一种集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置及方法与流程

[0001]
本发明属于农业栽培信息检测技术领域，具体涉及一种集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置及方法。


背景技术：

[0002]
基质栽培是设施园艺生产的主要方式之一，为了适应农业数字化、网络化、智能化的发展方向，设施园艺对栽培土壤基质养分信息的实时采集和管理提出了要求，以便按植物生长所需，精准调控土壤基质肥力，实现农业生产提质增效，同时减低污染、实现节能减排。
[0003]
栽培用土壤基质是由多种矿物质、有机无机物颗粒，一定量水分和空气混合而成的一种非均相体系。目前在线测定非均相体系内某种离子的浓度困难较大，这是因为目前的离子浓度传感器主要基于的离子选择性电极是针对溶液环境开发的，其敏感层与溶液充分接触后可进行快速、准确的测量。而传感器浸入非均相体系后，其敏感层与非均相体系内的固体、液体、气体都有接触，接触形式和检测环境极为复杂，因此相对误差较大，准确性和适应性较差。已有的研究指出，在容积含水量80％的基质样本中在线测定的ph值的相对误差已达15％，随着含水量减少，误差进一步增大；而常见栽培基质的容积含水量在20％-40％，因此目前还没有针对栽培基质离子浓度的有效的在线检测手段。
[0004]
针对这种现状，张西良、徐坤等人于2016年提出构建超亲水ph传感器，进行栽培基质的ph值实时检测。如在中国专利zl201610301183.x和pct专利us16078038中，利用飞秒激光对工作电极和参比电极表面进行微织构化，实现了表面的超亲水性，水滴能够迅速铺展在电极表面，改善电极检测环境；但其仅对传感器电极部分进行了微织构加工，因此仅有电极具有超亲水性能，只能对电极接触到的溶液及氢离子进行吸附检测，吸水及检测适应能力有限。此外，对于一部分适合干燥环境生长的植物的栽培基质的容积含水量会低至10％，传感器超亲水表面无法从这样的栽培基质中获得足够的水分铺展在电极表面，限制了其的进一步应用。
[0005]
在目前的农业生产中，收集和储存环境水分并加以利用、从而实现水资源高效利用的技术非常多：如中国专利cn201610991915.2公开的一种仿生树木蒸腾作用的室温调节系统，通过屋顶的多孔材料吸收环境水分，再通过树状导管收集到指定容器；再如中国专利cn201620193339.2也公开了一种仿生式空气取水灌溉装置。这些技术能够有效收集空气中的水分，并在需要的时候补充到土壤环境中，但都忽略了地表水的收集利用，并存在水分调控不够准确的问题。这是因为在栽培基质离子浓度检测过程中，补充过量水分到传感器电极附近，虽有利于形成离子溶液环境，但会稀释此区域的离子浓度，造成检测结果失真；而补充水分不足则会导致电极表面无法形成溶液环境，造成检测结果误差较大。
[0006]
2017年徐坤在《基于修饰膜的全固态ph传感器及应用研究》，2018年耿妙妙在《平板式全固态ph传感器及其响应特性研究》通过温湿度双补偿法对多种混合基质的ph测定值进行修正。
[0007]
综上所述，现有的离子浓度传感器和农作物水分收集利用装置并不能完全满足栽培基质的离子浓度在线检测的要求，主要存在两方面的问题：第一，现有电极表面吸水能力有限，导致电极水分不足、离子溶液形成不充分的问题；第二，水分无法适量、精确地补充到电极区域，导致栽培基质离子浓度检测误差较大的问题。


技术实现要素：

[0008]
针对上述技术问题，本发明提出一种集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置及方法，通过仿生结构收集环境中的水分、精确控制水分迁移，让处于非均相体系内的传感器电极表面形成足够量的离子微溶液，满足离子浓度检测条件，从而实现栽培基质离子浓度在线检测，为精准、智能农业提供实时可靠的栽培生产过程环境信息，促进设施农业栽培的数字化、智能化，解决了栽培基质等非均相体系中的离子浓度在线检测难题，尤其是传感器电极表面吸水能力弱，以及无法适量、精确地向传感器电极补水的问题。
[0009]
本发明的技术方案如下：一种集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置，包括仿生叶、仿生茎、主干、仿生根、电极单元、储水排水单元和控制单元；
[0010]
所述仿生叶底部设有连通孔，仿生茎为中空管道结构，所述主干内设有储水排水单元，所述仿生茎的一端与连通孔连通，另一端通过主干与储水排水单元连通，所述仿生根设置在主干的下部、且与储水排水单元连通；所述储水排水单元底部设有电极单元；
[0011]
所述储水排水单元包括水箱、密封腔和微水泵；所述水箱的上表面与仿生茎和仿生根连通，水箱下表面设有出水口，出水口与密封腔连通；所述微水泵包括泵膜、磁性金属片、电磁铁和弹簧，所述泵膜安装在密封腔内、且正对出水口，泵膜的下方安装磁性金属片，所述磁性金属片的下方设有电磁铁，所述电磁铁安装在连接于密封腔下方的屏蔽壳内；所述弹簧套在电磁铁上、弹簧的上端与磁性金属片连接，推动泵膜抵住出水口；所述密封腔下表面、于屏蔽壳侧方设有排水口；
[0012]
所述电极单元包括基底和微水道，所述基底侧面安装温湿度传感器，基底的底面是中心呈超亲水性、外围呈疏水性的自输运表面；所述微水道贯通基底上下表面，并与储水排水单元底部的排水口连通；所述自输运表面中心区域设有离子浓度敏感电极，所述离子浓度敏感电极表面呈超亲水性；
[0013]
所述控制单元分别与电磁铁、离子浓度敏感电极和温湿度传感器连接，温湿度传感器用于检测栽培基质中的含水量和温度并传送到控制单元，控制单元根据含水量控制储水排水单元是否进行补水，所述离子浓度敏感电极用于采集栽培基质中离子浓度，并传送至控制单元，控制单元根据温湿度传感器测得的实时含水量和补充的水量对测量结果进行修正。
[0014]
上述方案中，所述仿生根包括内表面具有水分定向输运功能的半圆形的自输运导水槽；所述自输运导水槽上连接有半圆形的支架，支架外围覆盖单向吸水层；其中自输运导水槽与单向吸水层外表面合成为圆柱形。
[0015]
进一步的，所述自输运导水槽内壁布满微坑，定义自输运导水槽微坑直径为d
43
，自输运导水槽微坑间距为h
43
，自输运导水槽偏移率
[0016]
同时自输运导水槽的δ
43
按如下公式分布：
[0017][0018]
其中，h
43
为自输运导水槽的长度，s
43
是微坑距离自输运导水槽末端的垂直距离，通过以下公式计算出距离自输运导水槽末端垂直距离s
43
处的相邻微坑的间距h
43
：
[0019][0020]
上述方案中，所述离子浓度敏感电极包括工作电极和参比电极：
[0021]
所述工作电极包括涂覆于基底表面的第一铜箔，第一石墨烯基涂覆于第一铜箔上表面；离子敏感层覆盖在第一石墨烯基及周围基底的上方；离子敏感层的上表面还涂覆有第一修饰膜；
[0022]
所述参比电极包括涂覆于基底表面的第二铜箔，第二石墨烯基涂覆于第二铜箔上表面；银层覆盖在第二石墨烯基及周围基底的上方；银层上方覆盖氯化银层，第二修饰膜覆盖氯化银层上表面。
[0023]
上述方案中，所述自输运表面布满微坑，定义自输运表面微坑直径为d
56
，定义自输运表面微坑间距为h
56
，自输运表面偏移率
[0024]
同时自输运表面的δ
56
按如下公式分布：
[0025][0026]
其中，h
56
为自输运表面最长对角线的长度，s
56
是微坑距离自输运表面中心点的直线距离；通过以下公式计算出距离自输运表面中心点直线距离s
56
处的相邻微坑的间距h
56
：
[0027][0028]
上述方案中，还包括太阳能电池板；所述太阳能电池板与控制单元连接。
[0029]
一种根据所述集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0030]
所述仿生叶收集水分，经仿生茎输送至储水水箱储存；所述仿生根收集地表水，并输送至储水箱储存；
[0031]
检测离子浓度时，先由温湿度传感器检测栽培基质中的含水量和温度并将结果发送给控制单元，控制单元根据栽培基质的实时含水量判断是否需要补水以及补水量；所述离子浓度敏感电极用于采集栽培基质中离子浓度，并传送至控制单元，控制单元根据温湿度传感器测得的实时含水量和补充的水量以及温度对测量结果进行温湿度双补偿修正。
[0032]
上述方案中，所述控制单元根据栽培基质的实时含水量判断是否需要补水以及补水量具体为：
[0033]
所述离子浓度敏感电极表面积m，所述温湿度传感器测得其附近的土壤温度t、含水量为ω，若ω≥预设值，则直接进行离子浓度测定，实际含水量ω
′
即为测得的含水量；若ω<预设值，控制单元控制电磁铁启动，拉动泵膜脱离出水口，水流入密封腔，经排水口渗入位于基底底面的自输运表面，通过控制泵膜开合时间，按2m(1-ω)的容积进行补水，水分在自输运表面微织构作用下定向迁移至离子浓度敏感电极表面。
[0034]
上述方案中，所述温湿度双补偿修正具体为：
[0035]
所述温湿度双补偿修正公式为：e＝e
′
+δe
1
+δe
2
，
[0036]
其中，e
′
是离子浓度敏感电极直接测得的离子浓度数值，δe
1
是经过温度补偿的误差项，写作参数k
1
、k
2
、k
3
与基质的种类有关，δe
2
是含水量补偿中的误差项，写作δe
2
＝c
1
ω+c
2
，c
1
、c
2
也与基质的种类有关；
[0037]
因此，经温湿度双补偿修正后的离子浓度值为：
[0038][0039]
其中，k＝k
3
+c
2
，为一般常数项。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过集成仿生手段从环境空气和栽培基质中收集并储存水分，在需要时可定量排出至自输运表面，并定向精确聚集到传感器离子浓度敏感电极表面，在电极上形成离子浓度检测所需要的微溶液环境，从而彻底解决了现有离子浓度传感器在栽培基质中因为电极周围水分不足、电极吸水性不足等问题，也解决了现有水分收集利用装置无法适量、准确补充检测所需水分，导致的检测误差大的问题，同时通过温湿度传感器据栽培基质中的实时含水量对测量结果进行修正，实现了栽培基质离子浓度快速、准确在线检测，对检测环境适应能力好。另外本发明在仿生根、电极单元等部分采用自输运技术，不需要能耗，同时结构简单紧凑，节能环保。
附图说明
[0041]
图1是本发明的一种集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置立体剖视图。
[0042]
图2是本发明的主干内储水排水单元的立体剖视图。
[0043]
图3是本发明的主干内储水排水单元与其他部件组合的剖视图。
[0044]
图4是本发明的仿生根主要部件的立体剖视图。
[0045]
图5是图3中a-a方向视图。
[0046]
图6是本发明的工作电极的结构剖视图。
[0047]
图7是本发明的参比电极的结构剖视图。
[0048]
图8是本发明的一种集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置的立体外形图。
[0049]
其中，1、仿生叶；11、连通孔；2、仿生茎；3、主干；31、上连通器；32、导流通道；33、支撑板；34、下连通器；4、仿生根；41、吸水层；42、支架；43、自输运导水槽；5、电极单元；51、离子浓度敏感电极；52、基底；53、微水道；54、工作电极；541、第一修饰膜；542、离子浓度敏感层；543、第一石墨烯基；544、第一铜箔；55、参比电极；551、第二修饰膜；552、氯化银层；553、银层；554、第二石墨烯基；555、第二铜箔；56、自输运表面；6、储水排水单元；61、水箱；611、出水口；62、密封腔；63、微水泵；631、电磁铁；632、弹簧；633、泵膜；634、磁性金属片；64、屏蔽壳；65、排水口；7、太阳能电池板；8、控制单元；81显示屏，82是控制按钮，83是保护盖。
具体实施方式
[0050]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0051]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0052]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0053]
实施例1
[0054]
如图1所示为本发明所述集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置的一种较佳实施方式，所述集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置包括仿生叶1、仿生茎2、主干3、仿生根4、电极单元5、储水排水单元6和控制单元8。
[0055]
所述仿生叶1底部设有连通孔11，仿生茎2为中空管道结构，所述主干3内设有储水排水单元6；所述仿生茎2与通过主干3与储水排水单元6连通，所述仿生根4与储水排水单元6连通；所述储水排水单元6底部设有电极单元5。
[0056]
所述主干3内还设有上连通器31、导流通道32和下连通器34；所述导流通道32的一端与上连通器31连接，另一端与下连通器34连接；所述仿生茎2的一端与连通孔11连通，所述仿生茎2的另一端穿过主干3的侧壁、与上连通器31连通；所述储水排水单元6的上端与下连通器34连通；所述仿生根4穿过主干3的侧壁与下连通器34连通。为增加主干机械强度，主干3内部还设有支撑板33，主干3上方安装有控制单元8。
[0057]
如图2和3所示，所述储水排水单元6包括水箱61、密封腔62和微水泵63；所述水箱61的上表面与仿生茎2和仿生根4连通，储水箱61的上表面与下连通器34贯通，水箱61下表面设有出水口611，出水口611与密封腔62连通；所述微水泵63包括泵膜633、磁性金属片634、电磁铁631和弹簧632，所述泵膜633安装在密封腔62内、且正对出水口611，泵膜633的下方安装磁性金属片634，所述磁性金属片634的下方设有电磁铁631，所述电磁铁631安装在连接于密封腔62下方的屏蔽壳64内；所述弹簧632套在电磁铁631上、弹簧632的上端与磁性金属片634连接，推动泵膜633抵住出水口611；所述密封腔62下表面、于屏蔽壳64侧方设有排水口65。本发明通过集成仿生叶1、仿生根4主动收集周围空气和栽培基质环境中水分，并储存在水箱61中，在需要时通过微水泵63控制排水到电极单元5，从而适应在不同含水量栽培基质下对离子浓度在线检测要求，环境适应能力好。
[0058]
如图3所示，所述电极单元5包括基底52和微水道53，所述基底52侧面安装温湿度传感器57，基底52的底面是中心呈超亲水性、外围呈疏水性的自输运表面56；所述微水道53贯通基底52上下表面，并与储水排水单元6底部的排水口65连通；所述自输运表面56中心区
域设有离子浓度敏感电极51，所述离子浓度敏感电极51表面呈超亲水性。本发明在离子浓度敏感电极51围的基底52上通过制备自输运表面56，使得处于自输运表面56上的液滴都会自发向处于中心处的离子浓度敏感电极51移动，扩大了电极吸水范围，提升了吸水能力，即使不进行补水也具有比现有传感器电极更好的环境适应能力。
[0059]
所述控制单元8分别与电磁铁631、离子浓度敏感电极51和温湿度传感器57连接，温湿度传感器57用于检测栽培基质中的含水量和温度并传送到控制单元8，控制单元8根据含水量控制储水排水单元6是否进行补水，所述离子浓度敏感电极51用于采集栽培基质中离子浓度，并传送至控制单元8，控制单元8根据温湿度传感器57测得的实时含水量和补充的水量以及温度对测量结果进行温湿度双补偿修正。当含水量小于预设值时，控制单元8控制电磁铁631与磁性金属片634的结合，使得推动泵膜633脱离出水口611，水流入密封腔62，经排水口65渗入位于基底52底面的自输运表面56，在自输运表面56的微织构作用下定向迁移至离子浓度敏感电极51表面；所述离子浓度敏感电极51用于采集栽培基质中离子浓度，并传送至控制单元8，控制单元8根据温湿度传感器57测得的实时含水量和补充的水量以及温度对测量结果进行修正，最终以数字化形式输出至显示屏81。
[0060]
如图4所示，所述仿生根4包括内表面具有水分定向输运功能的半圆形的自输运导水槽43；所述自输运导水槽43上连接有半圆形的支架42，支架42外围覆盖单向吸水层41；其中自输运导水槽43与单向吸水层41外表面合成为圆柱形。
[0061]
如图5-7所示，所述离子浓度敏感电极51包括工作电极54和参比电极55：所述工作电极54包括涂覆于基底52表面的第一铜箔544，第一石墨烯基543涂覆于第一铜箔544上表面；离子敏感层542覆盖在第一石墨烯基543及周围基底52的上方；离子敏感层542的上表面还涂覆有第一修饰膜541；所述参比电极55包括涂覆于基底52表面的第二铜箔555，第二石墨烯基554涂覆于第二铜箔555上表面；银层553覆盖在第二石墨烯基554及周围基底52的上方；银层553上方覆盖有反应生成的氯化银层552，第二修饰膜551覆盖氯化银层552上表面。
[0062]
所述离子浓度敏感层542是对溶液中某种离子有特殊响应的物质层，可以是单一金属氧化物层，如氧化铱、氧化钌、二氧化钛、五氧化二钽、氧化锡等，也可以是金属及其氧化物层，如锑/氧化锑层、锌/氧化锌层，也可以是不同价态金属氧化物层，如三氧化二锑/五氧化二锑、氧化铱/二氧化铱。
[0063]
所述自输运表面56布满微坑，定义自输运表面微坑直径为d
56
，定义自输运表面微坑间距为h
56
，自输运表面偏移率
[0064]
同时自输运表面56的δ
56
按如下公式分布：
[0065][0066]
其中，h
56
为自输运表面56最长对角线的长度，s
56
是微坑距离自输运表面56中心点的直线距离；通过以下公式计算出距离自输运表面56中心点直线距离s
56
处的相邻微坑的间距h
56
：
[0067][0068]
下面对δ
56
分布公式作出以下说明：
[0069]
由可知，自输运表面中心区域偏移率为0.2，最外围区域偏移率为2，其他区域的偏移率由处于该点的微坑距离中心的长度决定。
[0070]
这是因为偏移率越低，相邻凹坑的间距越小，比表面积增大，对于氧化铝陶瓷而言这会增强其亲水性，因此中心区域会呈现超亲水性。如果偏移率进一步减小至负值，说明相邻凹坑出现了重合，在偏移率大于-40％时，偏移率不会对亲水性有显著影响，但偏移率进一步减小、重合度增大，凹坑逐渐变为凹槽，会导致亲水性降低、表面粗糙度增大，因此综合加工效率和亲水性的影响，将中心区域偏移率设定为0.2。而偏移率大于2后，微织构对表面浸润性几乎不再有影响，因此将最外围的偏移率设为2。
[0071]
相应地，所述自输运导水槽43内壁布满微坑，定义自输运导水槽微坑直径为d
43
，自输运导水槽微坑间距为h
43
，自输运导水槽偏移率
[0072]
同时自输运导水槽43的δ
43
按如下公式分布：
[0073][0074]
其中，h
43
为自输运导水槽43的长度，s
43
是微坑距离自输运导水槽43末端的垂直距离，通过以下公式计算出距离自输运导水槽43末端垂直距离s
43
处的相邻微坑的间距h
43
：
[0075][0076]
如图8所示，所述主干3上方安装有控制单元8，控制单元8的侧壁设有保护盖83，其内部安装有显示屏81和控制按钮82；控制单元8的顶部还设有太阳能电池板7，所述太阳能电池板7与控制单元8连接。
[0077]
在较佳的实施例中，仿生叶1、仿生茎2、导流通道32、储水箱61和密封腔62均由疏水材料制得，使得水滴能够在这些部件的表面更顺畅地流动。
[0078]
实施例2
[0079]
一种根据实施例1所述集成仿生的栽培基质离子浓度在线检测装置的检测方法，包括以下步骤：
[0080]
所述仿生叶1收集水分，经仿生茎2、导流通道32输送至储水水箱61储存；所述仿生根4通过单向吸水层41收集地表水，并经自输运导水槽43输送至储水箱61储存；
[0081]
检测离子浓度时，先由温湿度传感器57检测栽培基质中的含水量和温度并将结果发送给控制单元8，目前的平板式温湿度传感器已经能够满足本发明含水量检测的精度要求；控制单元8根据栽培基质的实时含水量判断是否需要补水以及补水量，当需要补水时，控制电磁铁631启动，拉动泵膜633脱离出水口611，水流入密封腔62，经排水口65渗入位于基底52底面的自输运表面56，在微织构作用下定向迁移至敏感电极51表面；
[0082]
水分迁移至离子浓度敏感电极51表面会将附近基质中的离子溶解并带至敏感电极51表面，从而形成离子检测条件，控制单元8采集离子浓度敏感电极51得到的信号，并根据温湿度传感器57测得的实时含水量和补充的水量对测量结果进行修正，温湿度传感器57测得的实时含水量和补充的水量以及温度对测量结果进行温湿度双补偿修正，最终以数字化形式输出至显示屏81。
[0083]
所述控制单元8根据栽培基质的实时含水量判断是否需要补水以及补水量具体
为：
[0084]
离子浓度敏感电极51表面积m(单位mm
2
)，温湿度传感器57测得其附近的土壤温度t(单位k)、含水量为ω，若ω≥50％，则直接进行离子浓度测定，实际含水量ω
′
即为测得的含水量；若ω<50％，控制单元8控制电磁铁631启动，拉动泵膜633脱离出水口611，水流入密封腔62，经排水口65渗入位于基底52底面的自输运表面56，通过控制泵膜633开合时间，按2m(1-ω)单位ml的容积进行补水，水分在自输运表面56微织构作用下定向迁移至离子浓度敏感电极51表面，补水后的实际含水量ω
′
≈50％。
[0085]
温湿度双补偿法能在一定范围内修正由温度、湿度变化而引起的离子浓度测定值的偏差，所述温湿度双补偿修正具体为：
[0086]
所述温湿度双补偿修正公式为：e＝e
′
+δe
1
+δe
2
，
[0087]
其中，e
′
是传感器直接测得的离子浓度数值，δe
1
是经过温度补偿的误差项，一般写作参数k
1
、k
2
、k
3
与基质的种类有关，δe
2
是含水量补偿中的误差项，一般写作δe
2
＝c
1
ω+c
2
，c
1
、c
2
也与基质的种类有关；以上参数可以通过查阅参考值的方式得到，如《基于修饰膜的全固态ph传感器及应用研究》中公开了蛭石基质的相关参数，《平板式全固态ph传感器及其响应特性研究》中公开了醋糟、泥炭土、珍珠岩及混合物的相关参数；对于无直接参考的栽培基质则需要通过样本标定的方式得到相关参数。
[0088]
因此，经温湿度双补偿修正后的离子浓度值为：
[0089][0090]
其中，k＝k
3
+c
2
，为一般常数项。
[0091]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。