专利名称：基于植物器官微尺寸变化检测的智能节水灌溉系统的制作方法 目前的灌溉系统都是以土壤的湿度、环境的温度等参数作为灌溉系统的控制参数，不是直接参数，因此控制精度低，带来的问题是对灌溉水资源造成了很大的浪费。也就是说在土壤一植物一大气连续系统(SPAC)中，以前的工作多是着重于根据土壤水分来制定灌溉制度或建立灌溉系统。尽管按照土壤水分控制灌溉得到较为广泛的应用，但仍然存在很多难以克服的困难，一方面对于不同的地区、植物、土壤类型以及植物正常生长的适宜土壤水分差异较大，应用受到局限。另一方面，水分传感器探头易受到温度、盐分累积等多种因素的干扰，测量精度、响应特性(包括滞后性)和可靠性也较差。事实上，土壤水分仅是SPAC中的一个因素，而植物吸水和失水的过程是植物本身的各个器官和它所在环境相互影响的结果，并受SPAC各环节的综合作用。针对上述问题，提出基于物理方法的非破坏性的植物水分精密检测技术，实现闭环控制灌溉系统，对提高我国水资源的利用效率具有非常重要的意义。具体涉及的内容有植物器官微米级微增量柔性测量传感器的研究；植物水分与其器官几何尺度微增量变化值之间的准确对应关系；传感器网络化与智能控制节水灌溉专家系统。我国已有研究人员在20世纪九十年代初期，就应用LVDT-5型(差动变压器式)位移传感器对玉米、柑桔等进行测量，分别取得了15.6％和21.4％的节水效果。但LVDT是用于机械制造领域工业计量中，测量分辨率和精度可以满足要求，但测量力、体积和抗环境干扰能力等指标，却无法满足对植物测量的实际要求。我国果树林业工作者用外径千分尺测量柑桔尺寸，在生长期当若发现果实尺寸不变化(增加)，就对果树及时灌水。但总体说来这方面我国的研究水平与国外相比有较大差距。最近，以色列希伯莱大学的科学家也在应用微米级叶片厚度传感器对西红柿的灌溉系统方面进行了试验，取得了节水率35％、增产40％的效果，虽然目前还没有达到实用化的程度，但这项研究代表国际研究最新动态。经过分析认为目前能达到这个量级的微位移传感器还存在很多问题，如测量精度与测量范围、测量力、测量环境，以及传感器结构、重量方面都存在矛盾。若能综合运用工业计量测试领域的先进技术，采用优化设计、仿真设计等现代设计方法，研究开发充分考虑植物本身特点，符合植物检测需求的新型传感器，将使上述问题得到合理解决。则这一研究就可以快速推广应用，及早为我国节水灌溉服务。目前，工业计量中的微米级测量已达到相当成熟程度。将这类技术进行整合后移植到生命科学和水利工程的交叉领域中来，并根据功能需求进行开发，具有极好创新性和实用性。
本发明的目的是提供一种基于植物器官微尺寸变化检测的智能节水灌溉系统，通过植物本身器官的微量变化，获得需水信息去控制灌溉系统，则可达到真正节水的目的。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下方案1它由传感器、转换放大电路、单片机测控通讯系统组成；所说的传感器为叶片传感器，其中，叶片传感器包括弹性元件、球形测头、应变片、弹性元件压板、固定测头、斜板、传感器基体；装在传感器基体上面的弹性元件的前端下面装有球形测头，弹性元件的后端上下面上分别装有应变片；装在传感器基体下面的斜板的前端斜面上面，装有能调节水平位置的固定测头，固定测头能与球形测头相接触，弹性元件压板、弹性元件、传感器基体和斜板四者用紧固螺钉固接，两片应变片经过电气接线板与信号电缆相连接，信号电缆中的一根线再与转换放大电路的前端的跟随放大器的同相输入端MVIN端相连。方案2它由传感器、转换放大电路、单片机测控通讯系统组成；所说的传感器为果实传感器，其中，果实传感器包括外壳、定子、游丝、滑动触头、转子、可动测头、固定测头；与外壳内径相配合的定子为环状电阻器；与定子内径接触的带有弹性的两个滑动触头安装在转子的外径上面，可动测头也通过螺钉安装在转子上，可动测头带动转子转动；游丝一端安装在定子上，另一端安装在转子上，固定测头与芯轴配合；滑动触头的差动电压信号线接电缆，信号电缆中的两根线分别与转换放大电路前端的两个跟随放大器的同相输入端相连。本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是(1)由对植物本身的器官叶片和果实微增量测量的传感器检测到植物水分变化信息，在缺水的临界状态实施灌溉，也可以利用植物对水分的需要规律实施灌溉 (2)在我国目前的灌溉管网不变的前提下，由被控对象植物本身构成反馈控制环节，组成闭环控制系统，控制精度高；带来的优点是节水效果好，预期节水率为30％。可带来明显的经济效益和社会效益；(3)可安装在智能温室和现代农业基地等室内外灌溉系统中，适于玉米、小麦、大豆等农作物，杨树等阔叶速生丰产林木种苗以及李桃葡萄等优质水果树苗，以及部分园林花卉草坪植物等。
(4)果实传感器的测头更换后，可实现对茎杆直径的测量。
显然，同土壤水分的变化相比，植物器官如叶、茎、果等的形态或生理变化，则可以更直接、更全面、更快速、更灵敏地反应植物体内的水分的状况。这样，诊断植物水分的测量，可转化为微位移传感器的测量精度和相互对应规律的研究。这样组成的灌溉系统是最优控制系统，可以提高灌溉水的利用效率，即达到节水的目的。


图1是本发明的结构框图；图2是叶片厚度测量传感器结构原理图；图3是果实直径测量传感器结构原理图；图4是转换放大电路图；图5是单片机测控通讯系统电路图。
图2中1弹性元件2球形测头3应变片4紧固螺钉5弹性元件压板6电缆压板7电缆线夹螺钉8固定测头9螺钉10斜板11基体12电气接线板13三芯屏蔽电缆图3中14外壳15四芯屏蔽电缆16定子(电阻环)17滑动触头18游丝(反力弹簧)19转子(活动测头固定盘)20轴承组件21螺钉22芯轴23可动测头24固定测头
如图2所示，它由传感器、转换放大电路、单片机测控通讯系统组成；所说的传感器为叶片传感器，其中，叶片传感器包括弹性元件1、球形测头2、应变片3、弹性元件压板5、固定测头8、斜板10、传感器基体11；装在传感器基体11上面的弹性元件1的前端下面装有球形测头2，弹性元件1的后端上下面上分别装有应变片3；装在传感器基体11下面的斜板10的前端斜面上面，装有能调节水平位置的固定测头8，用螺钉9锁紧，固定测头8能与球形测头2相接触，弹性元件压板5、弹性元件1、传感器基体9和斜板10四者用紧固螺钉4固接，两片应变片3经过电气接线板12与信号电缆13相连接，信号电缆13用电缆压板6压住用电缆线夹螺钉7夹紧，信号电缆13中的一根线再与转换放大电路的前端跟随放大器U1的同相输入端MVIN端相连。
如图3所示，它由传感器、转换放大电路、单片机测控通讯系统组成；所说的传感器为果实传感器，其中，果实传感器包括外壳14、定子16、游丝18、滑动触头17、转子19、可动测头23、固定测头24；与外壳14内径相配合的定子16为环状电阻器；与定子16内径接触的带有弹性的两个滑动触头17安装在转子19的外径上面，可动测头23也通过螺钉安装在转子19上，可动测头23带动转子19转动；游丝18一端安装在定子16上，另一端安装在转子19上，固定测头24与芯轴2配合；滑动触头17的差动电压信号线接电缆15，信号电缆15中的两根线分别与转换放大电路前端的两个跟随放大器U1、U2的同相输入端相连。
视实际情况不同，将一组(数个)如图1、图2和图3所示的传感器装夹于被测植物的有代表性的叶片或果实上，传感器需由辅助支架联结支撑，被测叶片或果实要适当固定使其具有一定的稳定性，以保证测量精度。传感器输出的测量信号传输给安装在测量控制电箱中的转换放大电路，对图2所示的传感器，其输出信号为一个端子，通过3芯电缆中的一根线直接与图3中的MVIN端相连。对图3所示的传感器，其输出信号为二个端子，通过四芯电缆中的两根线与图4中的电压跟随放大器U1、U2的同相输入端相连，但是电阻R1、R2、P1三个元件要去除。U1、U2输出的信号经过差动放大器U3后从MVOUT端输出，该端与图5中的CD4051模拟开关(四选1)的IN端相连，由CD4051模拟开关选择被测通道，经模拟开关后的信号进入14位A/D转换器ICL7135的输入端IN+，A/D转换后的数字量经过锁存器74LS373后，由单片机控制送入存储器2864中，并送液晶中显示当前的测量值，2864中存贮的是4个通道一个月的测量数据，通过控制箱上的功能按键选择显示当前任意一个通道的测量值或2864中存贮的一个月内各个通道的测量值，同时将2864中存贮的数据通过串行口RS232定时传输到主控上位计算机中，每次传输4个通道的测量值。在计算机中对下位机的数据进行统计采样和滤波等处理后，通过折线图与表格的形式显示任一个通道当天的测量值或以前任意一天的测量值。计算机里存储着被测植物的生长曲线，当被测值与生长曲线产生偏差时就发出远程控制指令，由继电器打开灌溉系统的控制阀，对植物进行微喷灌或微滴灌，灌溉时间和频率由主控机控制。从而实现了真正的闭环控制，可最大限度地利用灌溉水。


本发明公开了一种基于植物器官微尺寸变化检测的智能节水灌溉系统。由传感器、转换放大电路、单片机测控通讯系统组成。将传感器装夹于被测植物的有代表性的叶片或果实上，传感器输出的测量信号传输给转换放大电路放大后，经过数模转换后传输给微处理器，再由微处理器定时传输到主控计算机上，主控机根据对测量数据进行处理与分析的结果决定是否开启灌溉系统的电子开关，从而实现了对被灌溉植物的闭环控制。同传统的灌溉方案相比，植物器官如叶、茎、果等的形态或生理变化，可以更直接、更全面、更快速、更灵敏地反应植物体内的水分的状况。控制精度高，节水效果好，预期节水率为30％。可带来明显的经济效益和社会效益。