專利名稱：基于激光熱脈沖的無線植物莖流檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于激光熱脈沖的無線植物莖流檢測裝置。
背景技術(shù)：
植物的生長離不幵水，水在植物-大氣-土壤中進行循環(huán)， 一方面保證了植物 的生命活動，維持了生態(tài)的平衡和發(fā)展，另一方面也是生命活動的結(jié)果。
我國是水資源十分匱乏的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水量占總耗水量的70%,因此 在保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的前提下，大力發(fā)展節(jié)水灌溉實現(xiàn)水資源的合理利用， 變豐水高產(chǎn)為節(jié)水高產(chǎn)，是一項十分緊迫而重要的任務(wù)。
長期以來，人們把土壤含水量或大氣的相對濕度作為控制農(nóng)作物灌溉的指 標(biāo)，但它畢竟是一個間接指標(biāo)，對反映作物的缺水比較遲鈍、滯后，且精度低。 因此科研人員一直在尋求一種植物生理需水信息作為反映植物缺水的直接指 標(biāo)，以便得到比較靈敏、迅速和精確的信息。有了可靠的需水信息，就能做到在 植物需水時，及時、適度地灌溉，這是節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。
植物從土壤中吸收水分，同時又向大氣中蒸發(fā)水分，植物體內(nèi)的水分以氣 態(tài)散失到大氣中的過程，稱為蒸騰作用。通常植物從土壤中吸收的水分絕大部 分以蒸騰的方式散失，約占總耗水量的99.8%。為了實現(xiàn)節(jié)水灌溉，必然要涉及 到作物蒸散量的測定，在許多情況下要求將作物總蒸散量分解為蒸騰與蒸發(fā)兩 部分。 一般認為作物的蒸騰是完成作物正常生理過程所必需的，而農(nóng)田蒸發(fā)過 程只是作物蒸騰過程中伴隨的不可避免的無效水分損失。單純蒸騰的測定是比 較困難的，現(xiàn)有的實際測定農(nóng)田水分消耗的方法，諸如水量平衡法，能量平衡 波文比發(fā)，稱重式蒸滲儀法以及渦度相關(guān)法都只能測定農(nóng)田蒸散總量，而無法 將之分解為蒸騰與蒸發(fā)兩部分。
由于植物蒸騰作用引起的莖內(nèi)液流的上升，稱之為莖流。莖流量等于莖流 速度與植物導(dǎo)管面積的乘積。因此通過測定植物的莖流速度就可以得出植物的 蒸騰量，從而為植物-大氣-土壤連續(xù)系統(tǒng)提供一種水分測量的方法；莖流作為一 種水分生理指標(biāo)，比土壤水分更適用于監(jiān)視作物的生理過程，指導(dǎo)農(nóng)田精量灌 溉。
目前對植物莖流的測定方法有重量法及熱量法等許多種。熱量法是利用安 裝在植株莖部的熱源發(fā)生器和探測器測定莖流的方法。熱量法莖流測試技術(shù)可根據(jù)測量原理分為兩大類別熱波速法和熱平衡法。
一是熱波速法(Heat Plus Velocity),其基本原理是向電加熱元件通以短暫 即逝的電流，產(chǎn)生熱脈沖波動，在加熱點的上或者下游放置溫度檢測元件，記 錄莖稈監(jiān)測點處的溫度變化曲線，根據(jù)熱力學(xué)的擴散模型，推導(dǎo)液流速度及液 流量。根據(jù)不同的檢測方法以及擴散模型，又分為熱脈沖法、熱擴散法和熱場 變形幾種。此類方法在檢測過程中，熱源和檢測元件均需侵入植物莖內(nèi)。其不 足之處在于1)要在植物的莖部打孔以便放入熱源和檢測裝置；改變了植物本 身的莖流狀態(tài)；2)在安裝的時候很容易使得加熱器和探針不能夠很好的對準， 從而影響測量結(jié)果；3)加熱的過程中可能導(dǎo)致木質(zhì)部失去活性，從而影響測的 結(jié)果的準確性。
另一種是熱平衡法(Thermal Heat Balance),其工作原理是向電加熱元件通 以穩(wěn)定持久的電流，產(chǎn)生持久的熱量輸入，輸入熱量會被流動的莖液帶走，同 時還會像周圍空間輻射，根據(jù)熱擴散的模型，計算出被莖液帶走的熱量和向周 圍空間擴散的熱量。根據(jù)莖液帶走的熱量等可以推算出莖稈內(nèi)液體流速和流量。 根據(jù)熱加熱元件和溫度檢測元件放置的位置不同，又分為樹干熱平衡法和莖熱 平衡法。其中樹干熱平衡法是要將加熱元件和檢測元件侵入樹干的內(nèi)部；而莖 熱平衡法為非侵入式，把加熱元件和檢測元件放置在植物莖的表面。此類方法 的除了具有上面所述方法的不足之處外，還要進行莖流速度為零時的擴散模型 校正。而何時莖流速度為零，只能根據(jù)經(jīng)驗判斷， 一般認為破曉之處或者雨后 之時的莖流量為零，另外在測量的結(jié)果受外部環(huán)境變化的影響。
目 前熱脈沖植物莖流測量產(chǎn)品全部為進口產(chǎn)品，在國內(nèi)市場上主要由格 林斯潘和澳大利亞英聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)聯(lián)合研制開發(fā)的SF系列 莖流傳感器，澳大利亞ICT公司產(chǎn)的HRM熱比率法莖流探頭。其特點首先采 用的方法是通過測量測點熱脈沖熱擴散曲線的變化，計算出熱波動速度，再對 熱波動速度進行二次三項式或三次三項式回歸和修正，才能獲得莖流流速。其 次現(xiàn)有的產(chǎn)品主要適用于果林等木本植物。測定草本植物存在燒傷莖稈的問
題，受分辨率的限制，該問題也不能通過減少加熱量解決;另外，加熱元件和測
溫結(jié)點因為要插入植物莖稈內(nèi)，所以對微小莖稈，會造成植物微小莖稈損傷；
進口產(chǎn)品價格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光熱脈沖的無線植物莖流檢測裝置。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括微處理器、激光熱脈沖發(fā)生器、莖流傳感器、日歷芯片、電壓
轉(zhuǎn)換器、電源、無線通信模塊、鍵盤、LCD顯示模塊、RS232接口和USB接口 模塊；微處理器分別與激光熱脈沖發(fā)生器、莖流傳感器、日歷芯片、電壓轉(zhuǎn)換 器、無線通信模塊、鍵盤、LCD顯示模塊、RS232接口和USB接口模塊連接； 莖流傳感器還與激光熱脈沖發(fā)生器連接，電壓轉(zhuǎn)換器還分別與電源和激光熱脈 沖發(fā)生器連接。
所述莖流傳感器包括兩個紅外測溫探頭和光纖，兩個紅外測溫探頭分別安 置在光纖的上下側(cè)，兩個紅外測溫探頭分別與微處理器連接，光纖與激光脈沖 發(fā)生器連接，兩個紅外測溫探頭與光纖通過纏繞在待測植物莖上的絕緣保溫泡 沫中固定，兩個紅外測溫探頭與光纖與待測植物莖非接觸。
所述微處理器選用TI公司的MSP430系列低功耗微處理器；無線通信模塊 選用TI公司的CC2480;日歷模塊采用獨立的時鐘芯片DS1302; LCD顯示電路 采用標(biāo)準的12864液晶模塊；鍵盤采用4X1的獨立式按鍵；RS232接口采用標(biāo) 準的RS232接口。 USB接口模塊采用PDIUSBD12;激光熱脈沖發(fā)生器采用光 纖耦合高功率激光二極管；紅外測溫探頭采用CS緊湊型紅外測溫探頭。
本發(fā)明具有的有益效果是
因為采用無接觸式的熱脈沖發(fā)生器和無接觸式的紅外測溫裝置，故大大降 低了對植物本身的影響，因此測得結(jié)果更能反應(yīng)植物的生理特征，并且因為是 非接觸的所以安裝和維護更為方便。系統(tǒng)具有無線通信的功能，極大方便了遠 程數(shù)據(jù)的采集和長時間的運行，有利于對長時間對植物進行觀測。系統(tǒng)采用低 功耗的微處理器，所采用的微處理器具有大量的片內(nèi)模塊，因此大大簡化了系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的運行成本。無線傳輸方式采用支持ZigBee協(xié)議的 CC2480模塊，該協(xié)議支持星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，組成 的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明可對草本植物或較細莖稈 進行莖流測量。


圖l是本發(fā)明的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是本發(fā)明的植物莖流部分的傳感器結(jié)果圖。
圖3是本發(fā)明的微處理器與無線傳傳輸模塊的接口圖。
圖4是本發(fā)明的微處理器與時鐘模塊的接口圖。
圖5是本發(fā)明的微處理器與LCD顯示模塊的接口圖。
圖6是本發(fā)明的軟件流程圖。圖中1、待測植物莖，2、紅外測溫探頭，3、光纖，4、紅外測溫探頭，5、 泡沬，6、塑料套筒，7、塑料套筒，8、塑料套筒。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括包括微處理器、激光熱脈沖發(fā)生器、莖流傳感器、 日歷芯片、電壓轉(zhuǎn)換器、電源、無線通信模塊、鍵盤、LCD顯示模塊、RS232 接口和USB接口模塊；微處理器分別與激光熱脈沖發(fā)生器、莖流傳感器、日歷 芯片、電壓轉(zhuǎn)換器、無線通信模塊、鍵盤、LCD顯示模塊、RS232接口和USB 接口模塊連接；莖流傳感器還與激光熱脈沖發(fā)生器連接，電壓轉(zhuǎn)換器還分別與 電源和激光熱脈沖發(fā)生器連接。
如圖2所示，所述莖流傳感器包括兩個紅外測溫探頭2、 4和光纖3，兩個 紅外測溫探頭2、 4分別安置在光纖3的上下側(cè)，兩個紅外測溫探頭2、 4分別 與微處理器連接，光纖3與激光脈沖發(fā)生器連接，兩個紅外測溫探頭2、 4與光 纖3通過纏繞在待測植物莖1上的絕緣保溫泡沫5中固定，兩個紅外測溫探頭2、 4與光纖3與待測植物莖1非接觸。
如圖1所示，本發(fā)明的無線通信模塊采用TI的CC2480芯片，該芯片集成TI 公司的ZigBee協(xié)議，大大降低了微處理器的運算負載，工作在2.4GHz的ISM頻段。 用于實現(xiàn)莖流數(shù)據(jù)的近距離無線傳輸。采用無線通信方式，減少了布線帶來的 諸多問題，方便系統(tǒng)的安裝，長時間運行以及與主機或基站之間的信息交流。
微處理器采用TI的MSP430系列MCU，該系列微處理器具有顯著的低功耗特 點，并且該微處理器的內(nèi)部集成了眾多接口和功能模塊。這大大簡化系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)，也降低系統(tǒng)的運行成本。
鍵盤和LCD顯示模塊作為人機交換接口 ， LCD采用標(biāo)準的12864液晶屏， 用來設(shè)置系統(tǒng)的工作模式和相關(guān)的參數(shù)，鍵盤采用4X1鍵盤，用來作為系統(tǒng)工 作模式的調(diào)整和參數(shù)設(shè)置。如莖流的采樣時間和采樣速度，選擇莖流的計算 方式等，進行系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)人機信息交互的目的。
日歷模塊采用獨立的時鐘芯片DS1302，為系統(tǒng)提供實時的時鐘電路，減輕 CPU的負擔(dān)，為莖流數(shù)據(jù)的時段分析和處理提供時間信息。
USB接口模塊和RS232接口模塊用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和存儲，易于實現(xiàn)數(shù)據(jù) 的共享，存儲的數(shù)據(jù)用于后續(xù)處理和分析。
激光熱脈沖發(fā)生器采用激光二極管線列陣光纖耦合器件，利用激光二極管 陣列產(chǎn)生808nm的紅外光，將此光耦合到光纖中，通過光纖將此光引到待加熱的 植物莖部，利用紅外光的熱效應(yīng)，加熱植物的莖部，從而將熱脈沖耦合到植物莖內(nèi)的液流上，以此熱脈沖作為示蹤源。普通的電阻絲加熱器件必須與植物莖 相接觸才能實現(xiàn)熱傳導(dǎo)，而與相接觸必然會對植物帶來影響，從而帶來誤差和 干擾。因此采用激光熱脈沖加熱的方式會減少對植物的影響。
對莖內(nèi)溫度變化的檢測，通過安裝在熱源兩側(cè)的紅外測溫探頭進行檢測， 記錄上下游的溫度變化曲線，用于計算植物莖流量。采用紅外測溫的方式，也 是為了避免普通熱電阻、熱電偶與植物體相接觸測溫而帶來的誤差和干擾。
考慮到現(xiàn)場的供電狀況，本裝置采用蓄電池供電的工作方式，通過電壓轉(zhuǎn) 換器，將蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換為各種工作器件合適的電壓，大大方便了現(xiàn)場工作。
如圖2所示，本發(fā)明在待測植物莖1上纏繞3厘米厚的泡沬5，起到絕緣和保 溫的作用，將紅外測溫探頭2、 4和光纖3分別裝入到塑料套筒8、 6、 7內(nèi)，塑料 套筒起到保護紅外探頭2、 4和光纖3并減少干擾的作用。在泡沬5上選定加熱點 和測溫點，并在選定的點上穿孔，以能看到植物的莖為準，不能傷到植物的莖， 三個套筒6、 7、 8插到泡沬的三個孔中，光纖要放在中間套筒7的孔中。光纖3的 另外一端連接在激光熱脈沖發(fā)生器(即激光二極管線列陣發(fā)生器)上。激光熱脈沖 發(fā)生器的電源受微處理器的控制，激光熱脈沖發(fā)生器得電后，即可產(chǎn)生光脈沖， 光脈沖沿光纖傳導(dǎo)至植物的莖部，對植物莖進行局部加熱。加熱點的液流受到 加熱后，熱便會向周圍傳到擴散，在植物體內(nèi)主要是沿著莖的方向，向上和向 下傳遞。當(dāng)攜帶此熱脈沖的液流到達位于加熱點上下的兩個紅外測溫儀時，紅 外測溫探頭產(chǎn)生電壓輸出響應(yīng)，響應(yīng)信號送入到微處理器內(nèi)，根據(jù)熱力學(xué)擴散 模型和溫度響應(yīng)曲線，即可求出莖流的速度。根據(jù)莖流的速度Vh，再通過公式 (1)可以推斷出莖流的量。
Qs=VhXS (1) S:為加熱處莖的橫截面積。
根據(jù)熱力學(xué)模型編寫的莖流算法程序固化在微處理器中，通過按鍵和設(shè)置 莖流的面積S及相關(guān)參數(shù)，即可得到莖流的流量。微處理器通過SPI接口，將計 算得到的莖流量傳送給無線通信模塊CC2480，如圖3所示，CC2480將該數(shù)據(jù)通 過無線方式傳輸給控制計算機，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳送，減少了系統(tǒng)的布線， 便于遠程記錄和監(jiān)控，方便了系統(tǒng)的應(yīng)用。
微處理器與日歷芯片DS1302相連，如圖4所示，日歷芯片為系統(tǒng)提供了時間 值，減輕CPU的負擔(dān)，為莖流的分析和處理提供時間信息，便于莖流的時段分 析。
微處理器與LCD模塊相連接，如圖5所示，進行莖流數(shù)據(jù)和時間的顯示，還可以進行參數(shù)的調(diào)整和顯示，便于現(xiàn)場工作人員的操作。
整個系統(tǒng)的工作流程圖，如圖6所示。系統(tǒng)加電后首先進行初始化處理，如 設(shè)置端口的工作模式等，之后進行判斷是否適合產(chǎn)生激光熱脈沖，如果適合產(chǎn) 生激光熱脈沖，則產(chǎn)生，否則，繼續(xù)查詢等待時機。產(chǎn)生激光熱脈沖后，進行 采樣記錄紅外測溫探頭的輸出響應(yīng)，記錄一段時間后，待熱脈沖信號從測溫區(qū) 通過消失后，根據(jù)模型分析出當(dāng)前的莖流數(shù)據(jù)，并進行顯示和傳輸。接著査詢 要否進行下一次采樣，如果不需要則進如休眠狀態(tài)，以便節(jié)省能量。在收到中 斷信號后，再進行下一次采樣。
權(quán)利要求
1、一種基于激光熱脈沖的無線植物莖流檢測裝置，其特征在于包括微處理器、激光熱脈沖發(fā)生器、莖流傳感器、日歷芯片、電壓轉(zhuǎn)換器、電源、無線通信模塊、鍵盤、LCD顯示模塊、RS232接口和USB接口模塊；微處理器分別與激光熱脈沖發(fā)生器、莖流傳感器、日歷芯片、電壓轉(zhuǎn)換器、無線通信模塊、鍵盤、LCD顯示模塊、RS232接口和USB接口模塊連接；莖流傳感器還與激光熱脈沖發(fā)生器連接，電壓轉(zhuǎn)換器還分別與電源和激光熱脈沖發(fā)生器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光熱脈沖的無線植物莖流檢測裝置， 其特征在于所述莖流傳感器包括兩個紅外測溫探頭(2、 4)和光纖(3)，兩個紅外 測溫探頭(2、 4)分別安置在光纖(3)的上下側(cè)，兩個紅外測溫探頭(2、 4)分別與微 處理器連接，光纖(3)與激光脈沖發(fā)生器連接，兩個紅外測溫探頭(2、 4)與光纖(3) 通過纏繞在待測植物莖(1)上的絕緣保溫泡沫(5)中固定，兩個紅外測溫探頭(2、 4)與光纖(3)與待測植物莖(1)非接觸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光熱脈沖的無線植物莖流檢測裝置， 其特征在于所述微處理器選用TI公司的MSP430系列低功耗微處理器；無線 通信模塊選用TI公司的CC2480;日歷模塊采用獨立的時鐘芯片DS1302; LCD 顯示電路采用標(biāo)準的12864液晶模塊；鍵盤采用4X1的獨立式按鍵；RS232接 口采用標(biāo)準的RS232接口； USB接口模塊采用PDIUSBD12;激光熱脈沖發(fā)生 器采用光纖耦合高功率激光二極管；紅外測溫探頭采用CS緊湊型紅外測溫探 頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光熱脈沖的無線植物莖流檢測裝置。包括微處理器、激光熱脈沖發(fā)生器、莖流傳感器、日歷芯片、電壓轉(zhuǎn)換器、電源、無線通信模塊、鍵盤、LCD顯示模塊、RS232接口和USB接口模塊。莖流傳感器的熱脈沖采用激光熱脈沖方式，溫度的檢測采用紅外測溫探頭的方式，這種熱源和檢測方式避免了與被檢莖相接觸，減少了對莖的影響。兩個紅外測溫探頭分別安置在光纖的上下側(cè)，插入纏繞在待測植物莖上的泡沫中與莖非接觸，兩個紅外測溫探頭分別與微處理器連接，光纖與激光熱脈沖發(fā)生器連接。采用ZigBee通信協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，便于設(shè)備的安裝和數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明可對草本植物或較細莖稈進行莖流測量。
文檔編號G01F1/68GK101413815SQ20081016212
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者張付杰, 王劍平, 玲 蓋 申請人:浙江大學(xué)