一种植物根系温度监控方法和装置与流程

1.本发明涉及智慧农业技术领域，尤其涉及一种植物根系温度监控方法和装置。


背景技术：

2.根系是植物的重要组成器官，它不仅能够固定植物，还能吸收土壤中的水分、无机盐和矿质离子，良好的植物根系状态是植物健康生长的重要保证，对植物根系生长状态的监测和根温控制极为重要。然而，由于植物根系生长于非透明的土壤之中，并不能直接观察，使得根系的研究困难重重。目前植物根系测量方法有挖掘法、网袋法、土柱法，钉板法、微根管法、根窗法等。传统植物根系测量法对植物根系造成损伤，产生测量误差，影响植物的生长。测根法的方法观测范围有限，无法全面提取根系信息，因此，寻找无损测量植物根系的方法变得极为重要
3.温度对根系生长起到极其重要的作用。冬季根温低，植物根系吸收能力弱，生长缓慢，因此冬季提高作物根温，有利于作物加速成熟，提高产量，抢占早春市场。为解决植物冬季根温过低致使植物生长缓慢甚至冻伤等问题，传统保暖方式是在地表铺设一层地膜，保持土壤温度。但铺设地膜的时机难以把握，如若过早的铺设地膜，反倒会使植物适应浅层地表适宜的温度，枝叶生长，根系却停止向下扎根，难以抵御寒流等天灾。同时，铺设地膜并不能带来外界能量输入，如若天气过于寒冷，铺设地膜将无法起到保暖作用。目前生产实践中已有在土壤中埋入热水管、通过热水给植物根系加热的应用，具体实施方式为：将用天然气加热的水通过埋在植物根系周围的接水管，利用水泵将水输送到另一个集热装置的水箱中，通过热水在接水管中的流动，达到给植物根系加热的目的。该方法促进了植物冬季生长，防止根系冻伤，但热水在流动的过程中热量大量损失，越流越冷，造成不同植物根系所受热量不均，同时燃烧天然气能耗大，提高商业成本，并不能给所有作物普及。
4.专利cn206776274u公开了一种给植物根系加热的技术，具体实施方法为：用集热板收集阳光热量，通过导热管加热水箱中的水，热水通入接水管，对植物根系进行加热。这个装置充分利用了太阳能，降低了能耗，但也受限于能量来源不稳定，在阳光稀薄的冬季或者黑暗的夜间无法提供植物所需热量。基于热水的根温加热系统无法对根温进行精确控制，因为该方法只有加热装置，没有温度监控系统，无法给出反馈，即便配合加入温度传感器，所测也仅是土壤温度，无法直接测得根系温度。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种精准、实时的植物根系温度监控装置；本发明的另一目的是提供一种植物根系温度监控方法。
6.技术方案：本发明的植物根系温度监控方法，包括以下步骤：
7.(1)待监控植物的一侧土壤中插入第一电极，另一侧插入第二电极，所述的待监控植物的根茎上夹接第三电极；
8.(2)阻抗谱测量单元发送一系列频率的正弦波，所述的正弦波经过d/a转换器和压
控电流源转换为激励电流信号，所述的激励电流信号输入到第三电极中，并从第一电极和第二电极中流出响应电压信号；
9.(3)所述的响应电压信号经a/d转换器后输入到fpga处理单元中，fpga处理单元进行阻抗谱计算得到阻抗值，并通过已设定的温度-阻抗曲线得到当前根温，其中，阻抗值计算公式为：
10.zf＝uf/if11.其中，f为步骤(2)中正弦波的频率，if为激励电流，uf为响应电压。
12.进一步地，所述的监控方法包括：(4)数据处理单元判断根温是否达到预定值；否，则通过第一电极和第二电极对根系加温；是，则重复步骤(2)和(3)测量当前根温。
13.进一步地，步骤(2)中，所述的正弦波的频率范围为1hz～1mhz，具体的，阻抗谱测量单元从高频到低频按对数平均间隔取在1hz～1mhz频率范围内取n个频率点，n优选为50-80；在步骤(3)中响应电压信号经转换输入fpga处理单元中，fpga处理单元检查n个频率点是否遍历；是，则进行阻抗值计算，阻抗值为n次阻抗值的平均值；否，则重复步骤(2)，直至n个频率点均遍历。
14.进一步地，步骤(1)～(3)每隔一段时间重复一次，fpga处理单元将每次得到的阻抗值和根温发送至数据处理单元并储存为历史信息。
15.进一步地，所述监控方法包括：(5)温度传感器检测环境温度并将环境温度信息发送至数据处理单元；所述的数据处理单元接收环境温度信息，并储存为历史信息，将阻抗值、根温和环境温度的历史信息输入至神经网络模型中，得到根系生长指数和温度-阻抗修正参数，所述的温度-阻抗修正参数用于修正步骤(3)中的温度-阻抗曲线。
16.进一步地，步骤(4)中将所述的第一电极和第二电极对根系加温的热能量值发送至数据处理单元。基于参数融合的bp神经网络模型，应用数据处理单元接收历史加温的热能量值、阻抗值、根温、环境温度数据，对模型进行修正，得到温度-阻抗曲线的修正参数，还可以得到判断植物状态的根系生长状态指数。
17.一种应用上述植物根系温度监控方法的监控装置，其特征在于，包括电极组，与电极组连接的阻抗谱检测单元，与阻抗谱检测单元连接的数据处理单元；所述的电极组包括第一电极、第二电极和第三电极，所述的第一电极和第二电极并联；所述的阻抗谱检测单元包括fpga处理单元，与fpga处理单元连接的d/a转换器和a/d转换器，与d/a转换器连接的压控电流源。
18.进一步地，所述的监控装置包括切换单元和加热单元，所述的切换单元与电极组、阻抗谱检测单元和加热单元连接；所述的加热单元与数据处理单元连接。
19.进一步地，所述的切换单元包括联动开关和磁控开关。
20.进一步地，所述的数据处理单元连有启动开关、加热开关、温度传感器和显示屏；所述的第一电极和第二电极为柱状电极，所述的第三电极为夹状电极。
21.本发明的植物根系温度监控装置包括根系检测、根系加热和温度检测3个功能模块：根系检测模块通过修正后的阻抗值获得植物根系的生长状态，作为根系环境控制的基础，温度检测模块通过即时的阻抗值获得根系当前温度；根系加热在根系温度的指导下实现对根系环境温度的精确控制。
22.其中，根系检测功能模块实现的原理：植物根系生长状态的变化会导致其固有电
特性发生相应的改变，根据tapani的研究表明，植物不同的生长状态其电学特征有不同的差异，本发明运用了阻抗谱技术对植物根系进行检测；
23.根系加热功能模块实现的原理：利用欧姆加热方式，由于物料本身的阻抗特性产生热量进行加热，相较于传统以温度梯度为动力的物料加热方式，欧姆加热技术具有物料升温快、受热均匀、热能利用率高的特点，和传统加热方式相比，欧姆加热的最大优势是可以实现精细控制；
24.温度检测功能模块实现的原理：根据电化学原理，生物的阻抗值与当前温度密切相关，在本发明中使用即时阻抗谱值来表征根系温度。
25.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)监测结果精准，避免植物根系损伤无需从土中挖出根系便能实现检测，减少样品损伤，且操作简单，成本低廉；
26.(2)实时监测且精细控制，利用阻抗谱技术可以实时监测根系的温度，通过根系温度精确控制加热电流，从而实现对植物根系环境的精细控制；对植物根系进行实时检测，可随时获取植物根系健康状态信息，便于对植物根系受虫蛀、旱涝等异常状态进行及时处理；
27.(3)功能多样化，通过共用电极将根系实时检测与根系加热两种功能集为一体；采用欧姆加热，相较传统加热方式，该方法直接作用于植物根系，而不是通过土壤再向根系传导热量，更加节能；
28.(4)全自动化监测，无需专业的操作人员进行操作，检测结果不依赖于操作者的熟练度。
附图说明
29.图1为本发明装置的结构示意图；
30.图2为本发明控制器控制流程示意图；
31.图3为本发明切换单元内部电路图；
32.图4为本发明植物根系温度监控方法中监测方法的流程图；
33.图5为本发明植物根系温度监控方法中温度控制方法的流程图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
35.本发明的植物根系监控装置包括电极组和与电极组连接的控制器，所述电极组包括两个柱状电极和一个夹状电极，所述控制器包括开关、显示器、温度传感器、数据处理单元、阻抗谱检测单元、加热单元和切换单元，所述数据处理单元用于控制加热单元、阻抗谱检测单元、切换单元，并接收温度传感器、阻抗谱检测单元反馈的数据进行数据处理，所述阻抗谱检测单元包括fpga、d/a转换器、电流/电压放大器、a/d转换器；所述加热单元是指控制器和加热控制电路，用于输出欧姆加热电流；所述切换单元用于将不同电极配置进行选择性的桥接模块。
36.如图1-3所示，本发明的植物根系监控装置包括夹在植物体1根茎上方的第三电极3、插在植物体1两侧土壤2中的第一电极4和第二电极5，其中第三电极3可为夹状电极，第一电极4和第二电极5可为由不锈钢材料制成的柱状电极，第三电极3距离植物体1处土壤2垂直距离1-1.5cm；第一电极4和第二电极5插入深度为10-12cm。
37.第一电极4、第二电极5和第三电极3分别通过导线连接控制器14，在控制器14外表面安装用于启动装置的启动开关10、用于加热植物根系的加热开关11、测量环境温度的温度传感器12、用于显示当前植物根系状态数据与当前根温的液晶显示屏13。
38.控制器14包括启动开关，加热开关，温度传感器，显示屏，数据处理单元，阻抗谱测量单元，加热单元，切换单元。控制器通过切换单元与外部的第三电极3、第一电极4、第二电极5相连，实现对植物根系的检测与加热功能。
39.数据处理单元是控制器的控制中枢，负责处理检测数据，接收开关与传感器输入信号、驱动显示屏工作、与检测、加热单元通讯，发出相应的控制指令。阻抗谱测量单元包括fpga，d/a转换器，压控电流源，a/d转换器。阻抗谱测量单元收到数据处理单元发出的检测指令后，发出特定频率的正弦波，经过d/a转换器、压控电流源输出到切换单元。由切换单元返回的响应信号经过a/d转换器后输入到fpga中，进行阻抗谱计算。
40.切换单元用于帮助装置在检测模式和加热模式间进行切换，通过切换两种运行模式将电极和检测、加热模块进行选择性的连接。切换单元通过第一导线63，第二导线64连接阻抗谱测量单元，通过第三导线67、第四导线68与第一电极4和第二电极5相连，通过第五导线69与第三电极3连接；切换单元通过第六导线65和第七导线66与加热单元相连。通过第八导线69与第三电极3相连。
41.第一导线63分别有两个端子
①②
，当装置处于检测模式时，联动开关61处于端子
①②
处，由阻抗测量单元引入的第一导线63通过第三导线67、第四导线68分别与第一电极4、第二电极5相连；开关62闭合，由阻抗谱测量单元引入的第二导线64通过第八导线69与夹状电极相连。
42.导线6.5有端子
③
，导线6.6有端子
④
，当装置处于加热模式时，联动开关6.1处于端子
③④
处，由加热单元引入的导线6.5,6.6分别通过导线6.7,6.8与柱状电极4,5连接，与此同时，开关6.2断开连接，第三电极3与控制器14脱离。
43.当联动开关61接端子
①②
且开关62闭合时，装置处于检测模式；当联动开关61接端子
③④
且开关62断开时，装置处于加热模式。
44.数据处理单元输出端依次连接fpga、d/a转换器，压控电流源、切换单元，在切换单元的作用下，当装置处于检测模式时，此时第一电极4、第二电极5视为同一电极，电流从第一电极4、第二电极5输出，经过植物根系周遭微环境，由夹状电极流入，经由a/d转换器模数转换后输入到数据处理单元进行数据处理。
45.当处于加热模式时，数据处理单元输出端连接加热单元，在切换单元的作用下，第三电极3断开连接，电流从第一电极4流出，由第二电极5流入，经由加热单元，将输出功率等相关数据送入数据处理单元进行数据处理。
46.如图4所示，检测模式机器运行步骤如下：按下启动开关后，在切换单元的作用下，夹状电极作为一极接入阻抗检测单元，此时两个柱状电极作为另一极接入阻抗检测单元，装置进入检测模式。fpga分别发出从高频到低频、在1hz到1mhz的频率范围内按对数平均间隔取60个频率点，发出正弦波，经d/a转换器数模转换、由压控电流源转化为电流激励信号输入到夹状电极中，电流经由根系旁土壤微环境，再从柱状电极流入，模数转换后输入到数据处理单元中，若全频谱扫描尚未完成，则变换正弦波频率，再次测量；若已完成全频谱扫描，数据处理单元根据所得数据，通过响应电压/激励电流将阻抗谱值计算出来，具体公式
如下：
47.zf＝uf/if48.其中，f为检测频率，范围：在1hz到1mhz的频率范围内按对数平均间隔取60个频率点，if为激励电流，uf为响应电压，zf为根据激励电流if和响应电压uf的关系计算出频率f下的阻抗值
49.随后对照温度-阻抗曲线获得即时温度，将当前根温在显示屏上显示，每隔300秒检测模式循环运行一次。
50.表征根系生长状态的电特征信息主要受到历史加热数据、历史阻抗谱值、历史根温和气温的综合影响。将阻抗信息写入数据库中，以10天为一个测量周期，利用近十天的输入热量(包括位于空气中的温度传感器和本系统加热装置的输出功率监控)和近十天的根温数据对10天内检测到到阻抗谱数据进行修正，构架基于参数融合的bp神经网络模型，该神经网络模型由前期实验数据训练完成，最终得到可判断植物状态的根系生长状态指数(rgsi)。同时得到温度曲线修正参数，对温度-阻抗曲线进行修正。屏幕显示生长状态指数，相关状态同样每隔300秒更新一次。
51.如图5所示，加热模式机器运行步骤如下：当所测植物根温高于设定温度时，切换单元切换到检测模式，启动检测循环；当所测植物根温低于设定温度或按下手动加热开关时，首先检查运行模式，若所处模式为检测模式，则切换单元将设备工作模式切换为加热模式。将夹状电极与控制器断开连接，同时两个柱状电极间断开连接，电流由柱状电极4流出，经过根系旁土壤微环境，由柱状电极5流入，电流经过根系旁的电解质，产生欧姆加热效应。通过对电流、电压和脉冲宽度进行积分，算出脉冲波输出的能量，将加热能量的焦耳值写入加热数据库中，休眠300秒，重复该加热流程，直至加热到设定温度，装置切换回检测单元。