CN113494936B - 一种地下块茎作物生长监测装置及监测方法 - Google Patents

一种地下块茎作物生长监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地下块茎作物生长监测装置及监测方法，通过中心控制模块对土壤墒情传感器模块、天气信息采集传感器模块、阵列信息及视频获取模块进行地下块茎作物生长信息采集控制，并利用无线网络传输方式将数据上传到可视化显示平台。本发明可以在不破坏土壤及作物生长状态的情况下，实现地下作物生长状态可视化的原位监测，提高地下作物生长监测过程数据采集的实时性和全面性。有效解决了现有地下块茎作物生长监测原位检测困难、数据时效低、以及可视化程度弱的问题。

Description

一种地下块茎作物生长监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及地下作物生长监测领域，具体涉及一种地下块茎作物生长监测装置及监测方法。
背景技术
由于植物本身动态变化特性以及土壤环境的非透明性，地下块茎作物生长监测研究远远滞后于地上研究。在现有的技术条件下，对地下块茎作物如红薯、马铃薯、洋芋、胡萝卜等块茎生长监测方法主要是基于人类视觉经验判断的尺量法、取样方法、化学分析等方法来实现的，或采用专用仪器对其拓扑结构、生长参数等相关数据进行测量。而这些方法需要破坏植物生长的土壤环境，将其从土壤中挖出，取样具有移位和水分逸失等问题，无法实现作物的原位可视化检测，过程费时费力。基于此，有必要发明一种地下块茎作物生长监测装置，以解决现有地下块茎作物生长监测原位检测困难、数据时效低、以及可视化程度弱的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供以下技术方案。
一种地下块茎作物生长监测装置，包括土壤墒情传感器模块、天气信息采集传感器模块、阵列信息及视频获取模块、激励信号产生模块、开关逻辑选通模块、数据采集模块、中心控制模块、数据传输模块、电源供电模块、以及可视化显示平台，所述土壤墒情传感器模块的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接，所述天气信息采集传感器模块的信号输出端与中心控制模块的信号输入端连接，阵列信息及视频获取模块包括底板、底板卡座，所述底板上安装有电极与摄像头，所述底板固定在底板卡座上，所述底板卡座上设有头部尖锐的插棒，所述底板卡座上固定有刻度棒，所述刻度棒上标有刻度，所述摄像头的信号输出端与中心控制模块的信号输入端相连，所述电极既是激励电极又是测量电极，所述电极由耐腐蚀、耐磨损、具有强导电性的复合金属材料制成，所述电极以N×N（N为正整数）的阵列排列方式嵌入在底板上，电极表面与底板表面齐平，摄像头嵌入在底板阵列电极中心位置，摄像头与底板表面间用耐腐蚀、耐磨损、绝缘透明复合材料隔离，所述电极在开关逻辑选通模块输出信号控制下选通连接激励信号产生模块的信号输出端或数据采集模块的信号输入端，所述开关逻辑选通模块包括M(N×N)个两路转换开关（M为底板数量），每个两路转换开关均由中心控制模块控制，且均于中心控制模块连接，中心控制模块通过M(NN)个两路转换开关其中一路对激励信号产生模块进行通断控制，激励信号产生模块与M(NN)个两路转换开关其中一路连接，中心控制模块通过M(NN)个两路转换开关另外一路对数据采集模块进行通断控制，数据采集模块与M(NN)个两路转换开关另外一路连接，所述激励信号产生模块包括D/A转换器、电流电压转换器、以及多级信号放大器，激励信号产生模块的输入信号与D/A转换器的信号输入端连接，D/A转换器的信号输出端与电流电压转换器的输入端连接，电流电压转换器的输出端与多级信号放大器的信号输入端连接，多级信号放大器的信号输出端在开关逻辑选通模块的输出信号控制下与电极连接，所述数据采集模块包括有多级信号放大器、A/D转换器，多级信号放大器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端连接，A/D转换器的信号输出端与中心控制模块的输入端双向连接，所述数据传输模块的信号输入端与中心控制模块的信号传输端连接，数据传输模块的数据输出端与可视化显示平台的信号输入端无线连接，所述中心控制模块的电源输入端与电源供电模块的电源输出端连接；
进一步的，所述有土壤墒情传感器模块设有土壤温湿度传感器、土壤PH传感器、土壤电导率传感器、土壤养分传感器；
进一步的，所述天气信息采集传感器模块安装有空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器；
进一步的，所述底板有两个，所述底板由耐腐蚀、耐磨损绝缘复合材料制成，所述底板卡座由耐腐蚀、耐磨损的复合金属材料制成；
进一步的，所述摄像头为集成化小型摄像头；
进一步的，所述可视化显示平台为计算机；
进一步的，所述中心控制模块采用ARM控制芯片或DSP芯片；
进一步的，所述数据传输模块包括网络化服务器与无线传输模块；
进一步的，所述电源供电模块为生物能电源模块；
一种地下块茎作物生长监测方法，其特征在于，
（1）将带有底板的底板卡座同深度垂直***被测植物地下块茎生长区域的两端；
（2）启动电源供电模块，电源供电开始向中心控制模块供电；
（3）中心控制模块输出控制信号，数据采集模块开始采集土壤墒情数据与天气信息数据，激励信号产生模块将产生激励电信号；
（4）同时，中心控制模块产生对底板上M(NN)个电极连接的开关逻辑选通模块中转换开关的通断控制信号，并按照电极排列依次完成水平方向与垂直方向的数据采集，其过程如下：
①通过中心控制模块对底板上水平方向M(NN)个电极连接的转换开关进行通断控制，使一个底板上的N路转换开关处于接通激励信号产生模块状态，其余M(NN)-N路转换开关均处于接通数据采集模块状态，处于接通激励信号产生模块的电极为当前激励电极，处于接通数据采集模块状态的电极为当前测量电极；
②通过数据采集模块可以采集M(NN)-N个测量结果；
③重复①至②，循环控制转换开关的通断，完成水平方向底板上的MN次数据采集过程，并获得数据采集结果包括MN(M(NN)-N)个测量值。
④重复①至③，获得垂直方向的数据采集结果包括MN(M(NN)-N)个测量值。
（5）将采集的土壤墒情数据、天气信息数据、电极测量数据、以及视频信息依次通过中心控制模块、数据传输模块发送至可视化显示平台；
（6）可视化显示平台对底板水平方向与垂直方向获得的2MN(M(NN)-N)个电极测量结果进行数据处理，利用图像重建方法获得监测区域水平方向与垂直方向的成像结果，再利用轮廓提取法进行修正，实现地下块茎作物生长形状、大小的监测。同时，将采集的土壤墒情数据、天气信息数据、以及摄像头采集的视频图像显示并保存。
本发明优点为：
1.本发明不需破坏植物生长的土壤环境，实现了地下作物块茎生长状况可视化原位监测。
2.本发明包括地上监测与地下监测两个部分。在地下监测部分安装电极与摄像头复合式的可视化测量装置，从水平方向与垂直方向两个维度上对电极进行数据采集，并通过图像重建与轮廓提取法，实现地下块茎作物生长形状、大小的监测。通过摄像头采集地下作物生长视频数据，填补地下作物颜色、根系、土壤颗粒数据，从而有效提高地下作物生长监测的可视化程度。此外，在地下监测部分还安装有土壤墒情传感器模块，通过土壤墒情传感器模块采集影响地下作物生长的土壤环境信息。在地上监测部分，安装天气信息采集传感器模块，能够采集与地下块茎作物生长密切相关的天气环境信息，从而实现作物地下与地上全方面的数据采集，进一步提高了监测过程数据采集的全面性，也为研究环境调控植物生长提供了新的方法。
3.采用生物能电源供电模块向中心控制模块供电，从而实现了绿色节能环保。
4.所采用的装置结构简单，可便携式操作，投入成本较低，对地下作物测量的深度范围可根据生长状态进行调节。
综上所述，本发明解决了现有地下块茎作物生长监测原位检测困难、数据时效低、以及可视化程度弱的问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明底板与底板卡座示意图；
图3为开关逻辑选通示意图；
图4为本发明各模块信息传输示意图。
图中，1.土壤墒情传感器模块，2.天气信息采集传感器模块，3.阵列信息及视频获取模块，301.底板卡座，3011.插棒，3012.刻度棒，302.底板，3021.摄像头，3022.电极，4.数据采集模块,5.开关逻辑选通模块，6.激励信号产生模块，7.中心控制模块，8.电源供电模块，9.数据传输模块，10.可视化显示平台。
具体实施方式
为了能更清楚地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明具体实施方式进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1-4所示，本发明公开了一种地下块茎作物生长监测装置，包括土壤墒情传感器模块1、天气信息采集传感器模块2、阵列信息及视频获取模块3、激励信号产生模块6、开关逻辑选通模块5、数据采集模块4、中心控制模块7、数据传输模块9、电源供电模块8、以及可视化显示平台10，所述土壤墒情传感器模块1的信号输出端与所述数据采集模块4的信号输入端连接，所述天气信息采集传感器模块2的信号输出端与所述中心控制模块7的信号输入端连接，阵列信息及视频获取模块3包括底板302、底板卡座301，所述底板302上安装有电极3022与摄像头3021，所述底板302固定在底板卡座301上，所述底板卡座301上设有头部尖锐的插棒3011，所述底板卡座301上固定有刻度棒3012，所述刻度棒3012上标有刻度，所述摄像头3021的信号输出端与中心控制模块7的信号输入端相连；所述电极3022既是激励电极又是测量电极，所述电极3022由耐腐蚀、耐磨损、具有强导电性的复合金属材料制成，所述电极3022以N×N（N为正整数）的阵列排列方式嵌入在底板302上，电极3022表面与底板302表面齐平，摄像头3021嵌入在底板302阵列电极3022中心位置，摄像头3021与底板301表面间用耐腐蚀、耐磨损、绝缘透明复合材料隔离，所述电极3022在开关逻辑选通模块5输出信号控制下选通连接激励信号产生模块6的信号输出端或与数据采集模块4的信号输入端，所述开关逻辑选通模块5包括M×(N×N)个两路转换开关，每个两路转换开关均由中心控制模块控制，且均与中心控制模块7连接，中心控制模块7通过M(NN)个两路转换开关其中一路对激励信号产生模块6进行通断控制，激励信号产生模块6与M(NN)个两路转换开关其中一路连接，中心控制模块7通过M(NN)个两路转换开关另外一路对数据采集模块4进行通断控制，数据采集模块4与M(NN)个两路转换开关另外一路连接,所述激励信号产生模块6的信号输入端与中心控制模块7的输出端连接，所述激励信号产生模块6包括D/A转换器、电流电压转换器、以及多级信号放大器，激励信号产生模块6的输入信号与D/A转换器的信号输入端连接，D/A转换器的信号输出端与电流电压转换器的输入端连接，电流电压转换器的输出端与多级信号放大器的信号输入端连接，多级信号放大器的信号输出端在开关逻辑选通模块5的输出信号控制下与电极3022连接，所述数据采集模块4包括有多级信号放大器、A/D转换器，多级信号放大器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端连接，A/D转换器的信号输出端与中心控制模块7的输入端双向连接，所述数据传输模块9的信号输入端与中心控制模块7的信号传输端连接，所述数据传输模块9的信号输出端与可视化显示平台10的信号输入端无线连接，所述中心控制模块7的电源输入端与电源供电模块8的电源输出端连接；
优选的，所述有土壤墒情传感器模块1设有土壤温湿度传感器、土壤PH传感器、土壤电导率传感器、土壤养分传感器；
优选的，所述天气信息采集传感器模块2安装有空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器；
优选的，所述底板302有两个，底板302由耐腐蚀、耐磨损绝缘复合材料制成，底板卡座301由耐腐蚀、耐磨损的复合金属材料制成；
优选的，所述摄像头3021为集成化小型摄像头；
优选的，所述可视化显示平台10为计算机；
优选的，所述中心控制模块7采用ARM控制芯片或DSP芯片；
优选的，所述数据传输模块9包括网络化服务器与无线传输模块；
优选的，所述电源供电模块8为生物能电源模块；
一种地下块茎作物生长监测方法，
（1）将带有底板302的底板卡座301同深度垂直***被测植物地下块茎生长区域的两端，可根据底板卡座301上固定的刻度棒3012上的刻度来判断底板302***的深度；
（2）启动电源供电模块8，电源供电开始向中心控制模块7供电；
（3）中心控制模块7输出控制信号，数据采集模块4开始采集土壤墒情数据与天气信息数据，激励信号产生模块6将产生激励电信号；
（4）同时，中心控制模块7产生对底板302上M×(N×N)个电极连接的开关逻辑选通模块5中转换开关的通断控制信号（M为底板数量，N为单排电极数量），并按照电极3022排列依次完成水平方向与垂直方向的数据采集，其过程如下：
①通过中心控制模块7对底板302上水平方向M (N×N)个电极3022连接的转换开关进行通断控制，使其中一个底板302上的N路转换开关处于接通激励信号产生模块6状态，其余M(N×N)-N路转换开关均处于接通数据采集模块4状态，处于接通激励信号产生模块6的电极3022为当前激励电极，处于接通数据采集模块4状态的电极3022为当前测量电极；
②通过数据采集模块4可以采集M(N×N)-N个测量结果；
③重复①至②，循环控制转换开关的通断，完成水平方向两个底板302上的MN次数据采集过程，并获得数据采集结果包括MN×(M (NN)-N)个测量值。
④重复①至③，获得垂直方向的数据采集结果包括M×N(M (N×N)-N)个测量值。
（5）将采集的土壤墒情数据、天气信息数据、电极测量数据、以及视频信息依次通过中心控制模块7、数据传输模块9发送至可视化显示平台10；
（6）可视化显示平台10对底板302水平方向与垂直方向获得的2M×N(M (N×N)-N)个电极测量结果进行数据处理，利用图像重建方法获得监测区域水平方向与垂直方向的成像结果，再利用轮廓提取法进行修正，实现地下块茎作物生长形状、大小的监测。同时，将采集的土壤墒情数据、天气信息数据、以及摄像头采集的视频图像显示并保存
本发明实现了一种地下块茎植物生长原位监测。
以上所述为本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (10)

1.一种地下块茎作物生长监测装置，其特征在于，包括土壤墒情传感器模块、天气信息采集传感器模块、阵列信息及视频获取模块、激励信号产生模块、开关逻辑选通模块、数据采集模块、中心控制模块、数据传输模块、电源供电模块、以及可视化显示平台，所述土壤墒情传感器模块的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接，所述天气信息采集传感器模块的信号输出端与中心控制模块的信号输入端连接，阵列信息及视频获取模块包括底板、底板卡座，所述底板上安装有电极与摄像头，所述底板固定在底板卡座上，所述底板卡座上设有头部尖锐的插棒，所述底板卡座上固定有刻度棒，所述刻度棒上标有刻度，所述摄像头的信号输出端与中心控制模块的信号输入端相连，所述电极既是激励电极又是测量电极，所述电极由耐腐蚀、耐磨损、具有强导电性的复合金属材料制成，所述电极以N×N，N为正整数，的阵列排列方式嵌入在底板上，电极表面与底板表面齐平，摄像头嵌入在底板阵列电极中心位置，摄像头与底板表面间用耐腐蚀、耐磨损、绝缘透明复合材料隔离，所述电极在开关逻辑选通模块输出信号控制下选通连接激励信号产生模块的信号输出端或数据采集模块的信号输入端，所述开关逻辑选通模块包括M(N×N)个两路转换开关，M为底板数量，每个两路转换开关均由中心控制模块控制，且均与中心控制模块连接，中心控制模块通过M(NN)个两路转换开关其中一路对激励信号产生模块进行通断控制，激励信号产生模块与M(NN)个两路转换开关其中一路连接，中心控制模块通过M(NN)个两路转换开关另外一路对数据采集模块进行通断控制，数据采集模块与M(NN)个两路转换开关另外一路连接，所述激励信号产生模块包括D/A转换器、电流电压转换器、以及多级信号放大器，激励信号产生模块的输入信号与D/A转换器的信号输入端连接，D/A转换器的信号输出端与电流电压转换器的输入端连接，电流电压转换器的输出端与多级信号放大器的信号输入端连接，多级信号放大器的信号输出端在开关逻辑选通模块的输出信号控制下与电极连接，所述数据采集模块包括有多级信号放大器、A/D转换器，多级信号放大器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端连接，A/D转换器的信号输出端与中心控制模块的输入端双向连接，所述数据传输模块的信号输入端与中心控制模块的信号传输端连接，数据传输模块的数据输出端与可视化显示平台的信号输入端无线连接，所述中心控制模块的电源输入端与电源供电模块的电源输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种地下块茎作物生长监测装置，其特征在于，所述土壤墒情传感器模块设有土壤温湿度传感器、土壤PH传感器、土壤电导率传感器、土壤养分传感器。
3.根据权利要求1所述的一种地下块茎作物生长监测装置，其特征在于，所述天气信息采集传感器模块安装有空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器。
4.根据权利要求1所述的一种地下块茎作物生长监测装置，其特征在于，所述底板有两个，底板由耐腐蚀、耐磨损绝缘复合材料制成，底板卡座由耐腐蚀、耐磨损的复合金属材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种地下块茎作物生长监测装置，其特征在于，所述摄像头为集成化小型摄像头。
6.根据权利要求1所述的一种地下块茎作物生长监测装置，其特征在于：所述可视化显示平台为计算机。
7.根据权利要求1所述的一种地下块茎作物生长监测装置，其特征在于：所述中心控制模块采用ARM控制芯片或DSP芯片。
8.根据权利要求1所述的一种地下块茎作物生长监测装置，其特征在于：所述数据传输模块包括网络化服务器与无线传输模块。
9.根据权利要求1所述的一种地下块茎作物生长监测装置，其特征在于：所述电源供电模块为生物能电源模块。
10.一种使用权利要求1所述地下块茎作物生长监测装置的地下块茎作物生长监测方法，其特征在于，
（1）将带有底板的底板卡座同深度垂直***被测植物地下块茎生长区域；
（2）启动电源供电模块，电源供电开始向中心控制模块供电；
（3）中心控制模块输出控制信号，数据采集模块开始采集土壤墒情数据与天气信息数据，激励信号产生模块将产生激励电信号；
（4）同时，中心控制模块产生对底板上M(NN)个电极连接的开关逻辑选通模块中转换开关的通断控制信号，并按照电极排列依次完成水平方向与垂直方向的数据采集，其过程如下：
①通过中心控制模块对底板上水平方向M(NN)个电极连接的转换开关进行通断控制，使一个底板上的N路转换开关处于接通激励信号产生模块状态，其余M(NN)-N路转换开关均处于接通数据采集模块状态，处于接通激励信号产生模块的电极为当前激励电极，处于接通数据采集模块状态的电极为当前测量电极；
②通过数据采集模块采集M(NN)-N个测量结果；
③重复①至②，循环控制转换开关的通断，完成水平方向底板上的MN次数据采集过程，并获得数据采集结果包括MN(M(NN)-N)个测量值；
④重复①至③，获得垂直方向的数据采集结果包括MN(M(NN)-N)个测量值；
（5）将采集的土壤墒情数据、天气信息数据、电极测量数据、以及视频信息依次通过中心控制模块、数据传输模块发送至可视化显示平台；
（6）可视化显示平台对底板水平方向与垂直方向获得的2MN(M(NN)-N)个电极测量结果进行数据处理，利用图像重建方法获得监测区域水平方向与垂直方向的成像结果，再利用轮廓提取法进行修正，实现地下块茎作物生长形状、大小的监测，同时，将采集的土壤墒情数据、天气信息数据、以及摄像头采集的视频图像显示并保存。
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