植物监测装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种植物监测装置，用以解决现有技术中缺乏通过监测植物体内电信号的变化来监测空气污染的装置的问题。该植物监测装置包括：第一电极、第二电极和检测单元，其中，所述第一电极的一端位于植物茎干的内部，另一端与所述检测单元的第一输入端相连；所述第二电极的一端位于植物根部土壤的内部，另一端与所述检测单元的第二输入端相连；所述检测单元用于检测所述第一输入端和第二输入端之间的生物电信号的强度。通过该植物监测装置可以实现环境监测的目的。
【专利说明】植物监测装置【技术领域】
[0001]本发明涉及环境监测领域，特别涉及一种植物监测装置。
【背景技术】
[0002]如今社会环境污染严重，尤其空气污染严重。工业文明和城市发展，在为人类创造巨大财富的同时，也把数十亿吨计的废气和废物排入空气之中。而空气污染直接危害生物的生存和发育，损害人类的健康。因此，环境污染与保护已经成为当今社会的重大问题。如何检测空气污染程度以警示并提醒人们加强环境保护意识，已成为迫在眉睫的事情。
[0003]植物作为空气污染的受害者之一，其在受到空气污染时会产生一系列的反应，例如,植物体内钾、钠离子浓度将发生变化,进而使得植物体内部的生物电信号发生变化。因此，通过监测植物体内的生物电信号可以推算空气污染的严重程度。但是，目前还没有通过监测植物体内电信号的变化来监测空气污染的装置。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种植物监测装置，用以解决现有技术中缺乏通过监测植物体内电信号的变化来监测空气污染的装置的问题。
[0005]一种植物监测装置，包括:第一电极、第二电极和检测单元，其中，所述第一电极的一端位于植物茎干的内部，另一端与所述检测单元的第一输入端相连；所述第二电极的一端位于植物根部土壤的内部，另一端与所述检测单元的第二输入端相连；所述检测单元用于检测所述第一输入端和第二输入端之间的生物电信号的强度。
[0006]本发明实施例中，通过`两个分别设置在植物体茎部和土壤内的电极来监测植物体内的生物电信号，由于生物电信号与环境污染之间存在着确定的关系，一般来说生物电信号强度越高，空气质量越好，生物电信号强度越低，空气质量越差，因此通过该植物监测装置可以实现环境监测的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本发明提供的植物监测装置的结构图；
[0008]图2为本发明实施例一提供的植物监测装置的结构图；
[0009]图3为本发明实施例一中生长有纳米氧化锌的第一碳纤维的剖视图；
[0010]图4为本发明实施例一中的IXD显示单元显示空气污染程度的示意图；
[0011]图5为本发明实施例二提供的植物监测装置的结构图。
【具体实施方式】
[0012]为充分了解本发明的目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
[0013]本发明提供了一种植物监测装置，可以解决现有技术中缺乏通过监测植物体内电信号的变化来监测空气污染的装置的问题。
[0014]本发明提供的一种植物监测装置，如图1所示，包括:第一电极11、第二电极12和检测单元14，其中，所述第一电极11的一端位于植物茎干的内部，另一端与所述检测单元14的第一输入端相连；所述第二电极12的一端位于植物根部土壤的内部,另一端与所述检测单元14的第二输入端相连；所述检测单元14用于检测所述第一输入端和第二输入端之间的生物电信号的强度。
[0015]其中，所述生物电信号可以为电流信号、电压信号或电导率信号。
[0016]优选地，上述检测单元的输出端还可以连接一个IXD显示单元，用于显示检测单元检测到的生物电信号的强度。
[0017]本发明实施例中，通过两个分别设置在植物体茎部和土壤内的电极来监测植物体内的生物电信号，由于生物电信号与环境污染之间存在着一定的关系，一般来说生物电信号强度越高，空气质量越好，生物电信号强度越低，空气质量越差，因此通过该植物监测装置可以实现环境监测的目的。
[0018]另外，还可以在第一电极的外表面生长压电材料层，从而使监测到的生物电信号中进一步包含压电材料层所产生的压电信号，从而监测出植物体的振动信息，这样可以推测出风力的大小。另外，也可以不在第一电极的外表面生长压电材料层，而在植物茎干的内部额外设置一个外表面生长有压电材料层的第三电极，从而可以单独监测第三电极和第一电极之间的压电信号。关于这一点，将在下面通过两个优选实施例详细介绍。
[0019]实施例一、
[0020]图2示出了本发明实施例一提供的植物监测装置的示意图。如图2所示，本实施例中的植物监测装置包括:作为第一电极的第一碳纤维U、作为第二电极的第二碳纤维12、检测单元14和IXD显示单元15。
[0021]其中，第一碳纤维11的一端位于植物茎干的内部，另一端通过导线与检测单元14的第一输入端相连，具体实现时，可以将第一碳纤维11植入或嫁接到植物茎干。另外，在第一碳纤维11的外表面上还生长有纳米氧化锌10，如图3所示。优选地，该纳米氧化锌10可以是纳米氧化锌阵列。具体生长时，在第一碳纤维11上，通过射频溅射的方法镀纳米氧化锌种子层，在纳米氧化锌种子层上，采用湿化学法生长纳米氧化锌阵列，完成该纳米氧化锌阵列的生长后，对其进行加热退火即可。其中，纳米氧化锌10可以生长在第一碳纤维11的整个外表面上，或者只将第一碳纤维11表面生长有纳米氧化锌10的部分植入植物茎干内部，使得第一碳纤维11与植物茎干之间通过纳米氧化锌10隔离，从而避免第一碳纤维11与植物茎干的直接接触。生长有纳米氧化锌10的第一碳纤维11的剖视图如图3所示，从图3中可以看出，本实施例中的纳米氧化锌10环绕第一碳纤维11在其径向上360度生长在其外表面上，以提高压电效应，然而在实际情况中，也可以只在第一碳纤维11的一侧生长纳米氧化锌10。另外，为了增强压电效应，防止电子在内部中和，还可以在纳米氧化锌10的顶部涂覆一层绝缘材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、PVP(Polyvinylpyrrolidone,聚乙烯卩比咯烧酮)或 PVA(polyvinyl alcohol,聚乙烯醇)等。也就是说，纳米氧化锌10的底部生长在第一碳纤维11的外表面上，纳米氧化锌10的顶部涂覆有绝缘材料。
[0022]第二碳纤维12的一端插入植物根毛区所在土壤的内部，另一端通过导线与检测单元14的第二输入端相连。
[0023]检测单元14对植物位于第一输入端和第二输入端之间部分的电信号进行处理。由于植物体内部具有体液、细胞等生物导体，因此，在第一碳纤维11所在的植物茎干与第二碳纤维12所在的植物土壤之间存在着生物电信号，该生物电信号在有生命的植物体内部是一直存在的，可以近似看作直流信号。另外，由于第一碳纤维11的外表面生长有纳米氧化锌10，纳米氧化锌10在受力发生形变时会产生压电效应，从而在第一碳纤维11和第二碳纤维12之间产生电势差，由此产生压电信号，该压电信号只有在植物体受到风力影响或外力作用而发生摆动时才会产生。该压电信号为交流信号，例如，为脉冲信号。由此可见，检测单兀14的第一输入端和第二输入端之间的电信号在任何时刻都一定包含植物体内部的生物电信号，而当植物体发生摆动时，还会进一步包含压电信号。也就是说，当植物体静止时，第一输入端和第二输入端之间的电信号是直流的生物电信号；当植物体摆动时，第一输入端和第二输入端之间的电信号是直流的生物电信号以及交流的压电信号的叠加，由于直流的生物电信号以及交流的压电信号很容易区分开，所以很容易将二者分离开。
[0024]因此，为了实现检测单元14对第一输入端和第二输入端之间的电信号的处理，检测单元14内部设置有处理子单元、判断子单元和分离子单元，首先，由处理子单元对第一输入端和第二输入端之间的电信号进行放大、滤波等。然后，由判断子单元通过检测放大滤波后的电信号的相位和振幅等信息来判断该电信号中是否包含压电信号，如果不包含压电信号，则直接确定该电信号为植物体的生物电信号，这时由判断子单元进一步检测生物电信号的强度；如果包含压电信号，则可以确定该电信号为直流的生物电信号和交流的压电信号的叠加，这时由分离子单元对该叠加的电信号中的直流信号和交流信号进行分离，从而分离出两路电信号，一路为直流的生物电信号，另一路为交流的压电信号，这时由分离子单元分别检测生物电信号的强度和压电信号的强度。处理子单元、判断子单元和分离子单元既可以通过硬件电路的形式实现，也可以通过软件编程的方式实现。为了实现对处理子单元、判断子单元和分离子单元的供电，在检测单元14的内部还包含电源子单元，用于通过外接电源供电。
[0025]为了直观地显示检测到的电信号的强度信息，本实施例中的检测单元14的输出端连接到IXD显示单元15，以便将检测到的生物电信号和/或压电信号的强度信息传送给IXD显示单元15，由IXD显示单元15将生物电信号和/或压电信号的强度信息直观地显示出来。在具体显示时，可以在LCD显示单元15上设置两排LCD阵列:一排LCD阵列用于显示生物电信号的强度，该排LCD阵列中点亮的LCD灯的数目越多，说明生物电信号的强度越大；一排LCD阵列用于显示压电信号的强度，该排LCD阵列中点亮的LCD灯的数目越多，说明压电信号的强度越大。具体实现时，每排LCD阵列中的每个LCD灯是并联的，由LCD显示单元根据生物电信号或压电信号的强度来控制每排LCD阵列中并联的LCD灯点亮的数目。或者，也可以根据需要仅在LCD显示单元15上显示生物电信号的强度信息，或仅在LCD显示单元15上显示压电信号的强度信息。
[0026]本实施例中提到的电信号的类型可以是电压信号、电流信号或电导率信号，根据所应用的植物种类的不同来选择相应的电信号。例如，有些植物在受到污染时电流信号的变化明显，对于这样的植物最好监测电流信号；而有些植物在受到污染时电压信号的变化明显，对于这样的植物则最好监测电压信号。在本实施例中，可以在检测单元14的外部设置切换开关，例如按键，以切换到不同的内部电路或程序，来控制检测到的电信号的类型。
[0027]另外，由于植物的生物电信号与空气污染程度之间存在着确定的关系，因此，对于特定的植物来说，根据其电信号的范围可以粗略推算出该植物体内的能够反映空气污染程度的离子(例如钾离子、钠离子等)的离子浓度，进而推算出当前空气污染的程度。其中，电信号的范围与植物体内的离子浓度以及空气污染之间的关联，可以事先通过实验的方式得至IJ，并将实验数据整理为一张对照表，在该对照表中包含各种植物品种的电信号(即生物电信号)与植物体的离子浓度以及空气污染之间的对应关系。因此，在本实施例中，还可以根据事先确定的对照表，由检测单元14将检测到的电信号强度信息转换为植物体内的离子浓度信息，或空气污染信息，从而直接在LCD显示单元15的显示面板上显示这些信息。图4示出了在IXD显示单元15的显示面板上直接显示空气污染程度的示意图。
[0028]另外，在本实施例中，检测单元14还可以进一步用于在检测到的生物电信号强度大于用户预先设置的最高阈值，或低于用户预先设置的最低阈值时报警，例如，通过闪烁灯或鸣笛等方式报警，通过这样的方式，可以在空气污染非常严重时产生报警信息。而且，该检测单元14还可以用于在检测到的压电信号强度大于用户预先设置的最高阈值时报警，例如，通过闪烁灯或鸣笛等方式报警，通过这样的方式，可以在出现飓风或地震等突发情况时产生报警信息。
[0029]本实施例中的第一电极和第二电极均采用碳纤维制作，由于碳纤维无毒、具有生物相容性，且本身柔韧性好，便于植物嫁接后的组织愈伤，因此可长期附着在植物体茎部，进行连续地监测。当然，本实施例中的第一电极和第二电极也可以采用其他的材料制作，并不限于碳纤维这一种材料。另外，本实施例中的压电材料为纳米氧化锌，在实际情况中，也可根据需要选择其他的压电材料实现本发明。而且，本实施例中的LCD显示单元15是独立于检测单元14的，在实际情况中，还可以将IXD显示单元15集成在检测单元14内部。
[0030]通过本实施例中的植物监测装置，既可以监测到植物体内的生物电信号，从而反映出空气污染的情况，也可以监测到植物体内由于纳米氧化锌而产生的压电信号，从而反映出植物受到的外力情况。另外，由于植物体的生物电信号还可以反映出植物的受害情况，例如，受到的工业污染、酸雨、害虫等影响，因此，本实施例中的植物监测装置也可以监测植物的受害情况。
[0031]实施例二、
[0032]图5示出了本发明实施例二提供的植物监测装置的示意图。如图5所示，本实施例中的植物监测装置包括:作为第一电极的第一碳纤维11、作为第二电极的第二碳纤维12、作为第三电极的第三碳纤维13、检测单元14和IXD显示单元15。
[0033]其中，第一碳纤维11的一端位于植物茎干的内部，另一端通过导线与检测单元14的第一输入端相连，具体实现时，可以将第一碳纤维11植入或嫁接到植物茎干。
[0034]第三碳纤维13的一端也位于植物茎干的内部，另一端通过导线与检测单元14的第三输入端相连，具体实现时，也可以将第三碳纤维13植入或嫁接到植物茎干。第三碳纤维13的外表面上还生长有纳米氧化锌。优选地，该纳米氧化锌可以是纳米氧化锌阵列。具体生长时，在第三碳纤维13上，通过射频溅射的方法镀纳米氧化锌种子层，在纳米氧化锌种子层上，采用湿化学法生长纳米氧化锌阵列，完成该纳米氧化锌阵列的生长后，对其进行加热退火即可。其中，纳米氧化锌可以生长在第三碳纤维13的整个外表面上，或者只将第三碳纤维13表面生长有纳米氧化锌的部分植入植物茎干内部，使得第三碳纤维13与植物茎干之间通过纳米氧化锌隔离，从而避免第三碳纤维13与植物茎干的直接接触。本实施例中的纳米氧化锌也环绕第三碳纤维13在其径向上360度生长在其外表面上，以提高压电效应，然而在实际情况中，也可以只在第三碳纤维13的一侧生长纳米氧化锌。另外，为了增强压电效应，防止电子在内部中和，还可以在纳米氧化锌的顶部涂覆一层绝缘材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、PVP或PVA等。也就是说，纳米氧化锌的底部生长在第三碳纤维13的外表面上，纳米氧化锌的顶部涂覆有绝缘材料。
[0035]通过第三碳纤维13和第一碳纤维11检测植物体受到的压电信号。为了尽量避免植物体内的生物电的影响，可以将第一碳纤维11和第三碳纤维13植入植物茎干的相同高度处(或近似相同高度处)。由于第三碳纤维13的外表面生长有纳米氧化锌，纳米氧化锌在受力发生形变时会产生压电效应，从而在第三碳纤维13和第一碳纤维11之间产生电势差，由此产生压电信号，该压电信号只有在植物体受到风力影响或外力作用而发生摆动时才会产生。该压电信号为交流信号，例如，为脉冲信号。由此可见，检测单元14的第一输入端和第三输入端之间的电信号为压电信号，只有在植物体发生摆动时，该压电信号才会产生，当植物体静止时，该压电信号近乎为零。
[0036]第二碳纤维12的一端插入植物根毛区所在土壤的内部，另一端通过导线与检测单元14的第二输入端相连。通过第一碳纤维11和第二碳纤维12检测植物体的生物电信号。由于植物体内部具有体液、细胞等生物导体，因此，在第一碳纤维11所在的植物茎干与第二碳纤维12所在的植物土壤之间存在着生物电信号，该生物电信号在有生命的植物体内部是一直存在的，可以近似看作直流信号。由此可见，检测单元14的第一输入端和第二输入端之间的电信号为生物电信号，该生物电信号是一直存在的。
[0037]由此可见，在本实施例中，生物电信号和压电信号并不是叠加在一起的，而是分别进行检测的。这样，检测单元14内部便不再需要设置判断子单元和分离子单元。检测单元14内部设置有第一处理子单元和第二处理子单元，分别对第一输入端和第三输入端之间的压电信号以及第一输入端和第二输入端之间的生物电信号进行处理。具体的处理过程可以包括放大、滤波、检测信号强度等。第一处理子单元和第二处理子单元既可以通过硬件电路的形式实现，也可以通过软件编程的方式实现。为了实现对第一处理子单元和第二处理子单元的供电，在检测单元14的内部还设置有电源子单元，用于通过外接电源供电。
[0038]为了直观地显示检测到的电信号的强度信息，本实施例中的检测单元14的输出端连接到IXD显示单元15，以便将检测到的生物电信号和/或压电信号的强度信息传送给IXD显示单元15，由IXD显示单元15将生物电信号和/或压电信号的强度信息直观地显示出来。在具体显示时，可以在LCD显示单元15上设置两排LCD阵列:一排LCD阵列用于显示生物电信号的强度，该排LCD阵列中点亮的LCD灯的数目越多，说明生物电信号的强度越大；一排LCD阵列用于显示压电信号的强度，该排LCD阵列中点亮的LCD灯的数目越多，说明压电信号的强度越大。具体实现时，每排LCD阵列中的每个LCD灯是并联的，由LCD显示单元根据生物电信号或压电信号的强度来控制每排LCD阵列中并联的LCD灯点亮的数目。或者，也可以根据需要仅在LCD显示单元15上显示生物电信号的强度信息，或仅在LCD显示单元15上显示压电信号的强度信息。
[0039]本实施例中提到的电信号的类型可以是电压信号、电流信号或电导率信号，根据所应用的植物种类的不同来选择相应的电信号。例如，有些植物在受到污染时电流信号的变化明显，对于这样的植物最好监测电流信号；而有些植物在受到污染时电压信号的变化明显，对于这样的植物则最好监测电压信号。在本实施例中，可以在检测单元14的外部设置切换开关，例如按键，以切换到不同的内部电路或程序，来控制检测到的电信号的类型。
[0040]另外，由于植物的生物电信号与空气污染程度之间存在着确定的关系，因此，对于特定的植物来说，根据其电信号的范围可以粗略推算出该植物体内的能够反映空气污染程度的离子(例如钾离子、钠离子等)的离子浓度，进而推算出当前空气污染的程度。其中，电信号的范围与植物体内的离子浓度以及空气污染之间的关联，可以事先通过实验的方式得至IJ，并将实验数据整理为一张对照表，在该对照表中包含各种植物品种的电信号(即生物电信号)与植物体的离子浓度以及空气污染之间的对应关系。因此，在本实施例中，还可以根据事先确定的对照表，由检测单元14将检测到的电信号强度信息转换为植物体内的离子浓度信息，或空气污染信息，从而直接在LCD显示单元15的显示面板上显示这些信息。
[0041]另外，在本实施例中，检测单元14还可以进一步用于在检测到的生物电信号强度大于用户预先设置的最高阈值，或低于用户预先设置的最低阈值时报警，例如，通过闪烁灯或鸣笛等方式报警，通过这样的方式，可以在空气污染非常严重时产生报警信息。而且，该检测单元14还可以用于在检测到的压电信号强度大于用户预先设置的最高阈值时报警，例如，通过闪烁灯或鸣笛等方式报警，通过这样的方式，可以在出现飓风或地震等突发情况时产生报警信息。
[0042]本实施例中的第一电极、第二电极和第三电极均采用碳纤维制作，由于碳纤维无毒、具有生物相容性，且本身柔韧性好，便于植物嫁接后的组织愈伤，因此可长期附着在植物体茎部，进行连续地监测。当然，本实施例中的第一电极、第二电极和第三电极也可以采用其他的材料制作，并不限于碳纤维这一种材料。另外，本实施例中的压电材料为纳米氧化锌，在实际情况中，也可根据需要选择其他的压电材料实现本发明。而且，本实施例中的LCD显示单元15是独立于检测单元14的，在实际情况中，还可以将IXD显示单元15集成在检测单元14内部。
[0043]通过本实施例中的植物监测装置，既可以监测到植物体内的生物电信号，从而反映出空气污染的情况，也可以监测到植物体内由于纳米氧化锌而产生的压电信号，从而反映出植物受到的外力情况。另外，由于植物体的生物电信号还可以反映出植物的受害情况，例如，受到的工业污染、酸雨、害虫等影响，因此，本实施例中的植物监测装置也可以监测植物的受害情况。。
[0044]本领域技术人员可以理解，虽然上述说明中，为便于理解，对方法的步骤采用了顺序性描述，但是应当指出，对于上述步骤的顺序并不作严格限制。
[0045]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如:R0M/RAM、磁碟、光盘等。
[0046]还可以理解的是，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。
[0047]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种植物监测装置，其特征在于，包括:第一电极、第二电极和检测单元，其中， 所述第一电极的一端位于植物茎干的内部，另一端与所述检测单元的第一输入端相连； 所述第二电极的一端位于植物根部土壤的内部，另一端与所述检测单元的第二输入端相连； 所述检测单元用于检测所述第一输入端和第二输入端之间的生物电信号的强度。
2.如权利要求1所述的植物监测装置，其特征在于，所述生物电信号为电流信号、电压信号或电导率信号。
3.如权利要求1所述的植物监测装置，其特征在于，所述第一电极的外表面设置有压电材料层。
4.如权利要求3所述的植物监测装置，其特征在于，还包括:覆盖所述压电材料层的绝缘材料层。
5.如权利要求3或4所述的植物监测装置，其特征在于，所述检测单元包括: 处理子单元，用于对所述第一输入端和第二输入端之间的生物电信号进行放大； 判断子单元，用于判断放大后的生物电信号中是否包含压电信号； 分离子单元，用于在所述判断子单元判断出放大后的生物电信号中包含压电信号时，从所述生物电信号中分离出压电信号，并确定所述压电信号的强度。
6.如权利要求5所述的植物监测装置，其特征在于， 所述植物监测装置进一步包括:与所述检测单元的输出端相连的LCD显示单元，用于显示所述检测单元检测到的生物电信号的强度和/或压电信号的强度。
7.如权利要求1所述的植物监测装置，其特征在于，所述植物监测装置还包括: 第三电极，所述第三电极的外表面设置有压电材料层，且所述第三电极的一端位于植物茎干的内部，另一端与所述检测单元的第三输入端相连； 所述检测单元还用于检测所述第一输入端和第三输入端之间的压电信号的强度。
8.如权利要求7所述的植物监测装置，其特征在于，还包括:覆盖所述压电材料层的绝缘材料层。
9.如权利要求7或8所述的植物监测装置，其特征在于， 所述植物监测装置进一步包括:与所述检测单元的输出端相连的LCD显示单元，用于显示所述检测单元检测到的生物电信号的强度和/或压电信号的强度。
10.如权利要求1所述的植物监测装置，其特征在于，所述第一电极和/或第二电极为碳纤维。
11.如权利要求1所述的植物监测装置，其特征在于，所述检测单元进一步用于当检测到的生物电信号的强度高于预设的最高阈值或低于预设的最低阈值时报警。
12.如权利要求1所述的植物监测装置，其特征在于， 所述植物监测装置进一步包括:与所述检测单元的输出端相连的LCD显示单元，用于显示所述检测单元检测到的生物电信号的强度。
【文档编号】G01N27/26GK103575772SQ201210275519
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月2日 优先权日:2012年8月2日
【发明者】李泽堂, 刘天龙, 王珊 申请人:纳米新能源（唐山）有限责任公司