专利名称：一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置。
背景技术：
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。
发明内容
本实用新型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，本实用新型采用的技术方案是-
本实用新型包括微处理器、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。
本实用新型具有的有益效果是
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。本实用新型可对草本植物或较细 茎秆进行茎流测量。
图l是本实用新型的硬件系统结构原理图。 图2是本实用新型的植物茎流部分的传感器结果图。 图3是本实用新型的微处理器与无线传传输模块的接口图。 图4是本实用新型的微处理器与时钟模块的接口图。 图5是本实用新型的微处理器与LCD显示模块的接口图。图6是本实用新型的软件流程图。
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，本实用新型包括包括微处理器、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接口模i央；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。
如图2所示，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 与微处理器连接，光纤3与激光脉冲发生器连接，两个红外测温探头2、 4与光 纤3通过缠绕在待测植物茎1上的绝缘保温泡沫5中固定，两个红外测温探头2、 4与光纤3与待测植物茎1非接触。
如图1所示，本实用新型的无线通信模块采用TI的CC2480芯片，该芯片集成 TI公司的ZigBee协议，大大降低了微处理器的运算负载，工作在2.4GHz的ISM频 段。用于实现茎流数据的近距离无线传输。采用无线通信方式，减少了布线带 来的诸多问题，方便系统的安装，长时间运行以及与主机或基站之间的信息交 流。
微处理器采用TI的MSP430系列MCU，该系列微处理器具有显著的低功耗特 点，并且该微处理器的内部集成了众多接口和功能模块。这大大简化系统的结 构，也降低系统的运行成本。
键盘和LCD显示模块作为人机交换接口 ， LCD采用标准的12864液晶屏， 用来设置系统的工作模式和相关的参数，键盘采用4X1键盘，用来作为系统工 作模式的调整和参数设置。如茎流的采样时间和采样速度，选择茎流的计算 方式等，进行系统相关参数的调整，实现人机信息交互的目的。
日历模块采用独立的时钟芯片DS1302，为系统提供实时的时钟电路，减轻 CPU的负担，为茎流数据的时段分析和处理提供时间信息。
USB接口模块和RS232接口模块用于实现数据的交互和存储，易于实现数据 的共享，存储的数据用于后续处理和分析。
激光热脉冲发生器采用激光二极管线列阵光纤耦合器件，利用激光二极管阵列产生808nm的红外光，将此光耦合到光纤中，通过光纤将此光引到待加热的 植物茎部，利用红外光的热效应，加热植物的茎部，从而将热脉冲耦合到植物 茎内的液流上，以此热脉冲作为示踪源。普通的电阻丝加热器件必须与植物茎 相接触才能实现热传导，而与相接触必然会对植物带来影响，从而带来误差和 干扰。因此采用激光热脉冲加热的方式会减少对植物的影响。
对茎内温度变化的检测，通过安装在热源两侧的红外测温探头进行检测， 记录上下游的温度变化曲线，用于计算植物茎流量。采用红外测温的方式，也 是为了避免普通热电阻、热电偶与植物体相接触测温而带来的误差和干扰。
考虑到现场的供电状况，本装置采用蓄电池供电的工作方式，通过电压转 换器，将蓄电池的电压转换为各种工作器件合适的电压，大大方便了现场工作。
如图2所示，本实用新型在待测植物茎1上缠绕3厘米厚的泡沫5，起到绝缘 和保温的作用，将红外测温探头2、 4和光纤3分别装入到塑料套筒8、 6、 7内， 塑料套筒起到保护红外探头2、 4和光纤3并减少干扰的作用。在泡沫5上选定加 热点和测温点，并在选定的点上穿孔，以能看到植物的茎为准，不能伤到植物 的茎，三个套筒6、 7、 8插到泡沫的三个孔中，光纤要放在中间套筒7的孔中。 光纤3的另外一端连接在激光热脉冲发生器(即激光二极管线列阵发生器)上。激 光热脉冲发生器的电源受微处理器的控制，激光热脉冲发生器得电后，即可产 生光脉冲，光脉冲沿光纤传导至植物的茎部，对植物茎进行局部加热。加热点 的液流受到加热后，热便会向周围传到扩散，在植物体内主要是沿着茎的方向， 向上和向下传递。当携带此热脉冲的液流到达位于加热点上下的两个红外测温 仪时，红外测温探头产生电压输出响应，响应信号送入到微处理器内，根据热 力学扩散模型和温度响应曲线，即可求出茎流的速度。根据茎流的速度Vh，再 通过公式(1)可以推断出茎流的量。
Qs=VhXS (1)
S:为加热处茎的横截面积。
根据热力学模型编写的茎流算法程序固化在微处理器中，通过按键和设置 茎流的面积S及相关参数，即可得到茎流的流量。微处理器通过SPI接口，将计 算得到的茎流量传送给无线通信模块CC2480，如图3所示，CC2480将该数据通 过无线方式传输给控制计算机，从而实现数据的无线传送，减少了系统的布线， 便于远程记录和监控，方便了系统的应用。
微处理器与日历芯片DS1302相连，如图4所示，日历芯片为系统提供了时间 值，减轻CPU的负担，为茎流的分析和处理提供时间信息，便于茎流的时段分
7析。
微处理器与LCD模块相连接，如图5所示，进行茎流数据和时间的显示，还 可以进行参数的调整和显示，便于现场工作人员的操作。
整个系统的工作流程图，如图6所示。系统加电后首先进行初始化处理，如 设置端口的工作模式等，之后进行判断是否适合产生激光热脉冲，如果适合产 生激光热脉冲，则产生，否则，继续查询等待时机。产生激光热脉冲后，进行 采样记录红外测温探头的输出响应，记录一段时间后，待热脉冲信号从测温区 通过消失后，根据模型分析出当前的茎流数据，并进行显示和传输。接着査询 要否进行下一次采样，如果不需要则进如休眠状态，以便节省能量。在收到中 断信号后，再进行下一次采样。
权利要求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)分别与微处理器连接，光纤(3)与激光脉冲发生器连接，两个红外测温探头(2、 4)与光纤(3)通过缠绕在待测植物茎(1)上的绝缘保温泡沫(5)中固定，两个红外测温探头(2、4)与光纤(3)与待测植物茎(1)非接触。
3、 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显示电路采用标准的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。
专利摘要本实用新型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。本实用新型可对草本植物或较细茎秆进行茎流测量。
文档编号G01F1/68GK201314831SQ200820167759
公开日2009年9月23日 申请日期2008年11月24日 优先权日2008年11月24日
发明者张付杰, 王剑平, 玲 盖 申请人:浙江大学