CN113702448B - 一种可穿戴式植物叶片表面含水率监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴式植物叶片表面含水率监测装置，所述装置包括柔性传感器模块、信号采集模块、显示模块、系统控制模块；所述柔性传感器模块通过柔性叉指电极表面的传感元件采集植物叶片含水率信息的电流信号，并发送所述电流信号至信号采集模块；信号采集模块接收所述电流信号并转换为数字信号，并发送所述数字信号至系统控制模块；系统控制模块对接受到的所述数字信号进行处理并发送含水率信息至显示模块；显示模块接收并显示含水率信息。本发明对叶片表面含水率检测快速、检测结果准确，可实现对作物生长状态和生长指标的实时监控，可根据评估结果对农作物的发育情况进行适度的调节。

Description

一种可穿戴式植物叶片表面含水率监测装置
技术领域
本发明涉及一种含水率监测系统，尤其涉及一种可穿戴式植物叶片表面含水率监测装置。
背景技术
含水率是作物生长、发育状况的重要参考指标之一。作物叶片表面的含水率是表征植物光合作用和呼吸作用的关键因子。含水率在农作物生长的过程中，对农作物的生长速度、产量以及品质的影响十分显著，在设施农业种植中因光环境、供水环境、土壤环境等因素，需对种植培育中的农作物叶片含水率进行实时抽样监测，进而考察植物的生长发育情况，避免因作物缺水而影响产量。但是现阶段，大部分设施农业灌溉模式仍旧以粗犷的浇灌作业方式为主，这可能会致使各株植的含水率会因灌溉技术或方式的限制在地域和时域上产生差异，进而造成作物因获取水分不同而导致的生长的差异化，从而影响最终的作物产量。此外，现有的设施农业中主要使用湿度传感器通过检测空气环境和土壤中的含水率来间接判断作物的生长环境含水率变化，无法通过获取作物叶片表面的含水率来直接判断作物的生长状态。
可穿戴设备因其具有小型化、便携式的特点，在全球电子产品类的用量中占有很大的比重。低功耗的可穿戴设备逐步代替传统电池供电的便携式设备，将会成为未来几十年柔性电子产品的研究热点和发展趋势。将传感系统、通信系统与人体工学系统等较为全面的交叉知识集成于一体，涉及到了多个学科领域的工程，这些系统相互交叉配合，便组成了可穿戴体温监测设备，若要使系统实现较高的实用性，只有使各个系统之间密切协调，实现紧密的配合，才能使系统整体发挥最大价值。医学领域已将可穿戴传感设备应用于监测人体机能状态，相关设备也可在监测农产品的生长状态、成熟度、含水率、含糖率、光合作用和呼吸作用、无机盐的吸收及其转换等而在农业领域有着重要的应用价值。现有技术对植物叶片表面含水率监测设备检测过程长，检测结果慢、周期长，且通常对叶片进行侵入式检测，造成叶片损伤。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种快速、无损和实时的可穿戴式植物叶片表面含水率监测装置。
技术方案：本发明的可穿戴式植物叶片表面含水率监测装置，所述装置包括柔性传感器模块、信号采集模块、系统控制模块、显示模块；所述柔性传感器模块通过柔性叉指电极表面传感元件采集植物叶片含水率的信息的电流信号，并发送所述电流信号至信号采集模块；信号采集模块接收所述电流信号并转换为数字信号，并发送所述数字信号至系统控制模块；系统控制模块对接受到的所述数字信号进行处理并发送含水率信息至显示模块；显示模块接收控制信息并显示含水率信息；
柔性传感器模块贴附于植物叶片表面，利用柔性叉指电极表面的传感元件的吸水性，以吸收叶片表面的水分子，吸收不同浓度的水分子来改变电极的电阻和电容特性，将叶片表面含水率信息转换为电阻值或/和电容值，并传递给信号采集模块。
进一步地，所述装置包括蓝牙-串口通讯模块，系统控制模块发送含水率信息至蓝牙-串口通讯模块，蓝牙-串口通讯模块接收并发送含水率信息至接收终端。
进一步地，所述装置控制模块包括微处理器和寄存器模块。
进一步地，所述信号采集模块包括电阻测量模块和电容测量模块；所述电流信号包括电阻信号和电容信号；所述电阻测量模块通过ADC触控芯片测量电阻信号的数值；所述电容测试模块通过震荡电路测量电容信号的数值。
更进一步地，震荡电路由NE555、HA17555、LM555、CA555或NE556中任一计时器芯片与相应外围电路组成。
进一步地，所述柔性叉指电极的基底为柔性材料，所述柔性材料为聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯。
更进一步地，所述柔性叉指电极制备方法激光直写方法、丝网印刷方法、平版印刷方法、或喷墨打印方法。
进一步地，柔性传感器模块由柔性叉指电极和传感元件组成，柔性叉指电极为柔性叉指阵列电极；传感元件为电容传感元件和电阻传感元件，所述电容传感元件为石墨烯氧化物传感元件、聚苯乙烯传感元件、聚酰亚胺传感元件、纳米微晶纤维素或酷酸醋酸纤维传感元件；电阻传感元件为纯金属Se蒸发膜传感元件、LiCl传感元件、硅聚电解质/石墨烯复合物传感元件、纳米氧化钛传感元件、TiO2纳米传感元件。
进一步地，微处理器可为STC89C52芯片、MSP430芯片、AVR芯片、ARM芯片、STM32芯片或Arduino芯片；所述蓝牙-串口通讯模块为HC-05串口模块。
传感元件与蓝牙-串口通讯模块集成一体，可以在电容测量功能和电阻测量功能间相互切换，在使用传感器对植物叶片进行测量的同时，蓝牙模块可以实现数据的动态发送，所述系统依靠各模块相互配合来达到叶片表面含水率监测。
本发明的各个模块具有互换性和便携性，以此实现模块或元件的替换。将系统的控制模块、蓝牙-串口通讯模块、振荡电路模块封装在同一结构下，使用柔性传感器的粘性将信号采集模块与叶片接触，以此实现装置的可穿戴性。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)对叶片表面含水率检测快速、检测结果准确，可实现对作物生长状态和生长指标的实时监控，进而根据评估结果对农作物的发育情况进行适度的调节；(2)采用多模块集成，装置体积小，可穿戴在作物叶片表面进行含水率监测；(3)柔性传感器对湿度变化敏感性高，且体积轻薄与叶片贴合度高，测量结果精准度高。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为实施例4的电阻测量模块检测原理图；
图3为实施例5的电容测量模块和显示器模块原理图；
图4为实施例4的电阻测量模块的模拟输入原理图及系统控制模块脚位图；
图5为实施例2的柔性传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明的可穿戴式植物叶片表面含水率监测装置，所述装置包括柔性传感器模块、信号采集模块、显示模块、系统控制模块；
所述柔性传感器模块由柔性叉指电极和传感元件组成，柔性叉指电极为柔性叉指阵列电极，柔性叉指电极的基底为柔性材料，所述柔性材料为聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯；传感元件为电容传感元件和电阻传感元件，所述电容传感元件可为石墨烯氧化物传感元件、聚苯乙烯传感元件、聚酰亚胺传感元件、纳米微晶纤维素或酷酸醋酸纤维传感元件；电阻传感元件为纯金属Se蒸发膜传感元件、LiCl传感元件、硅聚电解质/石墨烯复合物传感元件、纳米氧化钛传感元件、TiO2纳米传感元件。
所述信号采集模块由QFN16规格封装的ET2046触控芯片或ADC0808/0809、AMC7820、AD6644AST、AD7865AST-1等ADC芯片组成，且使用D/A转换电路；信号采集模块包括电阻测量模块和电容测量模块；所述电流信号包括电阻信号和电容信号；所述电阻测量模块通过ADC触控芯片测量电阻信号的数值；所述电容测试模块通过震荡电路测量电容信号的数值；信号采集模块的输出端与系统控制模块相连，输入端与外部电阻分压电路端相连，D/A转换电路的输出端与控制系统相连，输入端与外部恒电压源电阻测量电路相连；D/A转换电路由QFN16规格封装的ET2046触控芯片或ADC0808/0809、AMC7820、AD6644AST或AD7865AST-1等ADC芯片组成。
所述显示模块为液晶屏显示器，优选为LCD1602液晶显示器、SMG12864液晶显示器、KS0108、ST7920、2.4寸TFT彩屏、NOKIA5110或7段数码管。显示模块由字符型液晶显示屏(LCD)、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上组成，所显示单元为字母、数字和符号等，使用16×1，16×2，20×2和40×2的点阵式LCD的显示模块。
所述系统控制模块包括微处理器和寄存器模块。微处理器可为STC89C52芯片、MSP430芯片、AVR芯片、ARM芯片、STM32芯片或Arduino芯片；
本发明的可穿戴式植物叶片表面含水率监测系统还包括蓝牙-串口通讯模块，所述蓝牙-串口通讯模块为HC-05串口模块；蓝牙-串口通讯模块，基于CSR蓝牙芯片，搭配FSC-BT826EN方案以及相应的外围电路实现SPP，GATT或HID等传输协议。
本发明检测流程及原理：
(1)柔性传感器模块贴附于植物叶片表面，利用柔性叉指电极表面的传感元件的吸水性，以吸收叶片表面的水分子，吸收不同浓度的水分子来改变电极的电阻和电容特性，将叶片表面含水率信息转换为电阻值和电容值，并传递给信号采集模块。
(2)信号采集模块包括电阻测量模块和电容测量模块；信号采集模块接收所述电流信号并转换为数字信号，并发送所述数字信号至系统控制模块；
(201)电阻测量模块中的ADC触控芯片采集电压信息，通过给ADC模块中引入参考电压，系统控制模块读取ADC数位值，将其与外部对比电压进行比较，将电压值转化为相应的数字信号。模拟信号转化为数字信号一般经过：采样、保持、量化和编码。采样和保持是在采样保持电路中完成，而量化与编码步骤则在ADC中完成，将转换完成的电压值由欧姆定律，最终计算出电阻值；电阻值的测量是通过ADC模块的采样、保持、量化和编码功能，依据外部给定恒压源测量出待测电阻的电位电压，通过欧姆定律将其转化为电阻值；
(202)电容测量模块通过震荡电路将传感器的待测电容以方波周期信号的形式对外输出，利用NE555作为信号发生器，给后级提供方波信号，之后的NE555是一个定时器，定时时间由上面的一排电阻和被测电容确定，当2脚获得触发，定时器开始工作，3脚输出高电平，定时结束，3脚恢复低电平，等待2脚再次被触发，被测量电容大小不同，就会导致3脚维持高电平的时间不同，而左边555提供的方波周期是固定的，因此，通过此方式能测量出电容的大小。通过震荡电路输出的波形周期，即，振荡电路中由计时器芯片记录电容在充电和放电过程中波形的上升沿或下降沿间的时间的原理，测算出相应的方波周期，传递给系统控制模块，计算出相应的电容值；
(3)所述系统控制模块对接受到的所述数字信号进行处理并发送含水率信息至显示模块；
(4)所述显示模块接收控制信息并将显示含水率信息
(5)所述系统控制模块发送控制信息至蓝牙-串口通讯模块，蓝牙-串口通讯模块发送含水率信息至接收终端。
可穿戴式植物叶片表面含水率监测装置的具体操作流程：
(1)连接USB3.0为设备供电并开启系统，并开启电源开关；
(2)按下功能切换键，使用电阻测量功能和电阻测量功能；
(3)使用生理盐水对待测植物叶片进行清洁处理，并自然干燥；
(4)将电阻柔性传感器贴附于植物叶片上，等待示数稳定，观察液晶显示器示数；
(5)按下功能切换键，切换至电容测量模式，将电容柔性传感器贴敷于植物叶片上，静待10秒观察液晶显示器示数。
实施例2：柔性传感器制备
电容传感器制备：(1)利用激光直写方法，使用功率为5W的激光束对聚酰亚胺基底材料实施变剂量曝光，诱导聚酰亚胺(PI)材料表面石墨化。PI基底经过了产生具有良好导电性的多孔石墨电极，为高分子敏感层材料在电极表面的固定提供了良好的载体。
(2)选择氧化石墨烯作为湿度敏感材料修饰表面石墨化的PI材料，氧化石墨烯(GO)分散液的配置：氧化石墨烯滴加到0.5mg·mL-1的氧化镓水溶液配置成0.5mg/mL GO的分散液；取2μL分散液滴加于表面石墨化的PI材料表面。
(3)上述处理后PI材料在恒温40℃的干燥箱烘干40min，得到电容传感器，所述电容传感器对湿度变化灵敏度高，可将湿度信息转换为连续变换的电容值。
电阻传感器制备：与上述制备过程相同，区别之处在于步骤(2)中选择二氯化钴溶液作为湿度敏感材料修饰表面石墨化的PI材料，二氯化钴分散液的配置：将六水二氯化钴加入磷酸盐缓冲盐溶液(PBS)中配置50×浓缩液，然后稀释配制成0.5mg·mL-1的二氯化钴溶液。最终得到的得到电阻传感器，所述电阻传感器对湿度变化灵敏度高，可将湿度信息转换为连续变换的电阻值。
如图5所示，此图为叉指电极的表征图。通过激光直写技术在聚酰亚胺材料上修饰多孔石墨结构，多孔的石墨结构可以充当电导体。在此叉指电极结构上修饰敏感层材料，敏感层材料通过对水分子的吸附性，造成电容值或电阻值的变化，以此通过测量出电阻值和电容值的大小来间接测量湿度值。
实施例3
如图1所示，(1)使用电阻型敏感材料或/和电容型敏感材料修饰叉指电极，得到柔性传感器，基于STC89C52及其外围电路的控制系统模块将读取传感器的电阻/电容信息。
(2)控制系统使用ET2046触摸ADC模块读取电阻传感器的电阻信息；使用基于NE555计时器芯片的震荡电路读取芯片输出波形周期，来计算传感器的电容信息。
(3)使用C语言对STC89C52及其外围电路组成的控制系统进行编程，利用外部中断T1将电阻测量功能和电容测量功能整合，外部中断INT1接K4，实现在测量电容、电阻之间功能的切换；
(4)LCD1602在和上拉电阻相并联后与P0口相接，RS、RW、E端分别接P2.5、P2.6、P2.7，VSS与VEE并联接地，VDD接高电平。系统控制模块将传感器的电阻/电容信息经过数学模型转换后在LCD1602液晶显示器上显示。
(5)在控制系统编程中使用HC-05蓝牙模块的蓝牙-串口功能语句mcu pc()调用主函数中的含水率结果，将其通过串口功能发送至可以寻址并建立连接的蓝牙移动端。
实施例4：电阻测量模块
如图2和4所示：(1)搭建以图2所示的ET2046触摸式ADC模块和电阻分压法原理的传感器电阻检测电路，电阻型柔性传感器被用来采集传感器与植物叶片间的湿度信息，其阻值可以通过标准对比电阻R1(1000Ω)进行分压法测定。
(2)将ET2046引脚接入电路读取到的数值为0-4095，ADC读到的值与电压是呈线性关系，因此可以根据测得值换算成电压，为了准确测量电压，给ADC模块中引入参考电压，由标准的参考电压芯片来接入参考电压引脚。
(3)ET2046触摸式ADC模块将采集到的电压数据信息在ADC芯片内部转换为数字信号并由基于STC89C52单片机及其外围电路组成的控制系统采集、标记、定义、调用。
(4)调用ADC芯片，使用欧姆定律进行分压然后测量分压后的电压即可计算出电阻阻值，其阻值大小为：
Figure BDA0003186145580000061
实施例5：电容测量模块和显示器模块
如图3所示：(1)搭建以NE555计时器芯片构建多谐震荡电路电容传感器检测电路，依据图3的电容检测电路和震荡电路对电容进行采集，使用NE555芯片构成单稳态触发器,将电容容量转换为脉冲宽度。
(2)由NE555及滤波电容、量程电阻组成，使用电容测量原理的电路，NE555P的第4脚(复位脚)接P1.1，提供电平，达到重置NE555的目的；将滤波电容C1接P1.0，并接地将电平归零；NE555的第3、7脚(输出脚)接外部中断INT0，控制NE555的开关；NE555的第2、6脚串联电阻，提供量程所需要的阻值；
通过STC89C52单片机及其外围电路构成的控制系统计时测量出脉宽，通过公式计算出电容容量，再通过单片机的普通I/O口控制液晶屏显示出电容容量的计算结果。
(3)NE555是一个信号发生器，给后级提供方波信号，之后的NE555是一个定时器，定时时间由上面的一排电阻和被测电容确定，当2脚获得触发，定时器开始工作，3脚输出高电平，定时结束，3脚恢复低电平，等待2脚再次被触发，被测量电容大小不同，就会导致3脚维持高电平的时间不同，而左边555提供的方波周期是固定的，利用该原理，能测量出电容的大小。通过震荡电路模块输出的波形周期，测量出传感器待测电容。
(4)根据计算得到电容C2的充电时间为：
T1＝(R，+R2)ClnZ＝(R1+R2)C ln 2
电容C2的放电时间： T2＝R2 C ln 2
综上可得，电路的震荡周期： T＝(R，+2R2)C ln 2
故此震荡电路的频率为： f＝1/T
(5)通过STC89C52单片机的I/O口和读写口对LCD1602液晶显示器进行写入，将最终的湿度信息显示在液晶显示器上，并通过HC-05蓝牙-串口通讯模块的mcu pc()写出功能，将数据直接发送给具有蓝牙搜索、连接功能的移动设备。
本发明使用的电阻、电容柔性传感器也可以为二氯化钴材料修饰的电阻或电容传感器，但并不限于二氯化钴材料，基底采用了聚酰亚胺材料，但不限于聚酰亚胺材料，只需满足电阻、电容能够随湿度变化而变化即可。因此，本发明可以广泛应用于需要对植物含水率进行生长监测的场合。

Claims (6)

1.一种可穿戴式植物叶片表面含水率监测装置，其特征在于，所述装置包括柔性传感器模块、信号采集模块、系统控制模块、显示模块；所述柔性传感器模块贴附于植物叶片表面，通过柔性叉指电极表面的传感元件采集植物叶片含水率的信息的电流信号，并发送所述电流信号至信号采集模块；信号采集模块接收所述电流信号并转换为数字信号，并发送所述数字信号至系统控制模块；系统控制模块对接受到的所述数字信号进行处理并发送含水率信息至显示模块；显示模块接收并显示含水率信息；柔性传感器模块中的传感元件为电容传感元件和电阻传感元件；信号采集模块包括电阻测量模块和电容测量模块；所述电流信号包括电阻信号和电容信号；电容传感器制备：（1）利用激光直写方法，使用功率为5 W的激光束对聚酰亚胺基底材料实施变剂量曝光，诱导聚酰亚胺（PI）材料表面石墨化；PI基底经过了产生具有良好导电性的多孔石墨电极，为高分子敏感层材料在电极表面的固定提供了良好的载体；（2）选择氧化石墨烯作为湿度敏感材料修饰表面石墨化的PI材料，氧化石墨烯(GO) 分散液的配置：氧化石墨烯滴加到0.5 mg•mL-1的氧化镓水溶液配置成0.5 mg/mL GO的分散液；取2 μL分散液滴加于表面石墨化的PI材料表面；（3）上述处理后PI材料在恒温40 ℃的干燥箱烘干40 min，得到电容传感器，所述电容传感器对湿度变化灵敏度高，可将湿度信息转换为连续变换的电容值；电阻传感器制备：与上述制备过程相同，区别之处在于步骤（2）中选择二氯化钴溶液作为湿度敏感材料修饰表面石墨化的PI材料，二氯化钴分散液的配置：将六水二氯化钴加入磷酸盐缓冲盐溶液（PBS）中配置50×浓缩液，然后稀释配制成0.5 mg•mL-1的二氯化钴溶液；最终得到的得到电阻传感器，所述电阻传感器对湿度变化灵敏度高，可将湿度信息转换为连续变换的电阻值。
2.根据权利要求1所述的植物叶片表面含水率监测装置，其特征在于，所述装置包括蓝牙-串口通讯模块，系统控制模块发送含水率信息至蓝牙-串口通讯模块，蓝牙-串口通讯模块接收并发送含水率信息至接收终端。
3.根据权利要求1或2所述的植物叶片表面含水率监测装置，其特征在于，所述系统控制模块包括微处理器和寄存器模块。
4.根据权利要求1所述的植物叶片表面含水率监测装置，其特征在于，所述电阻测量模块通过ADC触控芯片测量电阻信号的数值；所述电容测试模块通过振荡电路测量电容信号的数值。
5.根据权利要求2所述的植物叶片表面含水率监测装置，其特征在于，微处理器可为STC89C52芯片、MSP430芯片、AVR芯片、ARM芯片、STM32芯片或Arduino芯片；所述蓝牙-串口通讯模块为HC-05串口模块。
6.根据权利要求4所述的植物叶片表面含水率监测装置，其特征在于，振荡电路由NE555、HA17555、LM555、CA555或NE556中任一计时器芯片与相应外围电路组成。
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"新型柔性可穿戴传感器件的制备与应用";钟梦娟;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士） 工程科技Ⅰ辑》;20200615;第1-59页 *

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