高通量一体化植物根系吸水速率检测系统

本发明涉及植物根系检测，尤其涉及一种高通量一体化植物根系吸水速率检测系统。

背景技术：

1、土壤水分是影响植物生存、生长发育的关键因素。有研究表明，土壤含水量显著影响植被根系生长与分布。根系作为植被唯一直接与土壤接触的器官是植被获取土壤水的关键，对植被生长具有决定性作用。根系活性也对植物的生长起决定性作用。所以对根系生长与吸水之间动态关系的研究具有重要意义。

2、根系吸水速率可由土壤含水量、根长密度和根深决定。研究表明，各土层含水量在根系到达前土壤含水量基本保持不变，一旦根系下扎到某一土层，作物便开始利用该层水分，土壤含水量将呈指数形式逐渐降低。因此，针对植物根系生长与吸水之间动态关系的研究，有必要对植物根系吸水速率进行检测。目前，土壤含水量测量方法又主要分为烘干法和传感法两种。根长密度的传统研究方法主要有挖掘法、单块法、钻孔法等，这些方法既耗时又费力且不可避免地对植物根系造成损伤，属于破坏性的方法。非破坏性的方法如玻璃墙法、微根管等虽然一定程度上完善了传统方法的缺陷，但缺乏土壤含水量测量的能力，无法一体化测量根系吸水速率。因此，现有技术中缺乏一种高通量一体化的植物根系吸水速率无损检测装置。

技术实现思路

1、本发明提供一种高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，既解决了传统根系研究方法既耗时又耗力且对植物根部造成损伤的缺陷，又创新性地提出了一种一体化植物根系吸水速率测量技术，实现植物根系吸水性信息的高效无损采集。

2、本发明提供一种高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，包括：

3、用于埋设土壤中的透明管道；

4、基站，设于所述透明管道的一端；

5、数据采集盒，安装于所述基站与所述透明管道的连接处；

6、管道机器人，设于所述透明管道内；

7、所述管道机器人包括控制单元、驱动单元和采集单元，所述驱动单元用于驱动所述采集单元沿所述透明管道移动，所述采集单元用于获取所述透明管道外部的土壤剖面含水率信息和植物根系生长图像信息；所述控制单元连接所述驱动单元和所述采集单元，用于将所述采集单元采集的信息发送至所述数据采集盒。

8、根据本发明的一个实施例，所述采集单元包括传感器电极、摄像头以及壳体，所述传感器电极和所述摄像头分别设于所述壳体表面，所述传感器电极用于采集土壤剖面含水率信息，所述摄像头用于获取植物根系生长图像信息；

9、所述控制单元包括第一处理模块、第一存储模块和第一通信模块，所述第一处理单元用于根据接收到的信号控制所述驱动单元运作；所述第一存储单元用于存储所述传感器电极获取的信号以及所述摄像头获取的图像；所述第一通信单元用于将所述第一处理单元和所述第一存储单元处理的中间信号发送至所述数据采集盒。

10、根据本发明的一个实施例，所述驱动单元包括沿所述透明管道轴线设置的轮轴架，所述轮轴架上设有轮叉，所述轮叉上设有多个驱动轮，所述驱动轮沿所述轮轴架周向布置，所述驱动轮的轴线与所述轮轴架的轴线成角度设置；

11、所述驱动单元还包括驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接所述轮轴架。

12、根据本发明的一个实施例，所述驱动轮与所述轮叉之间设有弹簧，所述弹簧沿所述透明管道的径向设置，所述弹簧用于将所述驱动轮抵接在所述透明管道内壁上。

13、根据本发明的一个实施例，所述管道机器人还包括电池单元，所述电池单元与所述控制单元、所述驱动单元以及所述采集单元电连接，所述电池单元、所述采集单元以及所述驱动单元沿所述透明管道轴线方向依次通过万向节连接。

14、根据本发明的一个实施例，所述电池单元包括电池本体和磁吸充电母口，所述磁吸充电母口设于所述电池本体靠近所述数据采集盒的一端；

15、所述数据采集盒靠近所述透明管道的一端设有磁吸充电公口，在所述管道机器人靠近所述数据采集盒状态下，所述磁吸充电母口与所述磁吸充电公口连接。

16、根据本发明的一个实施例，所述电池单元、所述采集单元以及所述驱动单元的外部分别设有沿所述透明管道轴线方向移动的支撑轮，所述支撑轮与所述透明管道内壁相抵接。

17、根据本发明的一个实施例，至少一个所述支撑轮上设有轮式编码器，所述轮式编码器与所述控制单元电连接。

18、根据本发明的一个实施例，所述数据采集盒内设有数据采集电路板，所述数据采集电路板包括第二处理单元、第二存储单元和第二通信单元，所述第二处理单元用于适时产生控制信号；所述第二通信单元用于将控制信号发送给所述管道机器人并接收所述管道机器人发送的中间信号；所述第二存储单元用于存储所述管道机器人发送来的中间信号。

19、根据本发明的一个实施例，还包括上位机，所述上位机与所述数据采集电路板通讯连接。

20、本发明提供的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，通过将透明管道埋设土壤中，在透明管道的一端设置基站，基站与透明管道的连接处安装有数据采集盒；透明管道内设有管道机器人，管道机器人包括控制单元、驱动单元和采集单元，驱动单元用于驱动采集单元沿透明管道移动，采集单元用于获取透明管道外部的土壤剖面含水率信息和植物根系生长图像信息；控制单元连接所述驱动单元和采集单元，用于将采集单元采集的信息发送至数据采集盒。该系统通过在透明管道内设置可活动的管道机器人，能够按照人为设定的测量时间间隔自动检测土壤剖面水分参数并拍摄根系生长图像，进而得到根深和根长密度等数据，再计算得出植物根系吸水速率，以推断出根系吸水能力与根系活性，减少了人力物力消耗，保护植物根部的完整性，对植物根系研究具有重要意义。

技术特征：

1.一种高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，所述采集单元包括传感器电极、摄像头以及壳体，所述传感器电极和所述摄像头分别设于所述壳体表面，所述传感器电极用于采集土壤剖面含水率信息，所述摄像头用于获取植物根系生长图像信息；

3.根据权利要求2所述的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，所述驱动单元包括沿所述透明管道轴线设置的轮轴架，所述轮轴架上设有轮叉，所述轮叉上设有多个驱动轮，所述驱动轮沿所述轮轴架周向布置，所述驱动轮的轴线与所述轮轴架的轴线成角度设置；

4.根据权利要求3所述的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，所述驱动轮与所述轮叉之间设有弹簧，所述弹簧沿所述透明管道的径向设置，所述弹簧用于将所述驱动轮抵接在所述透明管道内壁上。

5.根据权利要求1所述的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，所述管道机器人还包括电池单元，所述电池单元与所述控制单元、所述驱动单元以及所述采集单元电连接，所述电池单元、所述采集单元以及所述驱动单元沿所述透明管道轴线方向依次通过万向节连接。

6.根据权利要求5所述的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，所述电池单元包括电池本体和磁吸充电母口，所述磁吸充电母口设于所述电池本体靠近所述数据采集盒的一端；

7.根据权利要求5所述的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，所述电池单元、所述采集单元以及所述驱动单元的外部分别设有沿所述透明管道轴线方向移动的支撑轮，所述支撑轮与所述透明管道内壁相抵接。

8.根据权利要求7所述的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，至少一个所述支撑轮上设有轮式编码器，所述轮式编码器与所述控制单元电连接。

9.根据权利要求2-8任一项所述的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，所述数据采集盒内设有数据采集电路板，所述数据采集电路板包括第二处理单元、第二存储单元和第二通信单元，所述第二处理单元用于适时产生控制信号；所述第二通信单元用于将控制信号发送给所述管道机器人并接收所述管道机器人发送的中间信号；所述第二存储单元用于存储所述管道机器人发送来的中间信号。

10.根据权利要求9所述的高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，其特征在于，还包括上位机，所述上位机与所述数据采集电路板通讯连接。

技术总结
本发明提供一种高通量一体化植物根系吸水速率检测系统，通过在土壤中设置透明管道，在透明管道的一端设置基站，基站与透明管道的连接处安装数据采集盒；透明管道内设有管道机器人，管道机器人包括控制单元、驱动单元和采集单元，驱动单元用于驱动采集单元沿透明管道移动，采集单元用于获取透明管道外部的土壤剖面含水率信息和植物根系生长图像信息。该系统通过透明管道内可活动的管道机器人，能够按照人为设定的测量时间间隔自动检测土壤剖面水分参数并拍摄根系生长图像，从而得到根深和根长密度等数据，再计算得出植物根系吸水速率，减少了人力物力消耗，保护植物根部的完整性，对植物根系研究具有重要意义。

技术研发人员：颜小飞,宋晓波,王韵博
受保护的技术使用者：北京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13