专利名称：一种无线茎流传感器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种无线茎流传感器及其控 制方法。
背景技术：
水既是植物体的重要组成部分，又是植物生长发育的重要生态因 子。植物把水由液态变成气态，带走热量，保持叶温的相对稳定，才 能正常生长。植物吸收的水分绝大部分都是以蒸腾的方式消耗了， 因此蒸腾量作为植物生理信息的一个非常重要的因素，对其进行测量 研究是非常有意义的。
在植物生理学领域可以通过测量植物茎流来推算出植物的蒸腾 量，测量植物茎流的主要方法有热脉冲法、热扩散法和热平衡法，热 脉冲法和热扩散法大多数都釆用了侵入式的热源和温度探针。申请号
为"200710067985.X"中国的专利申请"一种非侵入式热脉冲茎流计" 提供了一种非侵入式的热脉冲茎流计，此专利申请在植株表面设置了 一个加热元件及差动放大及信号控制处理电路，在加热元件的上下游 分别设置了多对温度传感器，通过对热脉冲在植株内部的运动时间的 测量，可以实现对直径较细的植株的茎流测量。但是由于该技术方案 中在加热元件所处位置的上下游位置分别釆用了多对温度传感器，虽 然提高了测量精度，其功耗消耗较大，并且也增加了整个茎流传感器 的成本，整个茎流计的功能也相对比较单一，缺乏灵活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线茎流传感器及其控制方法，该无线
茎流传感器测量设备简单而精确，便于制作；以无线方式与上位机通 信，降低了布线成本；同时还具有网络功能。
5为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种无线茎流传感器，该传感器包括
传感参数获取单元，包括夹在茎杆表面的加热元件、以加热元件 为对称中,。分别设覽在其上下游的上游温度传感器和下游温度传感
器，用于分别釆集茎杆上游温度电信号和下游温度电信号； 无线片上系统，所述无线片上系统包括
微控制器，用于根据所述上游温度电信号和下游温度电信号获取 茎杆温差，利用热平衡法根据温差获取茎流数据，将所述茎流数据暂 存在片上存储器内，在收到查询指令后将所述茎流数据发送到无线射 频单元；
片上存储器，用于暂存微控制器获得的茎流数据；
无线射频单元，用于接收无线传感网络中上位机发送的各种指令 并转发到微控制器，接收微控制发送的茎流数据并通过无线传感网络 将所述茎流数据转发到上位机。
优选地，该传感器还包括信号处理单元，与上游温度传感器和下 游温度传感器分别连接，用于接收所釆集的上游温度电信号和下游温 度电信号，进行放大、滤波和调理后通过接口转换电路将所述上游温 度电信号和下游温度电信号发送到微控制器。
优选地，该传感器还包括电源管理单元，用于管理为无线茎流传 感器各部分供电的电源，在微控制器通过无线射频单获取休眠指令 后，所述电源管理单元控制电源使无线茎流传感器进入低功耗的休眠 状态。
优选地，所述加热元件、上游温度传感器和下游温度传感利用夹 持部件形成空腔圆柱形结构，套在茎杆上使所述加热元件、上游温度 传感器和下游温度传感器夹在茎杆的表面。
优选地，该传感器还包括与无线片上系统连接的片外存储器，用 于在所述片上存储器容量满时存储微控制器发送的数据。
6本发明还提供了 一种使用上述无线茎流传感器的控制方法，包括 以下步骤
上电后由加热元件为茎杆加热，通过上游温度传感器和下游温度 传感器分别釆集茎杆的上游温度电信号和下游温度电信号；
微控制器根据所述上游温度电信号和下游温度电信号获取茎杆 温差，利用热平衡法根据温差获取茎流数据，将茎流数据暂存在片上
存储器内；
无线片上系统初始化，通过无线射频单元进行网络检测，在检测
到网络时向无线传感网络中的网关发送加入网络的请求；
网关接收请求后，允许无线茎流传感器加入网络并为其分配网络 地址，返回加入成功信息；
无线茎流传感器通过无线射频单元监听来自上位机的各种指令， 在接收到指令后转发到微控制器；
所述微控制获取指令类型，在所述指令类型为查询指令时，将片 上存储器内的茎流数据通过无线射频单元发送到上位机。
优选地，所述指令类型为休眠类型时，由电源管理单元控制电源 使无线茎流传感器进入低功耗的休眠状态；
所述电源管理单元检测到低电压时向微控制器发出报警信号，由 微控制器将所述报警信号通过无线射频单元向上位机发出报警信号。
优选地，所述指令类型为设置指令时并包含釆集时间参数时，所 述上游温度传感器和下游温度传感按所述釆集时间参数进行温度信 号釆集。
优选地，还包括对所釆集的上游温度电信号和下游温度电信号进 行放大、滤波和调理输出标准的4~20mA的电流信号的步骤。
优选地，所述无线射频单元还接收无线传感网络中网络节点发送 的茎流数据，并将所述茎流数据通过无线传感网络转发到上位机。
利用本发明提供的无线茎流传感器及其控制方法，具有以下有益
7效果
1) 能够准确测量茎杆内液流带走热量导致的温差，并由此来计 算茎杆内液体的流量，测量设备简单而精确，便于制作；
2) 能够自动加入存在的无线网络，并接收网关分配的网络标识 信息，方便远端的上位机把现场监测对象和网络中的对象对应起来；
3) 能够以无线的方式实时将茎流数据发送到远端的上位机，降 低了布线成本；
4) 具有网络路由功能，能够存储转发同一个网络中其它节点发 送过来的信息；
5) 能够灵活的控制传感器的工作状态，可以处于低功耗的休眠 状态；
6) 能够实时监测整个传感器的供电系统，在低电压时能够向上 位机发出低电压报警信息。
图1为本发明实施例中无线茎流传感器的结构图； 图2为本发明实施例中传感参数获取单元的原理图； 图3为本发明无线茎流传感器的控制方法流程图。 图中1、传感参数获取单元；2、信号处理单元；3、接口转换 电路；4、无线片上系统；5、片外存储器；6、电源管理单元；11、 茎流方向；12、加热后的茎流；13、上游温度传感器；14、加热元件； 15、下游温度传感器。
具体实施例方式
本发明提出的无线茎流传感器及其控制方法，结合附图和实施例 说明如下。
本发明提供的无线茎流传感器釆用了热平衡法，在加热元件的上 下游仅釆用了一对高精度的温度传感器，能够精确测量温度值并由其 得出植物茎流量，此无线茎流传感器具有网络功能，能够自动加入当
8前存在的无线传感网络，并且能够存储转发植物的茎流信息，以无线 的方式接收上位机发来的控制指令进行休眠、唤醒等，从而降低整个 无线传感器的功耗并延长电池使用时间。 实施例
如图l所示为本实施例中无线茎流传感器的结构图，该无线茎流
传感器包括
传感参数获取单元l、信号处理单元2、接口转换电路3、集成的 无线片上系统4 (SoC)、片外存储器5和电源管理单元6。其中
传感参数获取单元l,如图2所示，包括夹在茎杆表面的加热元件 14、以加热元件14为对称中心分别设置在其上下游的上游温度传感器 13和下游温度传感器15，用于分别釆集茎杆上游温度电信号和下游温 度电信号，上游温度传感器13和下游温度传感器15均与加热元件14 保持距离L,图上向上箭头的方向表示茎流方向ll，流过上游温度传 感器13后得到加热后的茎流12，在加热元件14开始给茎杆加热时，位 于加热元件14上下游的上游温度传感器13和下游温度传感器15也开 始监测温度并釆集温度电信号，加热元件14釆用恒定电流加热，上游 温度传感器13和下游温度传感器15之间将形成温差。水流上升时，带 走热量，两个高精度传感器之间温差变小，温度差与茎流之间成反比 的函数关系，通过测量温差即可利用热平衡法算出植株茎流，该计算 过程为现有技术，这里不再详述。
优选地，加热元件14、上游温度传感器13和下游温度传感15利用 夹持部件形成空腔圆柱形结构，套在茎杆上使加热元件14、上游温度 传感器13和下游温度传感器15夹在茎杆的表面
信号处理单元2，使用传感参数获取单元l得到上游温度电信号和 下游温度电信号为微弱的电源信号，信号处理单元，利用信号处理单 元2与上游温度传感器13和下游温度传感器15分别连接，用于接收所 采集的上游温度电信号和下游温度电信号，进行放大、滤波和调理后
9通过接口转换电路将上游温度电信号和下游温度电信号发送到微控
制器。信号处理单元放大、滤波、调理后输出的为标准的4 20mA的
电流信号。
接口转换电路3 ，实现信号处理单元2到无线片上系统4中的微控 制器的数据传输。
无线片上系统4，包括微控制器，用于根据上游温度电信号和 下游温度电信号获取茎杆温差，利用热平衡法根据温差获取茎流数 据，将茎流数据暂存在片上存储器内，在收到查询指令后将暂存的茎 流数据发送到无线射频单元；片上存储器，用于暂存微控制器获得的 茎流数据；无线射频单元，用于接收无线传感网络中上位机发送的各 种指令并转发到微控制器，接收微控制发送的茎流数据并通过无线传 感网络将茎流数据转发到上位机，实现无线传输。
片外存储器5，用于在片上存储器容量满时存储微控制器发送的
数据；
电源管理单元6，用于管理为无线茎流传感器各部分供电的电源， 在微控制器通过无线射频单获取休眠指令后，电源管理单元6控制电 源使无线茎流传感器进入低功耗的休眠状态。
本发明所提供的上述无线茎流传感器的控制方法，使无线茎流传 感器加入到由多个传感器组成的无线网状网络中，并且能够存储转发 网络中的信息。无线茎流传感器可以接收远端的上位机发来的查询和 控制指令，当收到查询指令时会以无线的方式发射茎流数据、传感器 ID号、网络父节点号信息到上位机。当接收到休眠控制指令时，茎流 传感器会进入低功耗的休眠状态，节省系统能量。
本实施例中无线茎流传感器的控制方法包括步骤
s101，上电后由加热元件14为茎杆加热，通过上游温度传感器13 和下游温度传感器14分别采集茎杆的上游温度电信号和下游温度电 信号，优选加热元件14釆用恒定电流加热；
10S102,由信号处理单元2对所釆集的上游温度电信号和下游温度
电信号进行放大、滤波和调理输出标准的4 ~ 20mA的上游温度电信号 和下游温度电信号；
s103,通过接口转换电路3将处理后的上游温度电信号和下游温 度电信号发送到微控制器；
s104，微控制器根据釆集的上游温度电信号和下游温度电信号获 取茎杆温差，利用热平衡法根据温差获取茎流数据，将茎流数据暂存 在片上存储器内；
在执行上述釆集数据并获取茎流数据的过程中，如图3所示，无 线片上系统还并行执行以下步骤
s201,扫描并请求加入无线传感网络，具体无线片上系统初始化， 通过无线射频单元进行无线传感网络检测，在检测到无线传感网络时 向无线传感网络中的网关发送加入网络的请求；
s202,网关接收请求后，允许无线茎流传感器加入网络并为其分 配网络地址，返回加入成功信息到无线片上系统，无线茎流传感器成 功加入网络后无线茎流传感器自身的ID对应了其在网络中唯一的网 络ID,上位机是根据无线茎流传感器自身的ID号来获得其对应的网 络ID号，再通过网络ID号查找路由表获取通信路径，无线片上系统 将无线茎流传感器自己的相关信息发送给网关，其中发送给网关的相 关信息包括无线茎流传感器自身的ID号、及其网络拓扑结构中父节 点的网络地址ID号、自身的网络地址。当网络结构发生变化的时候 网络ID号会发生变化，但传感器自身的ID是不变的，上位机是通过 茎流传感器自身的ID号来对其进行监控的，若未加入成功，返回执 行步骤s201;
s203,无线茎流传感器通过无线射频单元监听来自上位机的各种 指令，在接收到指令后转发到微控制器；
s204，微控制获取指令类型，判断是何种指令，若为查询指令，
ii执行步骤s205,若为设置指令并包含釆集时间参数时，执行步骤s207, 若为休眠指令，执行步骤s209;
s205，微控制器查询片上存储器内是否已存储茎流信息； s206，在已存储后微控制器将片上存储器暂存的植株的茎流数 据、无线茎流传感器自身的ID号、网络ID号、其父节点的网络ID 号按照一定的顺序封装到无线传感网络的数据帧结构中，再通过无线 射频单元以无线的方式将这一数据帧发送到远端的上位机，上位机收 到信息后就能确认其所收到的信息是源于网络中的哪一个茎流传感 器，结東并进行下一轮通信；
s207，通过微控制器和电源管理电路来设置传感参数获取单元的 上游温度传感器和下游温度传感器进行温度信号采集的时间间隔，茎 流传感器釆集的时间间隔可以根据植株所处的环境和植株的生理周 期而确定；
s208，当设置结束后，无线茎流传感器通过无线射频单元将设置 的状态信息返回，告知远端的上位机是否设置成功，结東并进行下一 轮通信；
s209,通过电源管理单元设置无线茎流传感器的休眠时长； s210，在达到休眠时长时电源管理单元为各部分供电将其唤醒， 结束并进行下一轮通信。
具体实施例，微控制器接收到休眠指令后首先分析是哪一种休眠 指令，本实施例中休眠指令分为自动唤醒型休眠指令和上位机发送指 令控制唤醒休眠指令，自动唤醒指令是通过上位机发送的休眠指令， 通过电源管理单元设置无线茎流传感器的休眠时长，从无线茎流传感 器收到休眠指令开始计时，当达到所休眠的时长后节点将自动苏醒过 来；上位机发送指令控制唤醒休眠指令是指当无线茎流传感器收到休 眠指令后就通过电源管理单元设置无线茎流传感器进入低功耗的休 眠状态，直到再次收到来自上位机唤醒控制指令后才苏醒过来。两种
12方式结合能够很灵活的对传感器进行休眠控制，大大的减少了传感器 的功耗。；
本实施例中电源管理单元检测到低电压时向微控制器发出报警 信号，由微控制器将所述报警信号通过无线射频单元向上位机发出报 警信号。
无线射频单元还接收无线传感网络中网络节点发送的茎流数据， 并将所述茎流数据通过无线传感网络转发到上位机。
本实施例中所说的无线传感器网络优选釆样基于ZigBee技术的 无线传感网络，由于本发明传感参数获取单元釆用了空腔圆柱形包裹 茎杆，夹在茎杆表面的圆柱体内的加热元件采用恒定电流加热，以加 热元件为对称中心的上下游釆用了一对高精度温度传感器来测量温 差，由热平衡原理来计算出植物茎流数据，整个设备简单且测量精度 高；传感参数获取单元输出的信号进行了标准化处理，能够方便的和 无线片上系统接口；集成了无线片上系统，使整个茎流传感器具有无 线网络功能，能够将传感器获得的信息无线发送到远端的上位机；无 线茎流传感器加入无线网络后能够有序存储转发网络中其它传感器 发送过来的信息；无线茎流传感器能够接收远端上位机的控制指令进 行休眠，降低系统整体的能耗；无线茎流传感器能够自我检测系统供 电状况，在低电压时会向上位机发出报警信号。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
1权利要求
1、一种无线茎流传感器，其特征在于，该传感器包括传感参数获取单元，包括夹在茎杆表面的加热元件、以加热元件为对称中心分别设置在其上下游的上游温度传感器和下游温度传感器，用于分别采集茎杆上游温度电信号和下游温度电信号；无线片上系统，所述无线片上系统包括微控制器，用于根据所述上游温度电信号和下游温度电信号获取茎杆温差，利用热平衡法根据温差获取茎流数据，将所述茎流数据暂存在片上存储器内，在收到查询指令后将所述茎流数据发送到无线射频单元；片上存储器，用于暂存微控制器获得的茎流数据；无线射频单元，用于接收无线传感网络中上位机发送的各种指令并转发到微控制器，接收微控制发送的茎流数据并通过无线传感网络将所述茎流数据转发到上位机。
2、 根据权利要求l所述的无线茎流传感器，其特征在于，该传感器还包括信号处理单元，与上游温度传感器和下游温度传感器分别连接，用于接收所釆集的上游温度电信号和下游温度电信号，进行放大、滤波和调理后通过接口转换电路将所述上游温度电信号和下游温度电信号发送到微控制器。
3、 根据权利要求1所述的无线茎流传感器，其特征在于，该传感器还包括电源管理单元，用于管理为无线茎流传感器各部分供电的电源，在微控制器通过无线射频单获取休眠指令后，所述电源管理单元控制电源使无线茎流传感器进入低功耗的休眠状态。
4、 根据权利要求1所述的无线茎流传感器，其特征在于，所述加热元件、上游温度传感器和下游温度传感利用夹持部件形成空腔圆柱形结构，套在茎杆上使所述加热元件、上游温度传感器和下游温度传感器夹在茎杆的表面。
5、 根据权利要求1所述的无线茎流传感器，其特征在于，该传感器还包括与无线片上系统连接的片外存储器，用于在所述片上存储器容量满时存储微控制器发送的数据。
6、 一种使用权利要求1所述无线茎流传感器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤上电后由加热元件为茎杆加热，通过上游温度传感器和下游温度传感器分别釆集茎杆的上游温度电信号和下游温度电信号；'微控制器根据所述上游温度电信号和下游温度电信号获取茎杆温差，利用热平衡法根据温差获取茎流数据，将茎流数据暂存在片上存储器内；无线片上系统初始化，通过无线射频单元进行网络检测，在检测到网络时向无线传感网络中的网关发送加入网络的请求；网关接收请求后，允许无线茎流传感器加入网络并为其分配网络地址，返回加入成功信息；无线茎流传感器通过无线射频单元监听来自上位机的各种指令，在接收到指令后转发到微控制器；所述微控制获取指令类型，在所述指令类型为查询指令时，将片上存储器内的茎流数据通过无线射频单元发送到上位机。
7、 根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述指令类型为休眠类型时，由电源管理单元控制电源使无线茎流传感器进入低功耗的休瓶状态；所述电源管理单元检测到低电压时向微控制器发出报警信号，由微控制器将所述报警信号通过无线射频单元向上位机发出报警信号。
8、 根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述指令类型为设置指令时并包含釆集时间参数时，所述上游温度传感器和下游温度传感按所述釆集时间参数进行温度信号釆集。
9、 根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括对所采集的上游温度电信号和下游温度电信号进行放大、滤波和调理输出标准的4~20mA的电流信号的步骤。
10、根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述无线射 频单元还接收无线传感网络中网络节点发送的茎流数据，并将所述茎 流数据通过无线传感网络转发到上位机。
全文摘要
本发明涉及一种无线茎流传感器及其控制方法，其中传感参数获取单元，包括夹在茎杆表面的加热元件、以加热元件为中心对称设置的上、下游温度传感器，分别采集茎杆上、下游温度电信号；无线片上系统，包括微控制器，根据上、下游温度电信号利用热平衡法获取茎流数据并暂存在片上存储器，收到查询指令后将茎流数据发出；无线射频单元接收无线传感网络中上位机发送的各种指令并转发到微控制器，接收微控制器发送的茎流数据并通过无线传感网络发送到上位机，该方法通过将无线传感器加入到无线传感网络中，根据上位机发送的各种指令进行休眠、茎流数据发送及采集频率调整。本发明设备简单而精确，便于制作，利用无线方式降低了布线成本。
文档编号G01F1/68GK101476913SQ200910078129
公开日2009年7月8日 申请日期2009年2月17日 优先权日2009年2月17日
发明者乔晓军, 侯瑞锋, 凯 姜, 馨 张, 成 王, 赵春江 申请人:北京市农林科学院