專利名稱：基于植物器官微尺寸變化檢測的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及節(jié)水灌溉領(lǐng)域和傳感測控技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于植物器官微尺寸變化檢測的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前的灌溉系統(tǒng)都是以土壤的濕度、環(huán)境的溫度等參數(shù)作為灌溉系統(tǒng)的控制參數(shù)，不是直接參數(shù)，因此控制精度低，帶來的問題是對灌溉水資源造成了很大的浪費。也就是說在土壤一植物一大氣連續(xù)系統(tǒng)(SPAC)中，以前的工作多是著重于根據(jù)土壤水分來制定灌溉制度或建立灌溉系統(tǒng)。盡管按照土壤水分控制灌溉得到較為廣泛的應(yīng)用，但仍然存在很多難以克服的困難，一方面對于不同的地區(qū)、植物、土壤類型以及植物正常生長的適宜土壤水分差異較大，應(yīng)用受到局限。另一方面，水分傳感器探頭易受到溫度、鹽分累積等多種因素的干擾，測量精度、響應(yīng)特性(包括滯后性)和可靠性也較差。事實上，土壤水分僅是SPAC中的一個因素，而植物吸水和失水的過程是植物本身的各個器官和它所在環(huán)境相互影響的結(jié)果，并受SPAC各環(huán)節(jié)的綜合作用。
針對上述問題，提出基于物理方法的非破壞性的植物水分精密檢測技術(shù)，實現(xiàn)閉環(huán)控制灌溉系統(tǒng)，對提高我國水資源的利用效率具有非常重要的意義。具體涉及的內(nèi)容有植物器官微米級微增量柔性測量傳感器的研究；植物水分與其器官幾何尺度微增量變化值之間的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系；傳感器網(wǎng)絡(luò)化與智能控制節(jié)水灌溉專家系統(tǒng)。我國已有研究人員在20世紀(jì)九十年代初期，就應(yīng)用LVDT-5型(差動變壓器式)位移傳感器對玉米、柑桔等進(jìn)行測量，分別取得了15.6％和21.4％的節(jié)水效果。但LVDT是用于機(jī)械制造領(lǐng)域工業(yè)計量中，測量分辨率和精度可以滿足要求，但測量力、體積和抗環(huán)境干擾能力等指標(biāo)，卻無法滿足對植物測量的實際要求。我國果樹林業(yè)工作者用外徑千分尺測量柑桔尺寸，在生長期當(dāng)若發(fā)現(xiàn)果實尺寸不變化(增加)，就對果樹及時灌水。但總體說來這方面我國的研究水平與國外相比有較大差距。最近，以色列希伯萊大學(xué)的科學(xué)家也在應(yīng)用微米級葉片厚度傳感器對西紅柿的灌溉系統(tǒng)方面進(jìn)行了試驗，取得了節(jié)水率35％、增產(chǎn)40％的效果，雖然目前還沒有達(dá)到實用化的程度，但這項研究代表國際研究最新動態(tài)。經(jīng)過分析認(rèn)為目前能達(dá)到這個量級的微位移傳感器還存在很多問題，如測量精度與測量范圍、測量力、測量環(huán)境，以及傳感器結(jié)構(gòu)、重量方面都存在矛盾。若能綜合運用工業(yè)計量測試領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，采用優(yōu)化設(shè)計、仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法，研究開發(fā)充分考慮植物本身特點，符合植物檢測需求的新型傳感器，將使上述問題得到合理解決。則這一研究就可以快速推廣應(yīng)用，及早為我國節(jié)水灌溉服務(wù)。目前，工業(yè)計量中的微米級測量已達(dá)到相當(dāng)成熟程度。將這類技術(shù)進(jìn)行整合后移植到生命科學(xué)和水利工程的交叉領(lǐng)域中來，并根據(jù)功能需求進(jìn)行開發(fā)，具有極好創(chuàng)新性和實用性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于植物器官微尺寸變化檢測的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，通過植物本身器官的微量變化，獲得需水信息去控制灌溉系統(tǒng)，則可達(dá)到真正節(jié)水的目的。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下方案1它由傳感器、轉(zhuǎn)換放大電路、單片機(jī)測控通訊系統(tǒng)組成；所說的傳感器為葉片傳感器，其中，葉片傳感器包括彈性元件、球形測頭、應(yīng)變片、彈性元件壓板、固定測頭、斜板、傳感器基體；裝在傳感器基體上面的彈性元件的前端下面裝有球形測頭，彈性元件的后端上下面上分別裝有應(yīng)變片；裝在傳感器基體下面的斜板的前端斜面上面，裝有能調(diào)節(jié)水平位置的固定測頭，固定測頭能與球形測頭相接觸，彈性元件壓板、彈性元件、傳感器基體和斜板四者用緊固螺釘固接，兩片應(yīng)變片經(jīng)過電氣接線板與信號電纜相連接，信號電纜中的一根線再與轉(zhuǎn)換放大電路的前端的跟隨放大器的同相輸入端MVIN端相連。
方案2它由傳感器、轉(zhuǎn)換放大電路、單片機(jī)測控通訊系統(tǒng)組成；所說的傳感器為果實傳感器，其中，果實傳感器包括外殼、定子、游絲、滑動觸頭、轉(zhuǎn)子、可動測頭、固定測頭；與外殼內(nèi)徑相配合的定子為環(huán)狀電阻器；與定子內(nèi)徑接觸的帶有彈性的兩個滑動觸頭安裝在轉(zhuǎn)子的外徑上面，可動測頭也通過螺釘安裝在轉(zhuǎn)子上，可動測頭帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；游絲一端安裝在定子上，另一端安裝在轉(zhuǎn)子上，固定測頭與芯軸配合；滑動觸頭的差動電壓信號線接電纜，信號電纜中的兩根線分別與轉(zhuǎn)換放大電路前端的兩個跟隨放大器的同相輸入端相連。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是(1)由對植物本身的器官葉片和果實微增量測量的傳感器檢測到植物水分變化信息，在缺水的臨界狀態(tài)實施灌溉，也可以利用植物對水分的需要規(guī)律實施灌溉
(2)在我國目前的灌溉管網(wǎng)不變的前提下，由被控對象植物本身構(gòu)成反饋控制環(huán)節(jié)，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制精度高；帶來的優(yōu)點是節(jié)水效果好，預(yù)期節(jié)水率為30％。可帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；(3)可安裝在智能溫室和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地等室內(nèi)外灌溉系統(tǒng)中，適于玉米、小麥、大豆等農(nóng)作物，楊樹等闊葉速生豐產(chǎn)林木種苗以及李桃葡萄等優(yōu)質(zhì)水果樹苗，以及部分園林花卉草坪植物等。
(4)果實傳感器的測頭更換后，可實現(xiàn)對莖桿直徑的測量。
顯然，同土壤水分的變化相比，植物器官如葉、莖、果等的形態(tài)或生理變化，則可以更直接、更全面、更快速、更靈敏地反應(yīng)植物體內(nèi)的水分的狀況。這樣，診斷植物水分的測量，可轉(zhuǎn)化為微位移傳感器的測量精度和相互對應(yīng)規(guī)律的研究。這樣組成的灌溉系統(tǒng)是最優(yōu)控制系統(tǒng)，可以提高灌溉水的利用效率，即達(dá)到節(jié)水的目的。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是葉片厚度測量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是果實直徑測量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖；圖4是轉(zhuǎn)換放大電路圖；圖5是單片機(jī)測控通訊系統(tǒng)電路圖。
圖2中1彈性元件2球形測頭3應(yīng)變片4緊固螺釘5彈性元件壓板6電纜壓板7電纜線夾螺釘8固定測頭9螺釘10斜板11基體12電氣接線板13三芯屏蔽電纜圖3中14外殼15四芯屏蔽電纜16定子(電阻環(huán))17滑動觸頭18游絲(反力彈簧)19轉(zhuǎn)子(活動測頭固定盤)20軸承組件21螺釘22芯軸23可動測頭24固定測頭具體實施方式
如圖2所示，它由傳感器、轉(zhuǎn)換放大電路、單片機(jī)測控通訊系統(tǒng)組成；所說的傳感器為葉片傳感器，其中，葉片傳感器包括彈性元件1、球形測頭2、應(yīng)變片3、彈性元件壓板5、固定測頭8、斜板10、傳感器基體11；裝在傳感器基體11上面的彈性元件1的前端下面裝有球形測頭2，彈性元件1的后端上下面上分別裝有應(yīng)變片3；裝在傳感器基體11下面的斜板10的前端斜面上面，裝有能調(diào)節(jié)水平位置的固定測頭8，用螺釘9鎖緊，固定測頭8能與球形測頭2相接觸，彈性元件壓板5、彈性元件1、傳感器基體9和斜板10四者用緊固螺釘4固接，兩片應(yīng)變片3經(jīng)過電氣接線板12與信號電纜13相連接，信號電纜13用電纜壓板6壓住用電纜線夾螺釘7夾緊，信號電纜13中的一根線再與轉(zhuǎn)換放大電路的前端跟隨放大器U1的同相輸入端MVIN端相連。
如圖3所示，它由傳感器、轉(zhuǎn)換放大電路、單片機(jī)測控通訊系統(tǒng)組成；所說的傳感器為果實傳感器，其中，果實傳感器包括外殼14、定子16、游絲18、滑動觸頭17、轉(zhuǎn)子19、可動測頭23、固定測頭24；與外殼14內(nèi)徑相配合的定子16為環(huán)狀電阻器；與定子16內(nèi)徑接觸的帶有彈性的兩個滑動觸頭17安裝在轉(zhuǎn)子19的外徑上面，可動測頭23也通過螺釘安裝在轉(zhuǎn)子19上，可動測頭23帶動轉(zhuǎn)子19轉(zhuǎn)動；游絲18一端安裝在定子16上，另一端安裝在轉(zhuǎn)子19上，固定測頭24與芯軸2配合；滑動觸頭17的差動電壓信號線接電纜15，信號電纜15中的兩根線分別與轉(zhuǎn)換放大電路前端的兩個跟隨放大器U1、U2的同相輸入端相連。
視實際情況不同，將一組(數(shù)個)如圖1、圖2和圖3所示的傳感器裝夾于被測植物的有代表性的葉片或果實上，傳感器需由輔助支架聯(lián)結(jié)支撐，被測葉片或果實要適當(dāng)固定使其具有一定的穩(wěn)定性，以保證測量精度。傳感器輸出的測量信號傳輸給安裝在測量控制電箱中的轉(zhuǎn)換放大電路，對圖2所示的傳感器，其輸出信號為一個端子，通過3芯電纜中的一根線直接與圖3中的MVIN端相連。對圖3所示的傳感器，其輸出信號為二個端子，通過四芯電纜中的兩根線與圖4中的電壓跟隨放大器U1、U2的同相輸入端相連，但是電阻R1、R2、P1三個元件要去除。U1、U2輸出的信號經(jīng)過差動放大器U3后從MVOUT端輸出，該端與圖5中的CD4051模擬開關(guān)(四選1)的IN端相連，由CD4051模擬開關(guān)選擇被測通道，經(jīng)模擬開關(guān)后的信號進(jìn)入14位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的輸入端IN+，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)過鎖存器74LS373后，由單片機(jī)控制送入存儲器2864中，并送液晶中顯示當(dāng)前的測量值，2864中存貯的是4個通道一個月的測量數(shù)據(jù)，通過控制箱上的功能按鍵選擇顯示當(dāng)前任意一個通道的測量值或2864中存貯的一個月內(nèi)各個通道的測量值，同時將2864中存貯的數(shù)據(jù)通過串行口RS232定時傳輸?shù)街骺厣衔挥嬎銠C(jī)中，每次傳輸4個通道的測量值。在計算機(jī)中對下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計采樣和濾波等處理后，通過折線圖與表格的形式顯示任一個通道當(dāng)天的測量值或以前任意一天的測量值。計算機(jī)里存儲著被測植物的生長曲線，當(dāng)被測值與生長曲線產(chǎn)生偏差時就發(fā)出遠(yuǎn)程控制指令，由繼電器打開灌溉系統(tǒng)的控制閥，對植物進(jìn)行微噴灌或微滴灌，灌溉時間和頻率由主控機(jī)控制。從而實現(xiàn)了真正的閉環(huán)控制，可最大限度地利用灌溉水。
權(quán)利要求
1.一種基于植物器官微尺寸變化檢測的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，由傳感器、轉(zhuǎn)換放大電路、單片機(jī)測控通訊系統(tǒng)組成；其特征在于所說的傳感器為葉片傳感器，其中，葉片傳感器包括彈性元件(1)、球形測頭(2)、應(yīng)變片(3)、彈性元件壓板(5)、固定測頭(8)、斜板(10)、傳感器基體(11)；裝在傳感器基體(11)上面的彈性元件(1)的前端下面裝有球形測頭(2)，彈性元件(1)的后端上下面上分別裝有應(yīng)變片(3)；裝在傳感器基體(9)下面的斜板(10)的前端斜面上面，裝有能調(diào)節(jié)水平位置的固定測頭(8)，固定測頭(8)能與球形測頭(2)相接觸，彈性元件壓板(5)、彈性元件(1)、傳感器基體(9)和斜板(10)四者用緊固螺釘(4)固接，兩片應(yīng)變片(3)經(jīng)過電氣接線板(12)與信號電纜(13)相連接，信號電纜(13)中的一根線再與轉(zhuǎn)換放大電路的前端跟隨放大器(U1)的同相輸入端MVIN端相連。
2.一種基于植物器官微尺寸變化檢測的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，由傳感器、轉(zhuǎn)換放大電路、單片機(jī)測控通訊系統(tǒng)組成；其特征在于所說的傳感器為果實傳感器，其中，果實傳感器包括外殼(14)、定子(16)、游絲(18)、滑動觸頭(17)、轉(zhuǎn)子(19)、可動測頭(23)、固定測頭(24)；與外殼(14)內(nèi)徑相配合的定子(16)為環(huán)狀電阻器；與定子(16)內(nèi)徑接觸的帶有彈性的兩個滑動觸頭(17)安裝在轉(zhuǎn)子(19)的外徑上面，可動測頭(23)也通過螺釘安裝在轉(zhuǎn)子(19)上，可動測頭(23)帶動轉(zhuǎn)子(19)轉(zhuǎn)動；游絲(18)一端安裝在定子(16)上，另一端安裝在轉(zhuǎn)子(19)上，固定測頭(24)與芯軸(22)配合；滑動觸頭(17)拾取的差動電壓信號接入信號電纜(15)，信號電纜(15)中的兩根線分別與轉(zhuǎn)換放大電路前端的兩個跟隨放大器(U1、U2)的同相輸入端相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于植物器官微尺寸變化檢測的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。由傳感器、轉(zhuǎn)換放大電路、單片機(jī)測控通訊系統(tǒng)組成。將傳感器裝夾于被測植物的有代表性的葉片或果實上，傳感器輸出的測量信號傳輸給轉(zhuǎn)換放大電路放大后，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后傳輸給微處理器，再由微處理器定時傳輸?shù)街骺赜嬎銠C(jī)上，主控機(jī)根據(jù)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析的結(jié)果決定是否開啟灌溉系統(tǒng)的電子開關(guān)，從而實現(xiàn)了對被灌溉植物的閉環(huán)控制。同傳統(tǒng)的灌溉方案相比，植物器官如葉、莖、果等的形態(tài)或生理變化，可以更直接、更全面、更快速、更靈敏地反應(yīng)植物體內(nèi)的水分的狀況?？刂凭雀?，節(jié)水效果好，預(yù)期節(jié)水率為30％?？蓭砻黠@的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
文檔編號A01G25/16GK1515147SQ03150690
公開日2004年7月28日 申請日期2003年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月25日
發(fā)明者李東升 申請人:中國計量學(xué)院