一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置。包括微处理器、激光热脉冲发生器、茎流传感器、日历芯片、电压转换器、电源、无线通信模块、键盘、ＬＣＤ显示模块、ＲＳ２３２接口和ＵＳＢ接口模块。茎流传感器的热脉冲采用激光热脉冲方式，温度的检测采用红外测温探头的方式，这种热源和检测方式避免了与被检茎相接触，减少了对茎的影响。两个红外测温探头分别安置在光纤的上下侧，插入缠绕在待测植物茎上的泡沫中与茎非接触，两个红外测温探头分别与微处理器连接，光纤与激光热脉冲发生器连接。采用ＺｉｇＢｅｅ通信协议的无线数据传输方式，便于设备的安装和数据采集。本实用新型专利技术可对草本植物或较细茎秆进行茎流测量。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置。
技术介绍
植物的生长离不开水，水在植物-大气-土壤中进行循环， 一方面保证了植物 的生命活动，维持了生态的平衡和发展，另一方面也是生命活动的结果。我国是水资源十分匮乏的农业大国，农业用水量占总耗水量的70%，因此 在保证农业稳产、高产的前提下，大力发展节水灌溉实现水资源的合理利用， 变丰水高产为节水高产，是一项十分紧迫而重要的任务。长期以来，人们把土壤含水量或大气的相对湿度作为控制农作物灌溉的指 标，但它毕竟是一个间接指标，对反映作物的缺水比较迟钝、滞后，且精度低。 因此科研人员一直在寻求一种植物生理需水信息作为反映植物缺水的直接指 标，以便得到比较灵敏、迅速和精确的信息。有了可靠的需水信息，就能做到在 植物需水时，及时、适度地灌溉，这是节水灌溉控制系统设计的基础。植物从土壤中吸收水分，同时又向大气中蒸发水分，植物体内的水分以气 态散失到大气中的过程，称为蒸腾作用。通常植物从土壤中吸收的水分绝大部 分以蒸腾的方式散失，约占总耗水量的99.8%。为了实现节水灌溉，必然要涉及 到作物蒸散量的测定，在许多情况下要求将作物总蒸散量分解为蒸腾与蒸发两 部分。 一般认为作物的蒸腾是完成作物正常生理过程所必需的，而农田蒸发过 程只是作物蒸腾过程中伴随的不可避免的无效水分损失。单纯蒸腾的测定是比 较困难的，现有的实际测定农田水分消耗的方法，诸如水量平衡法，能量平衡 波文比发，称重式蒸渗仪法以及涡度相关法都只能测定农田蒸散总量，而无法 将之分解为蒸腾与蒸发两部分。由于植物蒸腾作用引起的茎内液流的上升，称之为茎流。茎流量等于茎流 速度与植物导管面积的乘积。因此通过测定植物的茎流速度就可以得出植物的 蒸腾量，从而为植物-大气-土壤连续系统提供一种水分测量的方法；茎流作为一 种水分生理指标，比土壤水分更适用于监视作物的生理过程，指导农田精量灌 溉。目前对植物茎流的测定方法有重量法及热量法等许多种。热量法是利用安 装在植株茎部的热源发生器和探测器测定茎流的方法。热量法茎流测试技术可根据测量原理分为两大类别热波速法和热平衡法。一是热波速法(Heat Plus Velocity),其基本原理是向电加热元件通以短暂 即逝的电流，产生热脉冲波动，在加热点的上或者下游放置温度检测元件，记 录茎秆监测点处的温度变化曲线，根据热力学的扩散模型，推导液流速度及液 流量。根据不同的检测方法以及扩散模型，又分为热脉冲法、热扩散法和热场 变形几种。此类方法在检测过程中，热源和检测元件均需侵入植物茎内。其不足之处在于1)要在植物的茎部打孔以便放入热源和检测装置；改变了植物本 身的茎流状态；2)在安装的时候很容易使得加热器和探针不能够很好的对准， 从而影响测量结果；3)加热的过程中可能导致木质部失去活性，从而影响测的 结果的准确性。另一种是热平衡法(Thermal Heat Balance),其工作原理是向电加热元件通 以稳定持久的电流，产生持久的热量输入，输入热量会被流动的茎液带走，同 时还会像周围空间辐射，根据热扩散的模型，计算出被茎液带走的热量和向周 围空间扩散的热量。根据茎液带走的热量等可以推算出茎秆内液体流速和流量。 根据热加热元件和温度检测元件放置的位置不同，又分为树干热平衡法和茎热 平衡法。其中树干热平衡法是要将加热元件和检测元件侵入树干的内部；而茎 热平衡法为非侵入式，把加热元件和检测元件放置在植物茎的表面。此类方法 的除了具有上面所述方法的不足之处外，还要进行茎流速度为零时的扩散模型 校正。而何时茎流速度为零，只能根据经验判断， 一般认为破晓之处或者雨后 之时的茎流量为零，另外在测量的结果受外部环境变化的影响。目前热脉冲植物茎流测量产品全部为进口产品，在国内市场上主要由格 林斯潘和澳大利亚英联邦科学与工业研究组织(CSIRO)联合研制开发的SF系列 茎流传感器，澳大利亚ICT公司产的HRM热比率法茎流探头。其特点首先采 用的方法是通过测量测点热脉冲热扩散曲线的变化，计算出热波动速度，再对 热波动速度进行二次三项式或三次三项式回归和修正，才能获得茎流流速。其 次现有的产品主要适用于果林等木本植物。测定草本植物存在烧伤茎秆的问题，受分辨率的限制，该问题也不能通过减少加热量解决;另外，加热元件和测温结点因为要插入植物茎秆内，所以对微小茎秆，会造成植物微小茎秆损伤； 进口产品价格昂贵。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置。为实现上述目的，本技术采用的技术方案是-本技术包括微处理器、激光热脉冲发生器、茎流传感器、日历芯片、电压转换器、电源、无线通信模块、键盘、LCD显示模块、RS232接口和USB 接口模块；微处理器分别与激光热脉冲发生器、茎流传感器、日历芯片、电压 转换器、无线通信模块、键盘、LCD显示模块、RS232接口和USB接口模块连 接；茎流传感器还与激光热脉冲发生器连接，电压转换器还分别与电源和激光 热脉冲发生器连接。所述茎流传感器包括两个红外测温探头和光纤，两个红外测温探头分别安 置在光纤的上下侧，两个红外测温探头分别与微处理器连接，光纤与激光脉冲 发生器连接，两个红外测温探头与光纤通过缠绕在待测植物茎上的绝缘保温泡 沫中固定，两个红外测温探头与光纤与待测植物茎非接触。所述微处理器选用TI公司的MSP430系列低功耗微处理器；无线通信模块 选用TI公司的CC2480;日历模块采用独立的时钟芯片DS1302; LCD显示电路 釆用标准的12864液晶模块；键盘采用4X1的独立式按键；RS232接口采用标 准的RS232接口。 USB接口模块采用PDIUSBD12;激光热脉冲发生器采用光 纤耦合高功率激光二极管；红外测温探头采用CS紧凑型红外测温探头。本技术具有的有益效果是因为采用无接触式的热脉冲发生器和无接触式的红外测温装置，故大大降 低了对植物本身的影响，因此测得结果更能反应植物的生理特征，并且因为是 非接触的所以安装和维护更为方便。系统具有无线通信的功能，极大方便了远 程数据的采集和长时间的运行，有利于对长时间对植物进行观测。系统采用低 功耗的微处理器，所采用的微处理器具有大量的片内模块，因此大大简化了系 统的结构，降低了系统的运行成本。无线传输方式采用支持ZigBee协议的 CC2480模块，该协议支持星形网络、网状网络和簇状网的网络拓扑结构，组成 的传感器网络，可以实现大范围的数据采集。本技术可对草本植物或较细 茎秆进行茎流测量。附图说明图l是本技术的硬件系统结构原理图。 图2是本技术的植物茎流部分的传感器结果图。 图3是本技术的微处理器与无线传传输模块的接口图。 图4是本技术的微处理器与时钟模块的接口图。 图5是本技术的微处理器与LCD显示模块的接口图。图6是本技术的软件流程图。图中1、待测植物茎，2、红外测温探头，3、光纤，4、红外测温探头，5、 泡沬，6、塑料套筒，7、塑料套筒，8、塑料套筒。具体实施方式如图1所示，本技术包括包括微处理器、激光热脉冲发生器、茎流传 感器、日历芯片、电压转换器、电源、无线通信模块、键盘、LCD显示模块、 RS232接口和USB接口本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置，其特征在于：包括微处理器、激光热脉冲发生器、茎流传感器、日历芯片、电压转换器、电源、无线通信模块、键盘、ＬＣＤ显示模块、ＲＳ２３２接口和ＵＳＢ接口模块；微处理器分别与激光热脉冲发生器、茎流传感器、日历芯片、电压转换器、无线通信模块、键盘、ＬＣＤ显示模块、ＲＳ２３２接口和ＵＳＢ接口模块连接；茎流传感器还与激光热脉冲发生器连接，电压转换器还分别与电源和激光热脉冲发生器连接。

【技术特征摘要】
1、一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置，其特征在于包括微处理器、激光热脉冲发生器、茎流传感器、日历芯片、电压转换器、电源、无线通信模块、键盘、LCD显示模块、RS232接口和USB接口模块；微处理器分别与激光热脉冲发生器、茎流传感器、日历芯片、电压转换器、无线通信模块、键盘、LCD显示模块、RS232接口和USB接口模块连接；茎流传感器还与激光热脉冲发生器连接，电压转换器还分别与电源和激光热脉冲发生器连接。2、 根据权利要求1所述的一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置，其特征在于所述茎流传感器包括两个红外测温探头(2、 4)和光纤(3)，两个红外测温探头(2、 4)分别安置在光纤(3)的上下侧，两个红外测温探头(2、 4)分别与微处理器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王剑平，张付杰，盖玲，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：86[]