ENVIdata-P植物生理生态监测系统

ENVIdata-P植物生理生态监测系统

1 背景

 茎流、叶温、茎粗变化等是植物的重要生理指标，而光照、土壤湿度、空气温湿度、二氧化碳是影响重要指标的关键环境因子。树木液流的日变化呈单峰格型，不同胸径树木的液流日变化格型有很大差异，前人对液流和树形的研究有些仅着眼于液流瞬时值水平，缺少对液流整体格局特征的认识，也有用树形分级的方法对液流和树形关系进行探讨，但该方法存在尺度扩展过程中容易引起误差的缺点。

当根系吸水充足时茎干膨胀，亏缺时茎干收缩。因而可以用茎直径变化反应植株体内水分状况变化。

该系统通过茎流大小测试植株的耗水量，通过叶温预报植物需水量，利用植物器官（茎、叶、果实等）体积微变化动态反应植物体内水分状况，广泛用于植物水分利用、水量平衡、能量平衡、灌溉等研究领域。

 

2 系统工作原理及特点

ENVIdata-P 植物生理生态监测系统由数据采集器、茎流传感器、冠层叶温传感器、作物茎杆变化或树木生长传感器、二氧化碳及气象传感器组成。按用户设定的测量间隔定时、自动测量茎流、叶温和生长参数。

该系统可远程传输数据，用户无需到测点下载数据，只要能上网，可随时查看系统运行情况、下载最新和历史数据。

3  传感器

3.1 Dynamax茎流传感器

应用热扩散原理，测量不同树种的茎流量。该原理能够实现连续监测茎流，并且受环境因素的干扰相对小。探头适用于直径75mm以上的树干，安装容易，可以重复使用。TDP-30和TDP-50每个探头占用一个单端模拟通道，TDP-80每个探头占用两个单端模拟通道。安装工具随探头提供。

探头应用热平衡原理，多种尺寸系列可以适于安装在直径2.1至175mm的草本或木本植物茎干上。该探头无需校正，不用穿刺到树干中。每个探头占用3个单端模拟通道。探头所需的安装附件随探头提供。

系统配有电压调节器为探头供电，可以同时输出两种不同的电压，功率能够满足所有探头的耗电量。

SF1包裹式茎流传感器：导出以g/h为单位的茎流量；
传感器类型	示例产品	茎杆直径范围（mm）	高度（mm）	加热器电压	功耗（W）	包裹范围（名义上直径）
微传感器	D\SGA3	2.7 ~ 4.0	35	2.3	0.05	2、3、5
茎杆传感器	D\SGA13	12 ~ 16	70	4.0	0.15	9、10、13、16、19、25
树干传感器	D\SGB50	45 ~ 65	305	6.0	1.4	35、50、70、100
数据采集器输入（每个传感器）：3DIF通道（全量程<1mV），1SE通道（用于加热器电压，全量程<10V）；缆线：标准1.5米（8芯，带接头）；缆线可扩展
SV1 TDP茎流速传感器：导出以cm/h为单位的茎流速；
传感器类型	针长/直径(mm)	树干直径范围（mm）	垂直空间	加热器电压	功耗（W）	样品木质部厚度
D\TDP-30	30/1.2	70 ~ 200	40mm	3.0	0.2	30 ~ 70 mm
D\TDP-50	50/1.65	120 ~250	40mm	5.0	0.3	50 ~ 100mm
D\TDP-80	80/1.65	超过180	40mm	7.5	0.5	> 80 mm
数据采集器输入（每个传感器）：1DIF通道（全量程<1mV），1SE通道（用于加热器电压，全量程最大10V）；缆线：标准3米（5或6芯，带接头）；缆线可扩展
*澳作研发的通道扩展板：功能强大，精度高（与进口数据采集器精度相同），可接多路传感器（数量不受限制）。
*多路电源供应：使用可调式电压调节分配器，针对不同传感器输出不同范围电压

3.2 Ecomatic探针式茎流传感器

SF-G探针式茎流传感器工作原理：将两个探针插入树干，给处于上部的探针用恒定能量加热，上下二个探针之间的温度差反应树干中的茎流速率，用经验公式换算成茎流速率。

SF-L探针式茎流传感器，采用专利技术的4根探针来测量树干的茎流，可以连续测量树干纵向温度变化，用来修正测量数据。这样大大提高了测量精度，保证零液流的的稳定。

	SF-G	SF-L
探针数量	2	4
探针直径	1.5 mm
探针长度	33、43、63mm
电缆长度	标准5米，可延长到20米
适合树干直径	>2cm	>15cm
电源	CCS， 1个CCS可供应1到3传感器
耗电	1W（12V×84 mA）
输出	0~1000 µV
夜间测量	不可以（夜间茎流人为的假设为零）	可以
说明	SF-G型树干纵向温度变化（+/-2.5°C）和测量结果叠加，导致测量错误可能超过100％

 

3.2 红外测温传感器

红外测温传感器是基于斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）

特点：测量植物冠层、土壤、水面等温度

技术指标：

测量范围：-40~70℃ 

精度：-10~65℃,±0.2℃  

      -40~70℃,±0.5℃

 

 

 

采用微型接触探头测量叶片的绝对温度。轻质不锈钢线夹上装有高精度玻璃封装热敏电阻，其直径约为1毫米。探头体积小特殊设计带来了极佳的测量准确性。热敏电阻通过一根0.15毫米的导线连接到夹子上以减少热传导和响应时间。即便在潮湿的操作条件下所有的导体都防腐蚀。

测量范围： 0~50℃

精度：<0.15C

 

3.4 茎粗微变化传感器:

  整个传感器象带子一样缠绕树木，用弹簧定位。树木尺寸的变化直接传递到传感器,瞬时记录树木对环境影响的反应、树皮的膨胀、导管水位或细胞分裂等。

  树木尺寸变化通过带子传递到传感器，在应变传感器中转换成电阻信号。带子受温度影响很小。带子和树皮间有一个特富龙层，减少带子的摩擦力，同时确保带子不受结冰、树脂或结疤的影响。

SD-5M(5L), 测量范围0~5mm，适用范围5~25mm；分辨率：0.002mm

SD-6M(6L)，测量范围0~5mm，适用范围20~70mm；分辨率：0.002mm

绝对位移传感器用于直径为7至160毫米的三个范围内完整圆形水果的大小和生长速度记录。

测量范围0~10mm;分辨率分别为0.065,0.038,0.019mm;输出0-2VDC 

适用范围30~160 mm,15~90 mm,7~45 mm(与上述分辨率对应) 操作温度 0 ~50°С

 

3.6 SA植物生长计

将植物生长产生的形变转换为电信号并测量

测量范围 0~2000 mm

线性输出范围 0 to 2 Vdc（2v对应333.33 mm）

分辨率 0.1mm

 

3.7 树木胸径变化传感器

测量树木直径范围：>3cm，上限无限制

测量范围：0-50mm，可重置

分辨率：5um

精度：±1%

温度漂移：<4μm/k

 

3.8  叶片湿度传感器

LWS-2z叶片湿度传感器，给出叶片干湿状态

 

 

3.10 土壤水分探头

TRIME—PICO64/32土壤水分、温度、电导率传感器

水分测量范围0—100%、测量精度：±2%、

测量重复精度：±0.2%；

电导率测量范围：ECw 0...>20dS/m、测量体积: 1dm3

温度测量范围：-15℃…50℃ ， 测量精度：±0.2℃

 

3.11 Thies多参数气象传感器

结构功能

 

技术参数：

风速：量程：0~60m/s ；分辨率：0.1m/s

精度：±0.3 m/s rms @ WG ≤ 5 m/s

±3% rms @ WG > 5 m/s

±5% rms @ WG > 50 m/s

风向：量程：0~360°；分辨率：1°；精度：±2° @ WG > 2 m/s

空气温度（超声波测量）：量程：-30~70°C；分辨率：0.1°C；精度：±0.5°C

空气温度：量程：-30 ~70°C；分辨率：0.01°C；精度：±0.5°C

空气湿度：量程：0 ~100%；分辨率：0.1%；精度：±3%（10~90%）

气压：量程：300 ~1100hPa；分辨率：0.01hPa；精度：±0.5hPa（20°C）

光照强度：量程：0~150kLux；分辨率：30Lux；精度：±3%的测量值，3 Lux每分钟

降雨量：量程：0~10mm每分钟；分辨率：0.01mm

 

 

3.12 Ecomatic 植物生态监测传感器

DC树干周长生长变化传感器

	DC1	DC2		DC3	DC4
适用于树干直径	>5厘米
测量范围	11毫米	15毫米		25毫米		50毫米
复调测量范围	5~30厘米	无限
精度	±2微米±0.12%（视数据采集器）			±3.3微米±0.12%（视数据采集器）
分辨率	<0.001微米
线性系数	1%	2%		0.7%
温度系数	<0.1微米/度
钢丝绳热膨胀系数	<1.4 × 10-6/K
工作环境	空气温度：-30~+40℃，空气湿度：0~100%
电缆长度	标准2米最大可延长100米
钢丝绳长度	标准1米，可延长

 

DD系列直径生长变化传感器

	DD-L1	DD-L2	DD-S1（DD-S2）	DDW（防水）
适用于树杆直径	3~30厘米		<5厘米	3~20厘米
测量范围	11毫米	25毫米	11毫米
复调测量范围	3~30厘米		0~5厘米	3~20厘米
精度	±2微米±0.12%（视数据采集器）
分辨率	<0.001微米
线性系数	1%
温度系数	<0.1微米/度
工作环境	空气温度：-30~+40℃，空气湿度：0~100%
电缆长度	标准2米，最大可延长100米
说明	DD-S2型具有两个直径为0至2.2厘米和1.8至5厘米的快速安装架； DDW型，防水设计，适用于极端、潮湿的条件下，如海岸、雪下、土壤表面附近

 

茎秆变化量测量仪DRL26

自带数据采集器，独立使用

测量范围：直径8cm – 无穷大， 分辨率：1微米

数据存储：50000，数据间隔设置10分钟-24小时

电池：3.6V 1000mAh，10分钟间隔可以使用>3年

操作温度：-30℃ - +60℃

 

DR树干半径生长变化传感器

	DR1	DR2	DRW（防水）
适用于树干直径	>8厘米
测量范围	11毫米	25毫米	11毫米
复调测量范围	无限
精度	±2微米±0.12%（视数据采集器）
分辨率	<0.001微米
线性系数	1%
温度系数	<0.1微米/度
工作环境	空气温度：-30~+40℃，空气湿度：0~100%
电缆长度	标准2米，最大可延长100米
说明	DRW型，防水设计，适用于极端、潮湿的条件下，如海岸、雪下、土壤表面附近

 

DV茎秆纵向变化传感器

适用于树干直径	>8厘米
测量范围	11毫米
复调测量范围	无限
精度	±2微米±0.12%（视数据采集器）
分辨率	<0.001微米
线性系数	1%
温度系数	<0.1微米/度
钢丝绳热膨胀系数	<1.4 × 10-6/K
工作环境	空气温度：-30~+40℃，空气湿度：0~100%
电缆长度	标准2米，最大可延长100米
钢丝绳长度	标准1米，可延长
图示

 

 

 

DF果实生长变化传感器

	DF1	DF2	DF3
适用于果实直径	0~11厘米（可扩大）
测量范围	15毫米	25毫米	50毫米
复调测量范围	0~11厘米
精度	±2微米±0.12%（视数据采集器）
分辨率	<0.001微米
线性系数	2%
温度系数	<0.1微米/度
工作环境	空气温度：-30~+40℃，空气湿度：0~100%
电缆长度	标准2米，最大可延长100米
图示

 

 

 

 

 

 

DRO根系/水下植物直径生长变化传感器

适用于根直径范围	0~20毫米	图示
测量范围	11毫米
分辨率	0.1~2.6微米（视数据采集器）
精度	±0.12%~±1%（视数据采集器）
温度系数	<0.2微米
线性系数	<1%
使用环境	防水，土壤中、水下或雪中
工作温度	-30~+40℃
工作湿度	0~100% RH
供电	无需额外的电源适配器
材质	不锈钢和铝
电缆长度	标准2米，最大可延长到100米

 

 
3.13在线叶绿素荧光监测

叶绿素荧光是反应植物光合作用等生理功能的重要指标之一。通过分析植物叶绿素荧光参数，可以直接反应植物的光合能力、胁迫状况等重要的生理状态。

测量参数：

1）光适应测量参数：Y(II)、 ETR、PAR、T、FMS、F

2）暗适应测量参数：FV/FM、FV/FO、Fo、FM、FV、FO’、 FO’

3）淬灭参数

Hendrickson参数：Y(NPQ), Y(NO), Y(II), NPQ, FV/FM

Kramer参数：qL, Y(NPQ), Y(NO), Y(II), FV/FM

Kramer new：NPQ(T), qE(T), & qI(T) （近红色光源）

Puddle参数：NPQ, qN，qP,Y(II), FV/FM

淬灭弛豫（可选）：qE、qM、qT、qZ和qI

Ruban/ Murchie 参数：pNPQ & qPd

4）快速光曲线：rETRMAX、α、Ik、Im

5）光源：

蓝色饱和脉冲LED： FM’校正时7000 μmols/m2/s2、 具有方形顶部脉冲的10000 μmols/m2/s2

可选红色饱和脉冲LED： FM’校正时7000 μmols/m2/s2、具有方形顶部脉冲的10000 μmols/m2/s2

调制光源：Blue 455nm – 半波宽18nm的455nm蓝色光源、 可选的半波宽18nm的640nm红色光源

光化光源：蓝色，可达1800 μmols/m2/s2、红色可选，可达1800 μmols/m2/s2

远红光源：暗适应叶夹可选项，用于Fo’测量或者暗适应前的预照射。

检测方法：脉冲调制式

检测器&滤波器：具有700 ~ 750带通滤波器的PIN光电二极管 

采样速率：1~10000点每秒，根据不同测量自动选择

6）可同时监测多组样品，如3-7组

 

3.14叶片茎秆水势的监测

茎秆水势传感器测量范围: -0.05MPa 至 -10MPa

 

叶片水势传感器测量范围: -0.05MPa 至 -10MPa

 

4、数据采集器

4.1 ENVIlog数据采集器：澳作自主研发的数据记录仪，简单，稳定，可靠，在测量和控制方面能满足广泛的需求，可用于生态数据观测，农业研究，气象站监测，环境监测，过程监测，工业控制等领域。

具备低功耗的优势，体现在传感器测量、直接/远程通讯连接、数据分析、外部设备控制、数据和程序存储等方面。

ENVILog采用金属外壳屏蔽射频干扰，具备精密时钟、C语言编程、数据处理和分析等功能。

 

技术指标：

CPU：32位处理器FPU，180MHz

模拟通道：8个模拟输入通道，可定制扩展到100个  

数字通道：24个，其中8个DI口、16个DO口 

计数通道：12个，8个 32位低速计数端口，最大计数速度10Hz；4个 32位高速计数输入，最大计数速度100KHz

串行通道：4个SDI-12总线端口、1个RS232端口（可定制扩展）、2个RS485端口（定制可扩展）

计算通道：使用变量和各种函数的表达式对模拟通道、数字通讯和串行传感器通道的数值进行计算；函数包括有算术函数、三角函数、关系函数、逻辑函数和统计函数等。

报警：条件、延迟、动作等多种模式

采集频率：1s~1天 可设置

显示：2.54’OLED屏，8个按键可查看实时数据

状态指示灯：6个，包括采集状态、存储指示、警告显示和电源指示，内部电池充电指示和充满指示

内存：内置512MB（约1千万个数据）；可插拔U盘，最大支持32G容量

通讯：USB、以太网、RS232、RS485；支持U盘下载数据

无线功能：内置4G DTU模块，全网通，支持ENVIData云平台；内置WIFI模块

时钟精度：±5分钟/年

供电：9-30v DC，

功耗@12Vdc：<1mA(待机)，100mA（运行)。

尺寸：202*136*77mm

重量：1Kg

工作条件：温度-45℃到+70℃，湿度0-85%RH不冷凝的

 

4.2 DT系列数据采集器: 是一款坚固、独立、低能耗的数据采集器，具有支持U盘、18位分辨率、通讯性能可扩展及内嵌显示屏等特性。DT80的双通道隔离概念可同时使用多达10个隔离或15个共用参考模拟输入，配置扩展模块后最多可通道可扩展至600个。

 DT系列数据支持SDI-12传感器组网，支持SCADA系统的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V电源为传感器供电。工作温度最低可达-45℃。

技术指标：

最大扫描速率：25Hz

处理器：采用18位A/D转换器,精度±0.025%

存储：128Mb可无限扩展，内存可存储130,000个读数，可使用PC卡或闪存可（可存储65,000个读数）

U盘存储：兼容USB1.1或USB2.0驱动，每兆约90,000采集数字点

LCD液晶显示，2线16字母的LCD液晶显示和6个按键用于查看通道及数采状态和功能执行

通讯：RS232、USB、以太网等

采样间隔：10ms至天，可自定义

输出值种类：平均值, 最大值, 最小值, 取样值 (Sample), 向量值, 累计值 ( Totalize )等

工作温度范围-45~70℃

时钟精准度：约±1分钟/年0-40℃；约±4分钟/年-40-70℃

供电电压：10~30VDC

工作湿度85%（无水汽凝结）

DT80：

模拟输入：15个单端通道（10个差分）

脉冲通道：12个

数字I/O口：8个

SDI12口：4个

DT82E：

模拟输入：6个单端通道（4个差分）

脉冲通道：8个

数字I/O口：4个

SDI12:1个

RS232:1个

DT82I：

模拟输入：6个单端通道（4个差分）

脉冲通道：8个

数字I/O口：4个

RS232:1个

RS485/422/232:1个

DT85：

模拟输入：48个单端通道（32个差分）

脉冲通道：15个

数字I/O口：8个

RS232/422/485:1个

RS232:1个

 

5、支架

两种支架可供选择，三角支架（图一）和十字底座支架（图二）

建议根据场地条件选择：

1、       三角支架，整体比较大气、平稳，适合安装在平整的场地中，整体高度约2.3米；

2、       十字底座支架，占地范围更小，适宜安装在林地或有坡度的场地中。

 

图一：                                          图二：

                 

 

6、ENVIdata数据传输和管理平台（云平台）

 

 

 

 

 

 

 

该系统直接将数据传送到ENVIdata服务器上，通过对监测的生态环境因子的时序变化和相关性分析，确定监测对象的状态发展。 

ENVIdata 服务器软件既可以作为独立的应用软件，运行在用户的服务器上；也可以运行在澳作公司安全的服务器上，为多个用户提供数据接收服务，同时帮助用户监控野外测点硬件系统的运行状态。

澳作公司ENVIdata系列生态环境监测系统是业内首家成功获得 ISO9001国际质量体系认证，于2010年获得 ISO9001 质量认证书，至今全部通过专家的年度复核，确保系统集成的品质

用户采用用户名和密码登陆，只要能上网，就能浏览实时和历史数据

特点：

1）       生态环境信息以各种时间间隔 （分钟、每小时、每天）发送到网站上。

2）       用户只要能上网，既可浏览实时数据。

3）       中心服务器中文界面，便于操作和管理

4）       提供多参数、实时或历史数据曲线图

 

ENVIdata 数据服务平台已为国内的客户服务多年，系统稳定、可靠。

 

 

7、应用案例

中科院怀来实验基地，ENVIdata-P植物生理生态监测系统能够实时测量松林小气候，监测参数包括2米风速，风向，光合有效辐射，空气温湿度，1.5米风速风向及空气温湿度。3个包裹茎流传感器分别安装在两颗样松的阳面和阴面来对比观察不同光照下柏油松的蒸腾速率。搭配红外叶面温度传感器组成一套完整的松林小气候及植物生理生态监测系统，对于研究松林成长的环境因子提供了科学的数据保证。辅助客户完成科学有效的松林生态环境研究。

 

现场照片

上图为3米及1米风速数据日变化曲线图，从图中看两个传感器一致性良好