一种植株茎秆直径无线传感网络监测装置的制作方法

本实用新型涉及设施农业工程领域，具体涉及一种用于作物植株茎秆直径无线传感网络智能监测装置。

背景技术：

我国是一个农业大国，随着我国经济实力的快速发展，我国设施农业的发展规模也在不断扩大，虽然我国设施农业面积居世界首位，但我国设施农业发展模式单一落后，设施农业的科技含量水平不高，不能满足智慧农业，科技农业，精细农业对农业生产的需求。在设施农业作物栽培中，需要对作物植株的生长状况有十分准确地掌握，这样才能更加高效，精确地指导作物的灌溉、施肥、除虫等。传统的农业生产依赖种植者的经验来判断估计作物的长势，得到的信息准确性因人而异，并不准确，这种农业生产方式根本不能满足现代设施农业对农业生产科学性、精确性、智慧性、高效性的要求。而作物植株茎秆直径表征作物生长状况的一个重要指标受到人们的关注。

人们目前对设施农业大棚中植物茎秆直径的检测装置绝大部分采用卡尺型的，或者接触型的位移传感器、计算机视觉识别。前者将茎秆生长变粗缓慢的过程利用位移传感器测出数据，而基于位移传感器测量茎秆直径的装置结构复杂，会对植株生长造成影响，计算机视觉识别成本高，准确性不高。并且以上各种方式得到的直径实时数据信息无法通过无线网络远距离传输，不能实现茎秆生长信息实时地在线监测。

技术实现要素：

基于上述存在的问题，本实用新型提供了一种基于角度传感器的植株茎秆直径测量无线传感网络智能监测装置，将茎秆生长变粗过程中直径变化的过程以角度张开的形式表现，并且可以将采集到的信息通过无线传输网络远程传送。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种植株茎秆直径无线传感网络监测装置，其特征在于：包括吸盘、支撑臂、弹簧圈、以及高精度的角度传感器。

进一步的，所述固定吸盘为一对软胶质的吸盘，吸盘通过一根可以转动的轴固定在支撑臂的顶端，一对吸盘可以在竖直平面上转动90º。

进一步的，支撑臂分为左右两个支撑臂，并设计成弧形以提供更大的测量空间。

进一步的，右支撑臂底端通过开孔与角度传感器螺纹固定轴紧紧拧合在一起固定不动，左支撑臂底端通过开孔与角度传感器旋转测量轴紧紧固定在一起，使得左支撑臂的运动可以带动角度传感器的旋转测量轴一起同步转动。

进一步的，两个支撑臂的侧面设计有半圆柱状突起，用一个弹簧圈套接在左右支撑臂上，弹簧圈外包裹着弹性材料制成的防水软胶薄套，并固定在半圆柱状突起的上方，在弹簧圈为支撑臂提供回弹力的同时可以防止弹簧圈在支撑臂张开的过程中脱落。

进一步的，角度传感器机械行程为0º-360º，并且无停止位。

进一步的，将采集到的角度变化信息对应的ad值，按如下公式进行计算茎秆直径：

y＝0.021x－0.764

其中x值为采集到的角度信息所对应的ad数值，y值为茎秆的直径长度值。

其中0≤x≤4070，直径测量范围为0-15cm，误差为±0.02-0.05cm。

进一步的，植株茎秆直径测量传感器通过导线连接于温室智能监测系统中的采集节点上，通过采集电路采集植株茎秆直径信息，采集节点上的无线数传模块将数据发送至网关，通过4g网络发送至云平台和远程服务器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

该实用新型基于角度传感器对茎秆的直径进行实时的监测，利用该装置的设计结构，将直径的变化量转换成角度的变化量，将测量信息转化为可以采集处理的电压信号，通过数学公式对数据处理换算，得出茎秆直径的数值，该传感器结构简单，质量轻，同时测量精确度很高，将传感器夹到茎秆直径两端，既不易脱落，也不会影响植株生长。

通过植株茎秆直径测量传感器采集到的直径数据信息可以通过采集节点上的lora数传模块将数据传送至网关，经4g网络发送到云平台，最后在远程服务器端显示和存储，实现对茎秆直径生长信息实时地远程在线监测。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图

图2为本实用新型的正面剖面图

图3为本实用新型的俯视剖面图

图4为本实用新型的侧视剖面图

图5为本实用新型的系统结构图

具体实施方式

下面结合附图对该实用新型做进一步的描述。

如图一至四所示的植株茎秆直径测量传感器，包括吸盘（1），支撑臂（2），弹簧圈（4），高精度角度传感器（5）。

一对软胶吸盘（1）固定在待测植株茎秆直径两端，吸盘（1）由软胶制成，可以避免在夹住茎秆时对茎秆造成损坏，吸盘（1）可以更加贴合吸附在植株茎秆表面，一对吸盘（1）分别通过一根轴（11）固定在支撑臂（2）的顶端，吸盘（1）可以绕轴（11）转动，这样可以更加适应植株茎秆在生长变粗过程中可能会发生的位置变化，以提高测量的准确性。

支撑臂（2）分为左右两个，支撑臂的形状设计为弧形，可以提供一个更大的测量空间，不会使得支撑臂与植株茎秆发生接触，从而影响测量的准确性。

右支撑臂（22）底端通过开孔与角度传感器螺纹固定轴（51）紧紧拧合在一起固定不动，左支撑臂（21）底端通过开孔与角度传感器旋转测量轴（52）紧紧固定在一起，使得左支撑臂（21）可以带动角度传感器旋转测量轴（52）一起转动。左右支撑臂（2）以角度传感器螺纹固定轴（51）、角度传感器旋转测量轴（52）为结合点，构成一个可以随角度传感器旋转测量轴（52）旋转而张开的装置。

在左右支撑臂（2）的外侧面设计有半圆柱状突起（3），将一弹簧圈（4）套在一对支撑臂（2）上，弹簧圈（4）外侧包裹一层富有弹性的软胶薄套，既可以促进保持弹簧的回弹力，又可以防止弹簧受潮生锈。将弹簧圈（4）固定在半圆柱状突起（3）上面，这样弹簧圈（4）不会因支撑臂张开一定角度而脱落。弹簧圈为一对支撑臂提供回弹闭合的张力，这样就为吸盘夹在待测植株茎秆直径两侧提供了夹紧力，而且不会夹持太紧，避免影响植株茎秆的正常生长，且不易脱落，更准确地测量数据。

在测量植株茎秆直径时，用手轻拉开一对支撑臂（2），将吸盘（1）夹持在待测植株茎秆直径两侧，随着植株的生长，茎秆会缓慢变粗，在变粗的过程中会慢慢将左支撑臂（21）撑开，此时在撑开的过程中，左支撑臂（21）会带动角度传感器的旋转测量轴（52）缓慢转动，这样就可以将变化的角度信息以电信号的形式传输给节点采集系统的数据采集电路。

数据采集电路采集到的是角度变化信息的ad值，通过测量数据建立数学模型，拟合出角度变化信息ad值与植株茎秆直径值之间的对应转换公式：

y＝0.021x－0.764

其中x值为采集到的角度信息所对应的ad数值，y值为茎秆的直径长度值。

其中0≤x≤4070，直径测量范围为0-15cm，误差为±0.02-0.05cm。

将转换公式编写入节点采集系统的程序中，在微处理器电路的计算下，可以直接得到植株茎秆直径值。通过采集具体数据验证，计算得出的直径误差很小，满足测量要求。

所选角度传感器（5）分辨率为0.088º，精确度也很高，所以植株茎秆直径微弱缓慢的变粗过程所撑开力臂的微小角度的变化，都可以检测的到。

无线网络系统中的采集节点，实现对网关命令的响应以及对植株茎秆直径数据的采集、打包和发送等操作。微处理器选用低功耗、高速率运算、外设丰富的stm32f103rbt6为控制核心，有2个12位16通道的ad，植株茎秆直径测量传感器通过导线（6）接于ad通道的引脚上，微处理器向植株茎秆直径测量传感器供电，并采集传感器数据，通过采集节点上的无线数传模块将数据发送至网关。

无线网络系统中的网关，一方面是网关通过无线网络接收采集节点采集的数据，然后由4g网络透传至云平台，完成采集节点和云平台之间数据的交互；另一方面，网关向采集节点下达命令。网关接收到植株茎秆直径数据，经4g网络透传至云平台，最后在远程服务器端显示和存储。传送到云平台的数据可以在上位机上进行实时监控查看，及时获得植株茎秆直径值的数据，该数据对植株作物的施肥灌溉的控制起到了重要的参考作用。