CN202562528U - 土壤-植物-大气连续体监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种土壤-植物-大气连续体监测系统，包括：监测端和客户端，两者通过无线通讯网络发送/接收监测数据；其中，监测端包括：太阳能供电系统，收集太阳能为监测端提供电力供应；传感器系统，与太阳能供电系统相连接，测量大气、植物、土壤和/或地下水指标；数据采集传输系统，分别与太阳能供电系统、传感器系统相连接，通过传感器系统采集数据并通过无线通讯网络将监测数据发送到客户端。本实用新型能够对地下水、土壤、植物和大气指标集成起来进行长期、连续的监测，同时无线远程传输监测数据，整套监测系统由太阳能供电，是目前最全面、完善的SPAC监测系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及生态学和水文循环研究技术领域，具体来说，本实用新型涉及一种土壤-植物-大气连续体(SPAC)监测系统。
背景技术
1966年澳大利亚著名水文与土壤物理学家Philip提出土壤-植物-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continum，简称SPAC)的概念。主要内容是：水分经由土壤到达植物根系，进入根系，通过细胞传输进入木质部，由植物的木质部到达叶片，再由气孔扩散到大气中去，最后参与大气的湍流交换，形成一个统一、动态的互反馈连续系统，即土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统。在这一连续体中存在物质、能量和信息的传递和交换，土壤、植物和大气是我们研究的对象，而水分在土壤、植物和大气中的传输更是研究的核心内容。
这个早期的SPAC系统的一个较大缺陷是没有考虑地下水在整个系统中的作用。在地下水埋深较浅的地区，土壤-植物-大气连续体中的水分因自然的和人为的作用必然要和地下水发生联系，不同埋深地下水对土壤水分分布和农作物产量、水分利用效率等有着不同程度的影响。
我国著名水文水资源学家刘昌明院士在此基础上提出了″五水″系统的相互作用问题即大气、植物、地表、土壤和地下水层中的水的相互作用和相互关系，也称之为五水转化。土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统中的水分因自然的和人为的作用必然要和地下水和地表水相联系。从土壤系统来看，土壤水的来源是大气降水、地下水的上升和人为输入地表水(如灌溉)等等；土壤水的散失，则包括直接由土面逸向大气，通过根系吸水进入植物体后蒸腾到大气中去以及由土壤层下渗到地下水层之中。因此这套″五水″转化理论不仅包括Philip提出的SPAC的内涵，而且有了一定程度的延伸。
SPAC系统的提出不仅指明了全球水问题的微观研究方向，而且加强了水文学跨学科的研究，对国际学术界关于水循环及水分能量平衡研究产生了巨大影响。当代研究土壤水分循环和平衡、土壤-植物水分关系以及地下水-土壤水-地表水-植物水-大气转化水都是以SPAC为基础的。
从国际上看，SPAC系统中的水分传输属于国际前沿课题之一。20世纪90年初期，国际地圈生物圈计划(IGBP)将水文循环生物圈(Biospheric Aspect ofHydrological Cycle)研究做为其四大核心课题之一，极大地促进了国际上对SPAC系统的深入研究。
对SPAC系统的研究始终是国际学术届的焦点。研究水分在地下水-土壤-地表水-植物-大气中的转化过程，已在我国的农业水文水资源、森林生态水文、环境水文、节水农业、灌溉决策、农林气象预报等领域深入展开。但是目前尚缺乏一套完善的、能够将地下水、土壤、植物和大气指标集成起来进行长期、连续监测的系统。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种土壤-植物-大气连续体(SPAC)监测系统，能够将地下水、土壤、植物和大气指标集成起来进行长期、连续监测，同时无线远程传输监测数据。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种土壤-植物-大气连续体监测系统，包括：
监测端和客户端，两者通过无线通讯网络发送/接收监测数据；
其中，所述监测端包括：
太阳能供电系统，收集太阳能为所述监测端提供电力供应；
传感器系统，与所述太阳能供电系统相连接，测量大气、植物、土壤和/或地下水指标；
数据采集传输系统，分别与所述太阳能供电系统、所述传感器系统相连接，通过所述传感器系统采集数据并通过所述无线通讯网络将所述监测数据发送到所述客户端。
可选地，所述太阳能供电系统包括：
太阳能板，将太阳能转化为电能；
蓄电池组，存储所述电能；
太阳能电池控制器，分别与所述太阳能板和所述蓄电池组相连接，将所述太阳能板转化的电能存储到所述蓄电池组上，并将所述蓄电池组输出的电力稳压后向所述传感器系统和所述数据采集传输系统供电。
可选地，所述传感器系统包括：
大气传感器子系统，用于测量大气环境指标；
植物传感器子系统，用于测量植物指标；
土壤传感器子系统，用于测量土壤指标；
地下水传感器子系统，用于测量地下水指标。
可选地，所述大气传感器子系统包括：
总辐射测量模块，测量总辐射指标；
光合有效辐射测量模块，测量光合有效辐射指标；
净辐射测量模块，测量净辐射指标；
紫外辐射测量模块，测量紫外辐射指标；
CO2测量模块，测量CO2指标；
风速测量模块，测量风速指标；
风向测量模块，测量风向指标；
温度测量模块，测量温度指标；
湿度测量模块，测量湿度指标；
气压测量模块，测量气压指标；
降水测量模块，测量降水指标；
蒸发测量模块，测量蒸发指标。
可选地，所述植物传感器子系统包括：
叶绿素荧光测量模块，测量叶绿素荧光指标；
气体交换测量模块，测量气体交换指标；
茎流测量模块，测量茎流指标；
茎杆生长测量模块，测量茎杆生长指标；
果实生长测量模块，测量果实生长指标；
叶片温度测量模块，测量叶片温度指标。
可选地，所述土壤传感器子系统包括：
土壤水分测量模块，测量土壤水分指标；
土壤水势测量模块，测量土壤水势指标；
土壤温度测量模块，测量土壤温度指标；
土壤盐分测量模块，测量土壤盐分指标；
土壤热通量测量模块，测量土壤热通量指标；
土壤蒸散测量模块，测量土壤蒸散指标；
土壤氧气测量模块，测量土壤氧气指标。
可选地，所述地下水传感器子系统包括：
水位测量模块，测量水位指标；
水温测量模块，测量水温指标；
pH测量模块，测量pH指标；
电导率测量模块，测量电导率指标；
溶解氧测量模块，测量溶解氧含量指标；
浊度测量模块，测量浊度指标。
可选地，所述数据采集传输系统包括：
数据采集模块，与所述传感器系统中的各测量模块相连接，采集所述各测量模块的数据信号形成监测数据；
无线通讯模块，与所述数据采集模块相连接，借助天线将所述监测数据经由所述无线通讯网络发送到所述客户端。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
本实用新型能够对地下水、土壤、植物和大气指标集成起来进行长期、连续的监测，整套系统由太阳能供电，数据无线传输，是目前最全面、完善的SPAC监测系统。
本实用新型可用于系统研究地下水-土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的水分运动，系统研究植物-大气、土壤-大气、土壤-植物、土壤水-地下水等之间的界面过程，长期监测气象指标、植物生理指标、土壤水分指标和地下水指标，测量结果可用于指导灌溉、农业节水、进行农林气象预报等领域，以及系统地为农业水文、水资源、森林生态水文、环境水文等领域服务。
附图说明
本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为本实用新型一个实施例的土壤-植物-大气连续体(SPAC)监测系统的模块结构图；
图2为本实用新型一个实施例的土壤-植物-大气连续体(SPAC)监测系统的测量指标与界面研究关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。
图1为本实用新型一个实施例的土壤-植物-大气连续体(SPAC)监测系统的模块结构图。该监测系统100可以对地下水、土壤、植物和大气指标集成起来进行长期、连续的监测，由太阳能提供监测所需的电力供应，并实时远程无线传输监测数据。如图1所示，该土壤-植物-大气连续体监测系统100可以包括监测端60和客户端50，两者通过无线通讯网络40发送/接收监测数据。其中，监测端60包括太阳能供电系统10、传感器系统20和数据采集传输系统30。
太阳能供电系统10收集太阳能为监测端60提供电力供应。该太阳能供电系统10具体可以包括太阳能板11、太阳能电池控制器12和蓄电池组13。其中，太阳能板11将太阳能转化为电能，蓄电池组13存储电能。太阳能电池控制器12分别与太阳能板11和蓄电池组13相连接，用于将太阳能板11转化的电能存储到蓄电池组13上，同时将蓄电池组13输出的电力稳压后向传感器系统20和数据采集传输系统30供电。
传感器系统20与太阳能供电系统10相连接，测量大气、植物、土壤和/或地下水指标。该传感器系统20具体可以包括大气传感器子系统21、植物传感器子系统22、土壤传感器子系统23和地下水传感器子系统24等。其中，大气传感器子系统21用于测量大气环境指标；植物传感器子系统22用于测量植物指标；土壤传感器子系统23用于测量土壤指标；地下水传感器子系统24用于测量地下水指标。当然，地下水传感器子系统24亦可适用于地表水的测量。
数据采集传输系统30分别与太阳能供电系统10、传感器系统20相连接，通过传感器系统20采集数据并通过无线通讯网络40将监测数据发送到客户端50。该数据采集传输系统30具体可以包括数据采集模块31、无线通讯模块32和天线33等。其中，数据采集模块31与传感器系统20中的各测量模块相连接，采集各测量模块的数据信号形成监测数据。无线通讯模块32与数据采集模块31相连接，借助天线33将监测数据经由无线通讯网络40发送到客户端50。
在本实施例中，大气传感器子系统21还可以详细包括但不限于(以下众模块在图1中均未图示)：测量总辐射指标的总辐射测量模块、测量光合有效辐射指标的光合有效辐射测量模块、测量净辐射指标的净辐射测量模块、测量紫外辐射指标的紫外辐射测量模块、测量CO2指标的CO2测量模块、测量风速指标的风速测量模块、测量风向指标的风向测量模块、测量温度指标的温度测量模块、测量湿度指标的湿度测量模块、测量气压指标的气压测量模块、测量降水指标的降水测量模块和测量蒸发指标的蒸发测量模块。
类似地，植物传感器子系统22还可以详细包括但不限于：测量叶绿素荧光指标的叶绿素荧光测量模块、测量气体交换指标的气体交换测量模块、测量茎流指标的茎流测量模块、测量茎杆生长指标的茎杆生长测量模块、测量果实生长指标的果实生长测量模块和测量叶片温度指标的叶片温度测量模块。
类似地，土壤传感器子系统23还可以详细包括但不限于：测量土壤水分指标的土壤水分测量模块、测量土壤水势指标的土壤水势测量模块、测量土壤温度指标的土壤温度测量模块、测量土壤盐分指标的土壤盐分测量模块、测量土壤热通量指标的土壤热通量测量模块、测量土壤蒸散指标的土壤蒸散测量模块和测量土壤氧气指标的土壤氧气测量模块。
类似地，地下水传感器子系统24还可以详细包括但不限于：测量水位指标的水位测量模块、测量水温指标的水温测量模块、测量pH指标的pH测量模块、测量电导率指标的电导率测量模块、测量溶解氧含量指标的溶解氧测量模块和测量浊度指标的浊度测量模块。
图2为本实用新型一个实施例的土壤-植物-大气连续体(SPAC)监测系统的测量指标与界面研究关系图。从图中可以看出，该监测系统可以监测的大气指标涵盖了总辐射、光合有效辐射、净辐射、紫外辐射、CO2、风速、风向、温度、湿度、气压、降水和蒸发等，植物指标涵盖了叶绿素荧光、气体交换、茎流、茎杆生长、果实生长和叶片温度等，土壤指标涵盖了土壤水分、土壤水势、土壤温度、土壤盐分、土壤热通量、土壤蒸散和土壤氧气等，地下水指标涵盖了水位、水温、pH、电导率、溶解氧和浊度等。上述大气指标和植物指标可用于分析植物-大气界面，上述植物指标和土壤指标可用于分析植物-土壤界面，上述土壤指标和地下水指标可用于分析土壤-地下水界面，上述大气指标和土壤指标可用于分析土壤-大气界面等。
本实用新型能够对地下水、土壤、植物和大气指标集成起来进行长期、连续的监测，整套系统由太阳能供电，数据无线传输，是目前最全面、完善的SPAC监测系统。
本实用新型可用于系统研究地下水-土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的水分运动，系统研究植物-大气、土壤-大气、土壤-植物、土壤水-地下水等之间的界面过程，长期监测气象指标、植物生理指标、土壤水分指标和地下水指标，测量结果可用于指导灌溉、农业节水、进行农林气象预报等领域，以及系统地为农业水文、水资源、森林生态水文、环境水文等领域服务。
本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种土壤-植物-大气连续体监测系统(100)，其特征在于，包括：
监测端(60)和客户端(50)，两者通过无线通讯网络(40)发送/接收监测数据；
其中，所述监测端(60)包括：
太阳能供电系统(10)，收集太阳能为所述监测端(60)提供电力供应；
传感器系统(20)，与所述太阳能供电系统(10)相连接，测量大气、植物、土壤和/或地下水指标；
数据采集传输系统(30)，分别与所述太阳能供电系统(10)、所述传感器系统(20)相连接，通过所述传感器系统(20)采集数据并通过所述无线通讯网络(40)将所述监测数据发送到所述客户端(50)。
2.根据权利要求1所述的土壤-植物-大气连续体监测系统(100)，其特征在于，所述太阳能供电系统(10)包括：
太阳能板(11)，将太阳能转化为电能；
蓄电池组(13)，存储所述电能；
太阳能电池控制器(12)，分别与所述太阳能板(11)和所述蓄电池组(13)相连接，将所述太阳能板(11)转化的电能存储到所述蓄电池组(13)上，并将所述蓄电池组(13)输出的电力稳压后向所述传感器系统(20)和所述数据采集传输系统(30)供电。
3.根据权利要求1所述的土壤-植物-大气连续体监测系统(100)，其特征在于，所述传感器系统(20)包括：
大气传感器子系统(21)，用于测量大气环境指标；
植物传感器子系统(22)，用于测量植物指标；
土壤传感器子系统(23)，用于测量土壤指标；
地下水传感器子系统(24)，用于测量地下水指标。
4.根据权利要求3所述的土壤-植物-大气连续体监测系统(100)，其特征在于，所述大气传感器子系统(21)包括：
总辐射测量模块，测量总辐射指标；
光合有效辐射测量模块，测量光合有效辐射指标；
净辐射测量模块，测量净辐射指标；
紫外辐射测量模块，测量紫外辐射指标；
CO2测量模块，测量CO2指标；
风速测量模块，测量风速指标；
风向测量模块，测量风向指标；
温度测量模块，测量温度指标；
湿度测量模块，测量湿度指标；
气压测量模块，测量气压指标；
降水测量模块，测量降水指标；
蒸发测量模块，测量蒸发指标。
5.根据权利要求3所述的土壤-植物-大气连续体监测系统(100)，其特征在于，所述植物传感器子系统(22)包括：
叶绿素荧光测量模块，测量叶绿素荧光指标；
气体交换测量模块，测量气体交换指标；
茎流测量模块，测量茎流指标；
茎杆生长测量模块，测量茎杆生长指标；
果实生长测量模块，测量果实生长指标；
叶片温度测量模块，测量叶片温度指标。
6.根据权利要求3所述的土壤-植物-大气连续体监测系统(100)，其特征在于，所述土壤传感器子系统(23)包括：
土壤水分测量模块，测量土壤水分指标；
土壤水势测量模块，测量土壤水势指标；
土壤温度测量模块，测量土壤温度指标；
土壤盐分测量模块，测量土壤盐分指标；
土壤热通量测量模块，测量土壤热通量指标；
土壤蒸散测量模块，测量土壤蒸散指标；
土壤氧气测量模块，测量土壤氧气指标。
7.根据权利要求3所述的土壤-植物-大气连续体监测系统(100)，其特征在于，所述地下水传感器子系统(24)包括：
水位测量模块，测量水位指标；
水温测量模块，测量水温指标；
pH测量模块，测量pH指标；
电导率测量模块，测量电导率指标；
溶解氧测量模块，测量溶解氧含量指标；
浊度测量模块，测量浊度指标。
8.根据权利要求1所述的土壤-植物-大气连续体监测系统(100)，其特征在于，所述数据采集传输系统(30)包括：
数据采集模块(31)，与所述传感器系统(20)中的各测量模块相连接，采集所述各测量模块的数据信号形成监测数据；
无线通讯模块(32)，与所述数据采集模块(31)相连接，借助天线(33)将所述监测数据经由所述无线通讯网络(40)发送到所述客户端(50)。
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