CN207095727U - 一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，包括供电电路和无线通信模块，还设置有用于采集植物叶片的不同信息的柔性可延展叶面传感器和信号处理单元，信号处理单元的信号输入端通过柔性导线连接柔性可延展叶面传感器的信号输出端，信号处理单元的信号输出端连接无线通信模块，并通过无线通信模块将输出的信号发送到管理终端，供电电路连接信号处理单元的电源输入端。本实用新型中各模块均采用柔性基底或封装，适应柔性可延展传感器对测量电路的要求，可以实时对柔性可延展叶面传感器获取的信号进行采集、处理和远距离传输。旨在解决目前植物监测系统与植物机械属性不匹配，体积庞大不便于维护与管理，难以对植物的多种生理参数同时进行直接动态监测的问题。

Description

一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种无线监测系统。特别是涉及一种用于远程监测植物生理状况的基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统.

背景技术

目前被广泛采用的植物测量方案是：将基于刚性材料和封装的传感器安装在植物上直接测量其生理状况，或者安装在植物的生长环境中间接测量影响植物生长的因素。但是，以上测量系统存在以下缺点：1)当前植物监测系统中采用的传感器，都是基于刚性材料和封装的传感器，无法长期贴附于植物表面对植物进行长期连续的监测；2)当前植物监测系统中采用的供电模块、信号处理模块和无线传输模块，都是基于刚性电路，不符合新型柔性可延展传感系统对测量电路的要求；3)直接作用于植物本身的监测装置，传感功能单一，无法同时对同一植物的多种生理状态进行监测；4)当前植物监测系统的各个模块采用平面式分布，系统体积较大，不便于安装和维护。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可以对植物的多种生理参数同时进行长期直接动态监测的基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统。

本实用新型所采用的技术方案是：一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，包括供电电路和无线通信模块，还设置有用于采集植物叶片的不同信息的柔性可延展叶面传感器和信号处理单元，所述信号处理单元的信号输入端通过柔性导线连接所述柔性可延展叶面传感器的信号输出端，所述信号处理单元的信号输出端连接无线通信模块，并通过所述的无线通信模块将输出的信号发送到管理终端，所述供电电路连接信号处理单元的电源输入端。

所述的柔性可延展叶面传感器包括有依次设置的载体层、基底层、粘连层、第二绝缘层、用于采集植物叶片的不同信息的传感模块层、金属互连层和第一绝缘层。

所述的植物叶片上的信息包括：温度信息、湿度信息、应变信息、光强信息中的一种以上。

所述的传感模块层是由1个以上的传感模块构成，每一个传感模块用于采集植物叶片上的一种信息，所述的金属互连层是由与所述的传感模块个数相同的1组以上的可延展金属互连线和连接在所述可延展金属互连线输出端的引出电极构成，每一组可延展金属互连线的输入端对应连接一个传感模块。

所述的可延展金属互连线采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。

所述的第一绝缘层和第二绝缘层采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。

所述的空间可延展的结构是空间弯折结构、波浪形结构或岛桥结构，所述的平面可延展的结构是蛇形结构或分形结构。

所述的信号处理单元包括有阻抗分析电路、温度测量电路、应变测量电路和微控制器电路，其中所述阻抗分析电路、温度测量电路和应变测量电路的信号输入端分别通过柔性导线连接柔性可延展叶面传感器的信号输出端，所述阻抗分析电路、温度测量电路和应变测量电路的信号输出端分别连接所述的微控制器电路的信号输入端，所述微控制器电路的信号输出端连接所述无线通信模块。

本实用新型的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，各模块均采用柔性基底或封装，适应柔性可延展传感器对测量电路的要求，可以实时对柔性可延展叶面传感器获取的信号进行采集、处理和远距离传输。旨在解决目前植物监测系统与植物机械属性不匹配，体积庞大不便于维护与管理，难以对植物的多种生理参数同时进行直接动态监测的问题。本实用新型具有如下优点：

1)系统采用柔性可延展叶面传感器作为信号采集前端，传感器能够与叶面紧密贴合并跟随叶子的生长发生形变，长期稳定地对植物进行监测；

2)系统中的柔性可延展传感器包含多个传感单元，可以同时对叶面的不同生理信号进行测量；

3)系统中的供电模块、信号处理模块和无线通讯模块均采用柔性基底，能够适应柔性可延展传感器对测量电路的要求；

4)系统采用多层电路结构，在保证系统性能的同时极大缩小了体积，更能够适应田间监测的要求；

5)系统采用具有远距离传输功能的无线通讯模块，能够实时将直接反应植物生长状况的多种参数传输至管理终端，实现远距离植物生长监控。

附图说明

图1是本实用新型一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统的构成示意图；

图2是本实用新型一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统的构成框图；

图3是本实用新型中柔性可延展叶面传感器的构成示意图；

图4是本实用新型中柔性可延展叶面传感器的分解示意图；

图5是本实用新型柔性可延展叶面传感器中金属互连层和传感模块层的结构示意图。

图中

1：柔性可延展叶面传感器 11：载体层

12：基底层 13：粘连层

14：第二绝缘层 15：传感模块层

151：传感模块 16：金属互连层

161：可延展金属互连线 162：引出电极

17：第一绝缘层 2：供电电路

3：信号处理单元 4：无线通信模块

5：柔性导线 6：植物叶片

7：接口引脚

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统做出详细说明。

如图1、图2所示，本实用新型的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，包括供电电路2和无线通信模块4，还设置有用于采集植物叶片6的不同信息的柔性可延展叶面传感器1和信号处理单元3，所述信号处理单元3的信号输入端通过柔性导线5连接所述柔性可延展叶面传感器1的信号输出端，所述信号处理单元3的信号输出端连接无线通信模块4，并通过所述的无线通信模块4将输出的信号发送到管理终端，所述供电电路2连接信号处理单元3的电源输入端。所述的植物叶片6上的信息包括：温度信息、湿度信息、应变信息、光强信息中的一种以上。

柔性可延展叶面传感器1贴附于植物叶片6对叶片各类生理信号进行直接测量，供电电路模块为系统提供电能，信号处理单元3对柔性可延展叶面传感器1获取的生理信号进行采集和处理，无线通讯模块将处理后的信号传输至管理终端。

如图3、图4所示，所述的柔性可延展叶面传感器1包括有依次设置的载体层11、基底层12、粘连层13、第二绝缘层14、用于采集植物叶片6的不同信息的传感模块层15、金属互连层16和第一绝缘层17。

如图5所示，所述的传感模块层15是由1个以上的传感模块151构成，每一个传感模块151用于采集植物叶片6上的一种信息，可以同时对植物叶片6表面各类生理信号进行测量，如：温度信息、湿度信息、应变信息、光强信息等。所述的金属互连层16是由与所述的传感模块151个数相同的1组以上的可延展金属互连线161和连接在所述可延展金属互连线161输出端的引出电极162构成，每一组可延展金属互连线161的输入端对应连接一个传感模块151。

所述的可延展金属互连线161采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。所述的第一绝缘层17和第二绝缘层14采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。所述的空间可延展的结构是空间弯折结构、波浪形结构或岛桥结构，所述的平面可延展的结构是蛇形结构或分形结构。

在本实用新型的实施例中，所述的可延展金属互连线161为蛇形可延展金属互连线与引出电极162相连。用于采集湿度信息的传感模块是由两个直径不同的同心圆环铜电极组成，通过这两个电极对叶面的阻抗值进行动态测量，从而分析叶子的水分含量。用于采集光强信息的传感模块是采用一个对可见光敏感的PIN光二极管，这个光二极管基于硅纳米薄膜，这个薄膜重掺杂了硼和磷，分别形成了P和N两个区域，这两个区域间隔了没有掺杂或者轻度掺杂的固有区域，当可见光的光子入射到这个固有区域，将会在这个固有区域产生与光强相关的光电流，在P区和N区上施加电压，能够将光电流从二极管中移出，二极管中的反向电流随着光照强度的改变而改变。用于采集温度信息传感模块可以通过一个硅纳米薄膜来实现，这个硅纳米薄膜的厚度仅有几百纳米，使得薄膜能够很容易的弯曲从而适应叶子的表面形貌，这个硅纳米薄膜的电阻会随环境温度的改变发生变化。

在本实用新型的实施例中，所述的载体层11采用Aquasol公司的水溶性胶带ASWT-2，用于所述柔性可延展叶面传感器的转印、承载与回收；基底层采用Smooth-on公司的弹性聚合物材料Dragon Skin 10；述粘连层采用蓝星有机硅公司的硅胶粘连剂SILBIONE RTGEL 4317A&B。

所述的信号处理单元3包括有阻抗分析电路、温度测量电路、应变测量电路和微控制器电路，其中所述阻抗分析电路、温度测量电路和应变测量电路的信号输入端分别通过柔性导线5连接柔性可延展叶面传感器1的信号输出端，所述阻抗分析电路、温度测量电路和应变测量电路的信号输出端分别连接所述的微控制器电路的信号输入端，所述微控制器电路的信号输出端连接所述无线通信模块4。供电电路2、信号处理单元3和无线通信模块4均采用柔性基底，并采用相互叠加的结构，分别位于不同层，并通过接口引脚7连接。

在本实用新型的实施例中，微控制器电路可以选用恩智浦半导体公司的LPC1114。阻抗分析电路可以采用Analog Devices公司的阻抗分析芯片AD5933对与水分相关的阻抗值进行测量，阻抗分析芯片内部的频率发生器输出信号到用于采集水分的传感模块的环形电极上，环形电极上阻抗的响应信号经过芯片内部运算，返回阻抗的实部值和虚部值。微控制器通过I2C对AD5933的计算结果进行采集。温度测量电路可以利用一个电阻分压电路，温度传感模块采集的信号接入电阻分压电路中，分压点电压首先经过放大，接着微控制器控制ADC对放大后的电压值进行采样。在光强传感模块的采集电路中，光电二极管被施加反向电压，光电二极管负载电阻上的电压经过滤波放大电路后，微控制器控制ADC对放大后的电压值进行采样。之后，微控制器将采集的水分、光强和温度信号打包发送给无线通讯模块。无线通讯模块可以选择Digi International公司的XBEE-900HP，无线通讯模块同样是基于柔性PCB电路。

Claims (8)

1.一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，包括供电电路(2)和无线通信模块(4)，其特征在于，还设置有用于采集植物叶片(6)的不同信息的柔性可延展叶面传感器(1)和信号处理单元(3)，所述信号处理单元(3)的信号输入端通过柔性导线(5)连接所述柔性可延展叶面传感器(1)的信号输出端，所述信号处理单元(3)的信号输出端连接无线通信模块(4)，并通过所述的无线通信模块(4)将输出的信号发送到管理终端，所述供电电路(2)连接信号处理单元(3)的电源输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，其特征在于，所述的柔性可延展叶面传感器(1)包括有依次设置的载体层(11)、基底层(12)、粘连层(13)、第二绝缘层(14)、用于采集植物叶片(6)的不同信息的传感模块层(15)、金属互连层(16)和第一绝缘层(17)。

3.根据权利要求2所述的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，其特征在于，所述的植物叶片(6)上的信息包括：温度信息、湿度信息、应变信息、光强信息中的一种以上。

4.根据权利要求2所述的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，其特征在于，所述的传感模块层(15)是由1个以上的传感模块(151)构成，每一个传感模块(151)用于采集植物叶片(6)上的一种信息，所述的金属互连层(16)是由与所述的传感模块(151)个数相同的1组以上的可延展金属互连线(161)和连接在所述可延展金属互连线(161)输出端的引出电极(162)构成，每一组可延展金属互连线(161)的输入端对应连接一个传感模块(151)。

5.根据权利要求4所述的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，其特征在于，所述的可延展金属互连线(161)采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。

6.根据权利要求2所述的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，其特征在于，所述的第一绝缘层(17)和第二绝缘层(14)采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，其特征在于，所述的空间可延展的结构是空间弯折结构、波浪形结构或岛桥结构，所述的平面可延展的结构是蛇形结构或分形结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于柔性可延展叶面传感器的无线监测系统，其特征在于，所述的信号处理单元(3)包括有阻抗分析电路、温度测量电路、应变测量电路和微控制器电路，其中所述阻抗分析电路、温度测量电路和应变测量电路的信号输入端分别通过柔性导线(5)连接柔性可延展叶面传感器(1)的信号输出端，所述阻抗分析电路、温度测量电路和应变测量电路的信号输出端分别连接所述的微控制器电路的信号输入端，所述微控制器电路的信号输出端连接所述无线通信模块(4)。