和时间设置，自动评估出A品种和B品种的抗倒能力。

分析图8可知，A品种的总体倾角变化是急促的，但是最后趋于90°，说明：抗倒能力强，不影响收割。

B品种的总体倾角变化是缓和的，但是最后确趋于30°，说明抗倒能力差，严重影响收割。在上位机软件6-2上按下“抗倒评估”按钮，结果显示A品种的抗倒能力比B品种的强。

由此，使用实时监测及修正作物倾角的装置，对2个品种的甘蓝型油菜进行了角果收获期的实时倾角监测，并且针对油菜收获的特殊性，利用上位机软件6-2进行了“极值设置”，更加直观准确的评价这2个甘蓝型油菜品种抗倒能力的差异。

简而言之，在实际农业生产应用中，甘蓝型油菜茎杆与地面的夹角α处于60°至90°时，主要原因是因为角果的重量导致茎杆的弯曲进一步导致倾角的变化，这是自然的生物学规律，是不可逆的，完全不影响油菜收割，所以上述的实时监测及修正作物倾角的装置，以及评价作物抗倒的方法，能客观、直观、准确的记录和反应油菜的抗倒能力。

需要注意的是：

1、针对不同的品种，在上位机软件6-2上按下“极值设置”按钮，设置不同的倾角评价标准，最后按下“抗倒评估”按钮时，抗倒能力的结果不一样。

2、把倾角传感器4固定在同一作物茎杆11的位置，才能准确的评价不同品种的抗倒能力。

3、不同作物的生育周期不同，且发生倒伏的阶段也不同，需要设置的记录倾角变化时间不一样，按下“极值设置”既可设置。

第5步：通过上位机软件6-2发出倾角校正程序指令，也即按下“倾角校正”按钮，此时伺服电机9-1自动归位，也即转速、转向、扭矩统一，使甘蓝型油菜品种A和品种B的作物茎杆11保持与水平面呈90度直角，按下“倾角确认”按钮，默认此刻为作物茎杆11倾角的修正基准。当发生了倾角变化以后，再次按下“倾角校正”按钮，通过发生的倾角变化和修正基准对比，将运算结果传输至数据传输模块5，数据传输模块5将运算后的数据转化为变化的脉冲电流信号，通过导线8传输至伺服电机9-1执行，伺服电机9-1将变化的脉冲电流信号转化为力的大小和方向，也即伺服电机9-1的正转、反转、转速、扭矩，通过尼龙线9-4连接弹力橡胶圈10来修正甘蓝型油菜品种A和品种B的作物茎杆11的倾角；

至此，本发明的实时监测及修正作物倾角的装置，完成了整个工作流程。

本发明可实时监测和修正，可实时监测不修正、可单独修正不监测。实时监测2个甘蓝型油菜品种A和品种B的作物茎杆11的倾角变化，既可以判断抗倒能力，也可进一步通过上位机软件6-2发出倾角修正程序指令或否。

本发明的实时监测作物倾角变化已经满足作物实际生产的抗倒能力评价的需要，进一步修正倾角是用于作物科学研究，例如可通过操作上位机软件6-2的“开源编程”按钮，设置为实时监测倾角变化并修正，此时，只要作物的倾角发生变化，伺服电机9-1立即执行数据处理与评估模块6的运算结果，立即将作物茎杆11修正，此时修正所需要的力的大小和方向因作物的个体、环境不同而不同，对作物的引种育种具有重要参考价值，也对分析作物抗倒的机理有重大帮助。

本发明中所指的作物，是指具有直立茎杆的，包含粮食作物、经济作物、油料作物、糖料作物、嗜好作物，如油菜、水稻、小麦、玉米、大豆、棉花、甘蔗、向日葵、辣椒等。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (5)

1.一种实时监测及修正作物倾角的装置，其特征在于，包括：

倾角传感器(4)，通过弹力橡胶圈(10)固定在作物茎杆(11)上，用于测量作物茎杆(11)的角度变化并将角度变化转化为电流信号；

数据传输模块(5)，与所述倾角传感器(4)电性连接，用于接收所述倾角传感器(4)的电流信号；

数据处理与评估模块(6)，与所述数据传输模块(5)电性连接，用于接收所述电流信号并经过运算将结果数据传送至数据传输模块(5)，所述数据传输模块(5)将运算后的结果数据转化为脉冲电流信号传输至倾角修复模块(9)；

倾角修复模块(9)，其包括伺服电机(9-1)、与所述伺服电机(9-1)的输出轴缠绕连接的尼龙线(9-4)，所述尼龙线(9-4)与所述弹力橡胶圈(10)连接，所述伺服电机(9-1)与所述数据传输模块(5)电性连接，用于将脉冲电流信号转化为力的大小和方向以带动尼龙线(9-4)来修正作物茎杆(11)的倾角；

所述数据处理与评估模块(6)由上位机(6-1)和上位机软件(6-2)组成，所述上位机(6-1)为手机、便携式笔记本电脑、平板电脑、可编程硬件中的一种，所述上位机软件(6-2)还用于处理数据、实时显示数据、极值报警、电源低压报警、历史数据查询记录、角度变化曲线绘制、作物抗倒评估、数据备注导出、倾角校正、倾角确认；所述装置运行时，在上位机(6-1)上按下“自动记录”按钮，此时开始记录和保存作物茎杆(11)的倾角变化，并在上位机软件(6-2)上自动绘制和显示角度变化曲线；每株作物的周围设置4个伺服电机(9-1)，并呈十字交叉对称排列，分别与4个伺服电机的输出轴缠绕的4根尼龙线（9-4）都与所述弹力橡胶圈(10)连接。

2.根据权利要求1所述的实时监测及修正作物倾角的装置，其特征在于，作物旁设有深插在土壤中的固定立杆(7)，所述固定立杆(7)的顶部设有太阳能发电板(2)；所述固定立杆(7)上安装有防水密闭盒子(8-3)，所述防水密闭盒子(8-3)内设有与所述太阳能发电板(2)连接的可充电锂电池(1)和所述数据传输模块(5)，所述可充电锂电池(1)和太阳能发电板(2)用于给整个装置进行供电。

3.根据权利要求2所述的实时监测及修正作物倾角的装置，其特征在于，所述伺服电机(9-1)通过导线(8)与所述可充电锂电池(1)和数据传输模块(5)连接。

4.一种基于权利要求2或至3中所述的实时监测及修正作物倾角的装置的抗作物倒伏的方法，其特征在于，其步骤为：

S1，把固定立杆(7)深插在土壤中，在固定立杆(7)的顶部设置太阳能发电板(2)，在固定立杆(7)上安装防水密闭盒子(8-3)，在其内部安装可充电锂电池(1)和数据传输模块(5)；

S2，把倾角传感器(4)用弹力橡胶圈(10)固定在作物茎杆(11)上，倾角传感器(4)通过导线与防水密闭盒子(8-3)内部的可充电锂电池(1)、数据传输模块(5)电性连接；

S3，在数据处理与评估模块(6)的上位机软件(6-2)上，按下“开机/关机”按钮，打开电源开关通电，检查上位机(6-1)和上位机软件(6-2)，上位机软件(6-2)显示角度变化，说明实时监测及修正作物倾角的装置已经正常工作，开始记录作物茎杆(11)的倾角变化；

S4，通过上位机软件(6-2)发出角度复位程序指令，也即按下“基准校正”按钮，则此时倾角传感器(4)的测量值表示作物茎杆(11)此刻的三维空间角度基准状态，按下“基准确认”按钮，默认此刻为作物茎杆(11)的倾角的基准，在上位机(6-1)上按下“自动记录”按钮，此时开始记录和保存作物茎杆(11)的倾角变化，并在上位机软件(6-2)上自动绘制和显示角度变化曲线；

S5，通过上位机软件(6-2)发出倾角校正程序指令，也即按下“倾角校正”按钮，此时伺服电机(9-1)自动归位，也即转速、转向、扭矩统一，使作物茎杆(11)保持与水平面呈90度直角，按下“倾角确认”按钮，默认此刻为作物茎杆(11)倾角的修正基准。

5.根据权利要求4所述的抗作物倒伏的方法，其特征在于，在步骤S4中，根据不同要求、不同作物，通过操作上位机软件(6-2)，记录1h、2h、12h、24h、5d、10d、20d、30d、365d、500d任意时间段作物茎杆(11)的倾角变化，同时在上位机软件(6-2)中对数据进行数据处理、实时显示数据、极值报警、电源低压报警、历史数据查询记录、角度变化曲线绘制、作物抗倒评估、数据备注导出、信号识别、自动记录、基准校正、基准确认、端口设置、极值设置、开源编程、倾角校正、倾角确认。