专利名称：一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统的制作方法
一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统
技术领域：
本发明属于测量技术领域，特别是一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监背景技术：
水是植物主要的组成成分，植物体的含水量一般为60 80%,有的甚至可 达90%以上，没有水就没有生命。水是很多物质的溶剂，土壤中的矿物质、氧、 二氧化碳等都必须先溶于水后，才能被植物吸收和在体内运转。水还能维持细 胞和组织的紧张度，使植物器官保持直立状况，以利于各种代谢的正常进行。 水是光合作用制造有机物的原料，它还作为反应物参加植物体内很多生物化学 过程。此外，水由于有较大的热容量，当温度剧烈变动时，能缓和原生质的温 度变化，以保护原生质免受伤害。因此水对植物的生命活动显得尤为重要。
植物需水量是相当大的， 一株玉米一天大约需消耗2千克左右的水， 一生 需要200多千克水。夏季一株树木一天的需水量约等于其全部鲜叶重的5倍。 因此，缺水对植物来说十分严重。在长期的进化过程中，植物通过体内水分平 衡即根系吸收水和叶片蒸腾水之间的平衡来适应周围的水环境。 一般而言，在 低温地区和低温季节，植物吸水量和蒸腾量小，生长缓慢；反之亦然，此时必 须供应更多的水才能满足植物对水的需求和获得较高的产量。因此在监测植物 是否缺水时，植物叶茎含水率和土壤含水率都要全面地监测。'
水对植物的不利影响可分为旱害和涝害两种。旱害主 是由大气干旱和土 壤干旱引起的，它使植物体内的生理活动受到破坏，并使水分平衡失衡。轻则使植物生殖生长受阻，产品品质下降，抗病虫害能力减弱，重则导致植物长期 处于萎蔫状态而死亡。涝害则是因土壤水分过多和大气湿度过高引起，淹水条 件下土壤严重缺氧、C02积累，使植物生理活动和土壤中微生物活动不正常、 土壤板结、养分流失或失效、植物产品质量下降。因此监测植物是否遭受單灾 和涝灾，显得尤为迫切，并且需要长期监测，贯穿植物的整个生长过程。
国外流行采用DTR技术来监测植物的含水率，该技术不但成本高，而且需 要使用DTR波导探针插入植物体内，会对植物造成一定伤害，尤其当监测珍贵 物种时就不易采用。国内也有些采用通过测量植物电阻、电容等特性来监测植 物缺水，最近也出现了通过测量植物电阻抗来监测的，但是他们都采用了探针 来插入植物体内。而本发明采用金属电极片置于植物体表进行监测，不会对植 物造成任何伤害。
另外，现有的通过测量植物电阻抗来监测植物缺水的技术中，釆用了高频 信号发生器，会对植物造成一定伤害，并且电路复杂。而本发明采用在低频信 号(lkHz至100kHz)下测量植物阻抗，不会伤害植物，并且在电路设计中无 需专门的信号发生器，简化了电路，提高了整个系统的可靠性。
目前电学测量方式监测植物缺水对植物体和土壤的监测往往不能实时对多 个部位进行同时监测，而本发明具有可扫频、高精度、多通道、自动标定、自 动测量、定时测量等特点，可同时对植物体的多个部位和土壤进行长期在线监 测，有利于植物缺水机理的研究。
本发明还考虑到植物缺水，有的是土壤缺水引起的，有的是叶茎蒸腾过多 引起的，因此可针对植物叶茎和土壤分别给出浇灌提示，这样更有利于植物从 缺水状态迅速恢复。
发明内容
本发明的目的是提供 一 种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统，可同时对植物叶茎及土壤多个部位进行非侵入式长期缺水监测，显示植物的缺水状况，并分别针对植物叶茎和土壤给出浇灌提示。
为达到上述目的，本发明提供的一种基于多通道、自动阻抗测量的植物缺
水监测系统，釆用以下技术方案
所述系统是由电极、测量引线、阻抗测量单元、USB通讯与控制单元及PC机组成的便携式系统。电极釆用金属片，将电极以非侵入方式置于植物叶茎多个部位或插入土壤中，通过单芯同轴测量引线连接至阻抗测量单元。阻抗测量单元包括阻抗测量模块、标定和量程选择模块、通道选择模块，由USB数据线供电。USB通讯与控制单元实现阻抗测量单元与PC机的通讯。该系统在PC机上通过界面程序控制开关的通断，实现多通道阻抗测量功能，获取植物叶茎多个部位及土壤的阻抗随含水率变化的信息，并在界面上显示植物的缺水状况。该系统可预设时间间隔进行长期监测，使得植物缺水状况的监测更便捷。
其中，所述系统在植物叶茎lll的多个部位及土壤112放置由金属片制成的方形或圆形电极，电极113置于植物体表，无需插入植物体内，在低频下进行非侵入式阻抗测量。 一个通道两端分别连着阻抗测量模块221的VIN 口 223和VOUT 口 224。测量时， 一对或多对电极113用于测量植物体， 一对电极114用于测量土壤，测量引线123、 124为单芯同轴线。
其中，所述系统中阻抗测量单元121的阻抗测量模块221由AD5933芯片及外围电路构成，标定和量程选择模块231为继电器开关，通道选择模块251由多路模拟开关构成。
其中，所述系统中标定和量程选择模块231采用继电器开关，在PC机上通过USB通讯与控制单元211的1/0 口 212控制标定和量程选择模块231的开关控制口 232。进行标定时，标定和量程选择模块231的I/O 口 233将阻抗测量模块221的RFB 口 222和VIN 口 223切换至电流/电压转换电阻组241相应量程的标准电阻上，阻抗测量模块221的VIN 口 223和VOUT 口 224切换至标定电阻组242相应量程的标准电阻上，进行测量并计算得到标定系数，实现标定。随后标定和量程选择模块231的I/O 口 233断开阻抗测量模块221的VIN 口 223和VOUT 口 224与标定电阻组242的连接,系统进入测量状态。
其中，所述系统用多路模拟开关作为通道选择模块，在PC机上通过USB通讯与控制单元211的1/0 口 212控制通道选择模块251的开关控制口 252,通道选择模块251的I/O 口 253控制阻抗测量模块221的VIN 口 223和VOUT口 224切换至相应通道，实现多通道测量。
其中，所述系统USB通讯与控制单元211为EZ-USB-FX2系列芯片，通过USB 2.0协议与PC机141通讯，通过"C协议控制阻抗测量模块22i,通过1/0 口 212控制标定和量程选择模块231及通道选择模块251。
其中，按照权利要求1所述的一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统，其特征在于所述系统PC机141上釆用Visual Basic、 Labview或Visual C++编制的程序界面，下位机USB通讯与控制单元上采用由Keil uVision编制的固件程序，由所述阻抗测量单元121进行多通道阻抗测量，根据阻抗值来监测植物叶茎和土壤的含水情况，并在PC机界面上实时显示植物的缺水状况和浇灌提示，并且可以预设测量时间间隔和总时间长度进行长期监测。其中缺水状况包括大旱，小旱，缺水，小涝，大涝五个等级，浇灌提示包括植物叶茎浇灌建议量和土壤浇灌建议量。
本发明提供的 一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统的优点是
1. 釆用阻抗测量方式，综合反映了植物体在缺水时，生理发生电阻性，电
容性和电感性的变化，含水率的测量范围宽(含水率0到100%);
2. 可实现多通道测量，可以对植物叶茎及土壤多个部位进行同时监测；
3. 电极置于植物体表，无需插入植物体内，在低频下进行非侵入式阻抗测量，避免了对植物的伤害，并且不影响测量精度；
4. 对植物叶茎及土壤分别作相应的浇灌提示，使得浇灌更有效，节约水资
源；
5. 可预设测量时间间隔和总时间长度进行长期监测；
6. USB集供电与通讯于一体，系统体积小，操作简单，便于携带，便于数据后处理。
说明书附图
图l是一种基于多通道、定时、自动阻抗测量的植物缺水监测系统示意图;图2是USB通讯与控制单元与阻抗测量单元工作原理示意图。
具体实施方式
具体实施过程如下
参照附图l、图2，将阻抗测量单元121通过USB通讯与控制单元131的USB转接线连接至PC机141;在PC机VB界面上设定测量频率及测量时间，选择测量通道或者全部通道进行自动切换测量，USB通讯与控制单元131将设定的参数发送至阻抗测量单元121;测量植物体的一对或多对电极113及测量土壤的一对电极114通过测量引线123和124连接到相应测量通道121上，通 道选择模块251自动切换通道，标定和量程选择模块231自动标定和选择合适 量程；阻抗测量单元121测得植物叶茎及土壤各个监测部位的阻抗的幅值和相 角，并经过USB通讯与控制单元131上传至PC机程序界面141进行处理、存 储、显示。如需长期监测，可预设测量时间间隔和总时间长度。
根据预先测得的植物缺水状况与阻抗值、相角值的关系，判断植物的缺水 程度，并实时显示植物所处的缺水状况。将植物叶茎和土壤的含水率与健康状 态下所需含水率比较，分别对植物叶茎和土壤给出浇灌提示。
以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到 的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围 应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的 变化都将包括在权利要求的范围之内。
权利要求
1.本发明涉及一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统，所述系统是由电极、测量引线、阻抗测量单元、USB通讯与控制单元及PC机组成的便携式系统。电极采用金属片，将电极以非侵入方式置于植物叶茎多个部位或插入土壤中，通过单芯同轴测量引线连接至阻抗测量单元。阻抗测量单元包括阻抗测量模块、标定和量程选择模块、通道选择模块，由USB数据线供电。USB通讯与控制单元实现阻抗测量单元与PC机的通讯。该系统在PC机上通过界面程序控制开关的通断，实现多通道阻抗测量功能，获取植物叶茎多个部位及土壤的阻抗随含水率变化的信息，并在界面上显示植物的缺水状况。该系统可预设时间间隔进行长期监测，使得植物缺水状况的监测更便捷。
2. 按照权利要求1所述的一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统， 其特征在于所述系统在植物叶茎111的多个部位及土壤112放置由金属片制成 的方形或圆形电极，电极113置于植物体表，无需插入植物体内，在低频下进 行非侵入式阻抗测量。 一个通道两端分别连着阻抗测量模块221的VIN 口 223 和VOUT 口 224。测量时， 一对或多对电极113用于测量植物体， 一对电极114 用于测量土壤，测量引线123、 124为单芯同轴线。
3. 按照权利要求1所述的一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统， 其特征在于所述系统中阻抗测量单元121的阻抗测量模块221由AD5933芯片 及外围电路构成，标定和量程选择模块231为继电器开关，通道选择模块251 由多路模拟开关构成。
4. 按照权利要求1所述的一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统， 其特征在于所述系统中标定和量程选择模块231釆用继电器开关，在PC机上通过USB通讯与控制单元211的1/0 口 212控制标定和量程选择模块231的开 关控制口 232。进行标定时，标定和量程选择模块231的1/0 口 233将阻抗测 量模块221的RFB 口 222和VIN 口 223切换至电流/电压转换电阻组241相应 量程的标准电阻上，阻抗测量模块221的VIN 口 223和VOUT 口 224切换至 标定电阻组242相应量程的标准电阻上，进行测量并计算得到标定系数，实现 标定。随后标定和量程选择模块231的I/O 口 233断开阻抗测量模块221的 VIN 口 223和VOUT 口 224与标定电阻组242的连接,系统进入测量状态。
5. 按照权利要求l所述的一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统， 其特征在于所述系统用多路模拟开关作为通道选择模块，在PC机上通过USB 通讯与控制单元211的1/0 口 212控制通道选择模块251的开关控制口 252, 通道选择模块251的I/O 口 253控制阻抗测量模块221的VIN 口 223和VOUT 口 224切换至相应通道，实现多通道测量。
6. 按照权利要求1所述的一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统， 其特征在于所述系统USB通讯与控制单元211为EZ-USB-FX2系列芯片，通 过USB 2.0协议与PC机141通讯，通过尸C协议控制阻抗测量模块221,通 过1/0 口 212控制标定和量程选择模块231及通道选择模块251。
7. 按照权利要求1所述的一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统， 其特征在于所述系统pc机141上釆用Visual Basic、 Labview或Visual C+十编 制的程序界面，下位机USB通讯与控制单元上釆用由Keil uVision编制的固件 程序，由所述阻抗测量单元121进行多通道阻抗测量，根据阻抗值来监测植物 叶茎和土壤的含水情况，并在PC机界面上实时显示植物的缺水状况和浇灌提 示，并且可以预设测量时间间隔和总时间长度进行长期监测。其中缺水状况包括大單，小旱，缺水，小涝，大涝五个等级，浇灌提示包括植物叶茎浇灌建议 量和土壤浇灌建议量。
全文摘要
本发明涉及一种基于阻抗测量的多通道植物缺水监测系统，所述系统是由电极、测量引线、阻抗测量单元、USB通讯与控制单元及PC机组成的便携式系统。电极采用金属片，将电极以非侵入方式置于植物叶茎多个部位或插入土壤中，通过单芯同轴测量引线连接至阻抗测量单元。阻抗测量单元包括阻抗测量模块、标定和量程选择模块、通道选择模块，由USB数据线供电。USB通讯与控制单元实现阻抗测量单元与PC机的通讯。该系统在PC机上通过界面程序控制开关的通断，实现多通道阻抗测量功能，获取植物叶茎多个部位及土壤的阻抗随含水率变化的信息，并在界面上显示植物的缺水状况。该系统可预设时间间隔进行长期监测，使得植物缺水状况的监测更便捷。
文档编号G01N27/02GK101666767SQ20091009391
公开日2010年3月10日 申请日期2009年10月10日 优先权日2009年10月10日
发明者徐立军, 章 曹, 陈健军 申请人:北京航空航天大学