專利名稱：基于作物聲發(fā)射技術(shù)的作物病害視情防治灌溉裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于作物聲發(fā)射技術(shù)的作物病害 視情防治灌溉裝置。
背景技術(shù)：
在自然界條件下，由于不同的地理位置和氣候條件以及人類活動(dòng)等多方面原因， 造成了對(duì)植物的種種不良環(huán)境，以至超出了植物正常生長、發(fā)育所能忍受的范圍，致使植物 受到傷害甚至死亡，這些對(duì)植物產(chǎn)生傷害的環(huán)境稱為逆境(stress)或脅迫。植物在生長過 程中常遭受多種環(huán)境脅迫，包括異常的溫度、缺少水分、不利的土壤化學(xué)和物理?xiàng)l件等。但 由于病害脅迫所引起的植物生長和作物產(chǎn)量的減少日趨嚴(yán)重，從而引起國內(nèi)外學(xué)者的普遍 關(guān)注。水與一切生命活動(dòng)緊密相關(guān)，植物的生命活動(dòng)只有在一定的細(xì)胞水分無病害狀態(tài) 下才能進(jìn)行。由病害脅迫和水分虧缺造成的作物產(chǎn)量的減少超過了所有其它脅迫的總和， 水資源狀況和作物病害防治水平已成為評(píng)價(jià)一個(gè)國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)發(fā)展的重要指 標(biāo)。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成為我國種植業(yè)的一大支柱產(chǎn)業(yè)。但由于精準(zhǔn) 農(nóng)業(yè)作物的病害脅迫逐年加重，常使投入產(chǎn)出不成比例，經(jīng)濟(jì)效益降低，已成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)持 續(xù)發(fā)展的一大障礙。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，我國每年發(fā)生的病蟲草害面積達(dá)2. 36億hm2次，每年因 此而損失糧食15%左右，棉花20% -25%，果品蔬菜25%以上。每年用于病蟲草害防治的 農(nóng)藥量約23萬噸，占世界總量的1/10。我國目前農(nóng)藥的年生產(chǎn)和進(jìn)口量已超過100萬噸， 盲目大量濫施農(nóng)藥，造成污染農(nóng)產(chǎn)品、污染土壤、污染水體的事情普遍存在；并且土壤中農(nóng) 藥殘留量驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前受農(nóng)藥污染的耕地面積已超過1300-1600萬hm2。所以， 發(fā)展視情精準(zhǔn)病害防治尤為重要。對(duì)作物水分狀況和病害狀況進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、可靠的評(píng)價(jià)是有效進(jìn)行視情精準(zhǔn)灌 溉和病害防治的理論基礎(chǔ)，作物吸水和散失水分的過程是作物本身不同的器官和它所在環(huán) 境的相互作用、反饋影響的結(jié)果，是受到土壤-植物-大氣連續(xù)體(簡稱SPAC)各個(gè)環(huán)節(jié)的 綜合作用的結(jié)果。因此，判斷作物是否缺水和受病害的侵襲應(yīng)從氣候、作物、土壤三方面入 手。以往的水分或病害脅迫評(píng)價(jià)指標(biāo)大體可分為三種類型，一類是以土壤為對(duì)象，這 是傳統(tǒng)上常采用的，屬于間接指標(biāo)；第二類以環(huán)境為對(duì)象，通過環(huán)境條件的變化估計(jì)作物的 病害程度、需水量，也屬間接指標(biāo)；第三類直接以作物為對(duì)象，這類指標(biāo)受到越來越多的關(guān) 注，只有它們才能把控制作物水分平衡的土壤因子和大氣因子整合起來。因此以作物本身 為對(duì)象的水分虧缺和病害判斷越來越受到眾多學(xué)者的推崇。近幾年植物水分生理研究的最新進(jìn)展讓我們開始從一個(gè)前所未有的視點(diǎn)重新審 視植物本身，我們忽然發(fā)現(xiàn)，植物其實(shí)一直以自己的“語言”在時(shí)刻向我們傳達(dá)著缺水和病 害脅迫的信號(hào)，即所謂的“會(huì)說話的植物(The speaking plant) ”，只是這種聲音以前被我們忽略了。植物的“語言”是指發(fā)生在植物水流通路上由于缺水而造成水流斷裂或病害侵 襲時(shí)發(fā)出的爆裂聲，即植物的“聲發(fā)射”現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)尤其是生物技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)了作物在遭受病害脅迫 時(shí)會(huì)發(fā)出悲鳴，而利用聲發(fā)射技術(shù)(Acoustic Emission簡稱AE)可以檢測(cè)得到作物的受病 害脅迫程度；換句話說，就是當(dāng)作物受到病害脅迫時(shí)，這種悲鳴的程度即作物受病害脅迫的 程度可通過聲發(fā)射傳感器檢測(cè)得到。因此，利用聲發(fā)射技術(shù)、研究基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器系 統(tǒng)對(duì)作物的病害脅迫及其視情自動(dòng)防治灌溉系統(tǒng)成為可能。為了尋求敏感的植物需水和病害脅迫信息，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。 人們從不同方面入手，尋找評(píng)價(jià)植物是否缺水和出現(xiàn)病害的指標(biāo)，從而對(duì)植物水分和病害 脅迫進(jìn)行檢測(cè)。例如，從葉面蒸騰減少來判斷植株缺水程度(作物水分虧缺指數(shù)CWSI = 1-T/TP)；通過測(cè)莖液流速來計(jì)算蒸騰量從而反映植物的水分狀況；又如，干旱造成的植株 體液濃度變化可導(dǎo)致植物體的導(dǎo)電率及其電阻變化，通過測(cè)量植株生理電阻的變化研討了 植株的虧水程度，但是采用這種方法需將電阻傳感插針刺入植株莖桿，這樣多少會(huì)對(duì)植物 體造成傷害并影響測(cè)試精度。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于作物聲發(fā)射機(jī)理的智 能化的作物病害視情防治灌溉裝置。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于作物聲發(fā)射技術(shù)的作物病害視情防治灌溉裝置，包括聲發(fā)射傳感器、電 子天平、計(jì)算機(jī)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、繼電器、電磁閥及采集傳感器構(gòu)成，其特征在于(1)作物植株置于電子天平上，電子天平通過RS-232接口連接計(jì)算機(jī)；(2)在作物植株主徑上安裝聲發(fā)射傳感器，該聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射采集卡將 采集的數(shù)據(jù)經(jīng)PCI接口輸入計(jì)算機(jī)；(3)采集傳感器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接計(jì)算機(jī)，并通過控制貯水器的繼電器及電 磁閥通過管路灌溉作物植株。而且，所述的聲發(fā)射傳感器與作物植株主徑之間置有利于聲發(fā)射信號(hào)傳導(dǎo)、提高 傳感器的靈敏度及檢測(cè)精度的硅膠。而且，所述的聲發(fā)射傳感器為R15型聲發(fā)射傳感器，選取兩路聲發(fā)射傳感器可以 對(duì)病害脅迫聲源進(jìn)行初步定位；所述的計(jì)算機(jī)為基于labWindows/CVT的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，電磁 閥采用JD11SA-6型，繼電器選用小型中間繼電器JRX-13F型。而且，所述采集傳感器包括溫度、濕度、光照和C02濃度傳感器。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是1、本裝置通過聲發(fā)射傳感器檢測(cè)作物受病害脅迫發(fā)出的超聲信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成微弱 的電信號(hào)，然后通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾噪和放大，輸入給聲發(fā)射采集板，經(jīng)PCI輸入計(jì)算 機(jī)進(jìn)行分析處理，結(jié)合其他檢測(cè)參數(shù)，做出病害防治控制策略；最后，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 行藥物灌溉等處理。這種方式不會(huì)對(duì)植株造成傷害，測(cè)試精度較高。2、本裝置利用了電子天平來檢測(cè)植株葉面蒸騰而產(chǎn)生的缺水程度，通過測(cè)莖液流 速來計(jì)算蒸騰量從而反映植物的水分狀況及病害情況，與聲發(fā)射傳感器共同保證植株病害脅迫的檢測(cè)精度。3、本實(shí)用新型依據(jù)作物受病害脅迫發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)和蒸騰變化信號(hào)、溫濕度信 號(hào)等實(shí)施智能的視情防治精確噴灌和滴灌，并根據(jù)作物不同生長時(shí)期所需土壤水分的不 同、病害程度不同，通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定和適當(dāng)調(diào)整作物的供藥水效率和供藥水時(shí)間，實(shí)現(xiàn) 作物的蒸騰量和對(duì)作物的噴藥量或滴灌量的平衡，在保證作物生長的土壤水分適當(dāng)?shù)耐瑫r(shí) 又實(shí)現(xiàn)了節(jié)水防治病害的目的。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)主視圖；圖2為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例做進(jìn)一步詳述，但不限于本實(shí)施例所敘述的 具體結(jié)構(gòu)。一種基于作物聲發(fā)射技術(shù)的作物病害視情防治灌溉裝置，作物植株2通過盆架3 置于電子天平4上，該電子天平為具有數(shù)字量輸出的電子天平，可檢測(cè)作物的蒸騰及其蒸 騰速率T (Transpiration)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過RS-232總線與計(jì)算機(jī)相連。在作物植株主徑上安 裝兩路聲發(fā)射傳感器1，該聲發(fā)射傳感器為PAC公司生產(chǎn)的R15型聲發(fā)射傳感器，可測(cè)量作 物受病害脅迫發(fā)出的超聲信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，然后通過信號(hào)放大器放 大、輸入給聲發(fā)射采集板，并通過計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行處理。溫度、濕度、光照和C02濃度等 參數(shù)通過不同的采集傳感器采集后，送入微控制器，處理后經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中 心，在上位機(jī)進(jìn)行分析處理，并制定出病害防治最優(yōu)控制策略，由控制器發(fā)出施藥和灌溉信 號(hào)，采用繼電器控制貯水器連接作物植株管路上的電磁閥，該電磁閥通過接收繼電器的信 號(hào)實(shí)施作物植株的滴灌、噴灌等動(dòng)作。為了提高傳感器的靈敏度及檢測(cè)的精度，在聲發(fā)射傳感器與作物植株之間置有硅 膠(沒有標(biāo)號(hào))。本實(shí)施例中采用的計(jì)算機(jī)為基于labWindows/CVT的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，電磁閥采用 JD11SA-6型，線圈交流電壓為220V，動(dòng)作電流為1. 5A，驅(qū)動(dòng)電路中繼電器選用小型中間繼 電器JRX-13F型。本實(shí)用新型的工作原理為聲發(fā)射傳感器采用R15型聲發(fā)射傳感器，溫度、濕度、光照和C02濃度等信息通過 相應(yīng)的采集傳感器采集，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心；葉面蒸騰量的 測(cè)量采用稱重法，應(yīng)用帶接口的數(shù)字電子天平通過RS-232串口將蒸騰信息傳送給計(jì)算機(jī)， 計(jì)算機(jī)對(duì)各信息進(jìn)行分析處理，所產(chǎn)生的病害防治控制信號(hào)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制繼電 器，繼電器控制電磁閥對(duì)進(jìn)水和進(jìn)藥管路進(jìn)行滴罐或噴灌作業(yè)。
權(quán)利要求一種基于作物聲發(fā)射技術(shù)的作物病害視情防治灌溉裝置，包括聲發(fā)射傳感器、電子天平、計(jì)算機(jī)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、繼電器、電磁閥及采集傳感器構(gòu)成，其特征在于(1)作物植株置于電子天平上，電子天平通過RS 232接口連接計(jì)算機(jī)；(2)在作物植株主徑上安裝聲發(fā)射傳感器，該聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射采集卡將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)PCI接口輸入計(jì)算機(jī)；(3)采集傳感器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接計(jì)算機(jī)，并通過控制貯水器的繼電器及電磁閥通過管路灌溉作物植株。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于作物聲發(fā)射技術(shù)的作物病害視情防治灌溉裝置，其特征 在于所述的聲發(fā)射傳感器與作物植株主徑之間置有利于聲發(fā)射信號(hào)傳導(dǎo)、提高傳感器的 靈敏度及檢測(cè)精度的硅膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于作物聲發(fā)射技術(shù)的作物病害視情防治灌溉裝置，其特 征在于所述的聲發(fā)射傳感器為R15型聲發(fā)射傳感器，選取兩路聲發(fā)射傳感器可以對(duì)病害 脅迫聲源進(jìn)行初步定位；所述的計(jì)算機(jī)為基于labWindows/CVT的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，電磁閥采用 JD11SA-6型，繼電器選用小型中間繼電器JRX-13F型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于作物聲發(fā)射技術(shù)的作物病害視情防治灌溉裝置，其特征 在于所述采集傳感器包括溫度、濕度、光照和C02濃度傳感器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于作物聲發(fā)射技術(shù)的作物病害視情防治灌溉裝置，作物植株置于電子天平上，電子天平通過RS-232接口連接計(jì)算機(jī)；在作物植株主徑上安裝聲發(fā)射傳感器，該聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射采集卡將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)PCI接口輸入計(jì)算機(jī)；溫濕度、光照等傳感器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接計(jì)算機(jī)，并通過控制貯水器的繼電器及電磁閥通過管路灌溉作物植株。本實(shí)用新型依據(jù)作物受病害脅迫發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)和蒸騰變化信號(hào)實(shí)施智能的視情精確噴灌，通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定和適當(dāng)調(diào)整作物的供藥效率和供藥水時(shí)間，既達(dá)到了作物生長病害防治的目的，又有效保障作物能夠在最佳的土壤水分條件下生長。
文檔編號(hào)A01G25/16GK201674850SQ20102014648
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者何靜, 張春霞, 李金山, 楊世鳳, 王秀清, 趙繼民 申請(qǐng)人:天津科技大學(xué)