基质栽培监测装置、系统及方法
阅读：60发布：2020-05-11
专利汇可以提供基质栽培监测装置、系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及基质栽培 水 肥管理技术领域，公开了一种基质栽培监测装置、系统及方法，其中基质栽培监测装置包括顶部称重机构和底部称重机构，顶部称重机构包括拉 力 传感器 ，拉力传感器的检测端用于悬吊连接 植物 ；底部称重机构包括 压力传感器 和压设于压力传感器上的回液收集槽，回液收集槽用于容置基质栽培槽，以收集基质栽培槽渗漏的回液；回液收集槽开设有排液口。该基质栽培监测装置结构简单、使用方便，通过称重方式实现基质 含水量 以及作物生理生长参数的准确测量，全方位地了解植物体内的水分子运动，研究植物在整个生长阶段的耗水规律，能够满足 无土栽培 槽以及多盆盆栽等不同的设施应用场景需求，为设施水肥管理提供决策依据。，下面是基质栽培监测装置、系统及方法专利的具体信息内容。
1.一种基质栽培监测装置，其特征在于，包括顶部称重机构和底部称重机构，所述顶部称重机构包括拉力传感器，所述拉力传感器的检测端用于悬吊连接植物；所述底部称重机构包括压力传感器和压设于所述压力传感器上的回液收集槽，所述回液收集槽用于容置基质栽培槽，以收集所述基质栽培槽渗漏的回液；所述回液收集槽开设有排液口。
2.根据权利要求1所述的基质栽培监测装置，其特征在于，所述底部称重机构还包括支撑座，所述支撑座的顶部抵接于所述回液收集槽，所述支撑座的底部连接于所述压力传感器；所述支撑座包括沿所述回液收集槽的宽度方向设置的至少两个纵向支架以及沿所述回液收集槽的长度方向设置的至少两个横向支架；所述横向支架上开设有宽度定位孔，以调节位于两端的两个所述纵向支架之间的距离。
3.根据权利要求2所述的基质栽培监测装置，其特征在于，所述纵向支架包括外管和内管，所述内管可伸缩地插设于所述外管内；所述外管上开设有长度定位孔，以调节所述内管的伸出长度。
4.根据权利要求1所述的基质栽培监测装置，其特征在于，还包括调平基座，所述调平基座包括调平基板以及多个脚杯，所述调平基板的顶面抵接于所述压力传感器的底部，多个所述脚杯安装于所述调平基板的底面。
5.根据权利要求1所述的基质栽培监测装置，其特征在于，所述排液口连接有回液流量计。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基质栽培监测装置，其特征在于，还包括数据采集机构、设置于所述回液收集槽内的回液参数传感器以及用于置入所述基质栽培槽中的基质参数传感器，所述拉力传感器、所述压力传感器、所述回液参数传感器和所述基质参数传感器均电连接于所述数据采集机构。
7.根据权利要求6所述的基质栽培监测装置，其特征在于，还包括无线传输组件，所述数据采集机构电连接于所述无线传输组件，所述无线传输组件用于将所述数据采集机构采集的参数信号传输至远端服务器。
8.一种基质栽培监测系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求7所述的基质栽培监测装置，还包括网关，每个所述基质栽培监测装置的无线传输组件均与所述网关通信连接。
9.一种利用如权利要求1至7中任一项所述的基质栽培监测装置的监测方法，其特征在于，包括：
基于基质初次灌水饱和时的重量和每次灌溉结束后基质达到稳定饱和状态时的重量，计算所述植物的下部鲜重；
基于所述下部鲜重和基质的实时重量，计算基质的含水量。
10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，还包括：
基于拉力传感器检测的重量变化，计算植物的上部鲜重；
基于所述上部鲜重与所述下部鲜重，计算所述植物的生长速率；
基于所述压力传感器检测的重量变化和回液流量计检测的流量变化，计算所述植物的蒸散量；
基于所述植物的生长速率和所述植物的蒸散量，计算水分利用效率；
基于回液参数、基质参数和所述水分利用效率，计算灌溉量。
基质栽培监测装置、系统及方法
技术领域
背景技术
[0002] 在土壤-植物-大气(SPAC)动态系统中，水循环作为植物的重要生理活动，其对植物的影响贯穿整个生长阶段。蒸散作为植物水文循环中的重要组成部分，与植物的各项生理活动和生物产量的形成有着密切的联系。目前我国主要通过蒸渗仪来测定植物的蒸散量，其依据水量平衡原理，通过单位时间内植物-土壤整体质量的变化来直接反映水分的蒸散。近几年，针对于小型盆栽作物的蒸散测量装置收到了广泛的研究。例如中国实用新型专利(公开号CN208334327U)公开了一种植物蒸腾在线监测仪，其通过检测植物叶片蒸腾产生的水蒸气，获取相关数据再代入模型公式计算植物的蒸散量。
[0003] 但由于在实际的生产过程中，作物土培存在连坐障碍、土壤次生盐渍化和营养难于调控等缺点，近年来营养液栽培和基质栽培等无土栽培技术快速发展起来。对于这类栽培方式，目前的研究主要集中在对基质含水量的检测装置，例如中国发明专利(公开号CN103424147A)公开了一种无土栽培基质多参数检测仪，其通过平板复合电极及相应的信号调理电路完成基质的含水量、电导率的在线检测，并对测量指标进行了补偿，提升了测量精度。中国发明专利(公开号CN103207217A)公开了一种非插入式栽培基质含水量传感器，其通过单侧敏感型电容探头和测量电路获取基质表层含水量，并建立了输出电压信号和基质含水量的两点标定模型方法。中国实用新型专利(公开号CN205003135U)公开了一种无土栽培基质含水量、电导率检测仪，其通过控制开关轮流检测基质水分和电导率，消除了水分检测传感器和电导率传感器同时放置于液体中所存在的干扰问题，提高了检测结果的准确性。中国发明专利(公开号CN102435645A)公开了一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法及其传感器，其通过电容性探针获取基质复介电常数，进一步分解计算求得基质含水量和电导率的值。
[0004] 从上述研究成果可以得出，针对于土培模式下植物蒸散测量装置的种类在不断丰富，且主要以蒸渗仪法为主。而对于基质栽培模式下植物耗水规律的研究，现主要是通过含水量、电导率和温度传感器监测基质环境来实现。目前还没有针对基质栽培模式下的蒸散测量装置，很难研究这种栽培方式下植物的耗水规律。而对于基质栽培模式下植物耗水规律的研究，有利于更好地调控植物生长过程中的水肥状况，提高设施作物的产量和品质。在基质栽培的过程中由于作物信息在线获取困难，存在无法确定合理的水分养分灌溉点、对于作物对水分和养分的吸收量不确定等问题，难以实时掌握植物的生长状况。
[0005] 基质作为植物水分和养分的供给体，基质的含水量直接影响着植物生长的环境和作物的质量和产量。现有测量基质含水量的装置大多直接采用土壤水分传感器，由于与土壤相比，基质栽培颗粒松散，检测空隙率较大，密度和含水量变化也较大，与土壤存在着很大的差异，在实际的测量中存在较大误差。现有的专用于测定基质含水量的设备很少，传感器标定流程复杂，且设备对不同基质类型检测的适用性差，检测稳定性和准确性有待提高。同时在栽培过程中作物根系发达影响含水量测量，导致传统测量方式不适用于基质测量。
发明内容
[0006] 本发明实施例提供一种基质栽培监测装置、系统及方法，用以解决现有的基质栽培中对基质含水量测量精度低的问题，为设施水肥管理提供决策依据。
[0007] 本发明实施例提供一种基质栽培监测装置，包括顶部称重机构和底部称重机构，所述顶部称重机构包括拉力传感器，所述拉力传感器的检测端用于悬吊连接植物；所述底部称重机构包括压力传感器和压设于所述压力传感器上的回液收集槽，所述回液收集槽用于容置基质栽培槽，以收集所述基质栽培槽渗漏的回液；所述回液收集槽开设有排液口。
[0008] 其中，所述底部称重机构还包括支撑座，所述支撑座的顶部抵接于所述回液收集槽，所述支撑座的底部连接于所述压力传感器；所述支撑座包括沿所述回液收集槽的宽度方向设置的至少两个纵向支架以及沿所述回液收集槽的长度方向设置的至少两个横向支架；所述横向支架上开设有宽度定位孔，以调节位于两端的两个所述纵向支架之间的距离。
[0009] 其中，所述纵向支架包括外管和内管，所述内管可伸缩地插设于所述外管内；所述外管上开设有长度定位孔，以调节所述内管的伸出长度。
[0011] 其中，所述排液口连接有回液流量计。
[0012] 其中，还包括设置于所述回液收集槽内的回液参数传感器、用于置入所述基质栽培槽中的基质参数传感器以及数据采集机构，所述拉力传感器、所述压力传感器、所述回液参数传感器和所述基质参数传感器均电连接于所述数据采集机构。
[0014] 本发明实施例还提供一种基质栽培监测系统，包括至少一个如上述所述的基质栽培监测装置，还包括网关，每个所述基质栽培监测装置的无线传输组件均与所述网关通信连接。
[0015] 本发明实施例还提供一种利用上述基质栽培监测装置的监测方法，包括：
[0016] 基于基质初次灌水饱和时的重量和每次灌溉结束后基质达到稳定饱和状态时的重量，计算所述植物的下部鲜重；
[0017] 基于所述下部鲜重和基质的实时重量，计算基质的含水量。
[0018] 其中，还包括：
[0019] 基于拉力传感器检测的重量变化，计算植物的上部鲜重；
[0020] 基于所述上部鲜重与所述下部鲜重，计算所述植物的生长速率；
[0021] 基于所述压力传感器检测的重量变化和回液流量计检测的流量变化，计算所述植物的蒸散量；
[0022] 基于所述植物的生长速率和所述植物的蒸散量，计算水分利用效率；
[0023] 基于回液参数、基质参数和所述水分利用效率，计算灌溉量。
[0024] 本发明实施例提供的基质栽培监测装置、系统及方法，其中基质栽培监测装置包括顶部称重机构和底部称重机构，顶部称重机构包括拉力传感器，通过拉力传感器可以悬吊测量植物的上部重量；底部称重机构包括压力传感器和压设于压力传感器上的回液收集槽，通过压力传感器可以实时采集基质的重量变化，通过回液收集槽可以收集基质栽培槽渗漏的回液，然后在每次灌溉结束后集中排液，便于称量和计算。该基质栽培监测装置结构简单、使用方便，通过称重方式实现基质含水量以及作物生理生长参数的准确测量，全方位地了解植物体内的水分子运动，研究植物在整个生长阶段的耗水规律，能够满足无土栽培槽以及多盆盆栽等不同的设施应用场景需求，为设施水肥管理提供决策依据，实现根据基质状态、作物状态、营养状态的水肥管理。附图说明
[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026] 图1是本发明实施例中的一种基质栽培监测系统的结构示意图；
[0027] 图2是本发明实施例中的一种底部称重机构的主视图；
[0028] 图3是图2中的底部称重机构的俯视图；
[0029] 图4是图2中的底部称重机构的侧视图；
[0030] 图5是本发明实施例中的一种顶部称重机构的结构示意图；
[0031] 图6是本发明实施例中的一种数据采集机构的结构示意图；
[0032] 附图标记说明：
[0033] 1：顶部称重机构； 11：拉力传感器； 12：上部挂钩；
[0034] 13：下部挂钩； 14：吊绳； 2：底部称重机构；
[0035] 21：压力传感器； 22：回液收集槽； 221：排液口；
[0036] 23：回液流量计； 24：回液收集桶； 3：支撑座；
[0037] 31：纵向支架； 311：外管； 312：内管；
[0038] 313：长度定位孔； 32：横向支架； 321：宽度定位孔；
[0039] 33：侧挡板； 4：调平基座； 41：调平基板；
[0040] 42：脚杯； 5：数据采集机构； 51：天线；
[0041] 52：显示屏； 53：数据线； 6：网关；
[0042] 7：服务器； 8：手机； 9：植物。
具体实施方式
[0043] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。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实施例中的具体含义。
[0045] 需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。
[0046] 图1是本发明实施例中的一种基质栽培监测系统的结构示意图，图2～图4是本发明实施例中的底部称重机构的三视图，如图1～图4所示，本发明实施例提供的一种基质栽培监测装置，包括顶部称重机构1和底部称重机构2，顶部称重机构1包括拉力传感器11，拉力传感器11的检测端用于悬吊连接植物9。底部称重机构2包括压力传感器21和压设于压力传感器21上的回液收集槽22，回液收集槽22用于容置基质栽培槽，以收集基质栽培槽渗漏的回液。回液收集槽22的底部开设有排液口221。
[0047] 具体地，顶部称重机构1设置在种植有植物9的基质栽培槽的正上方，顶部称重机构1的上部可以固定在种植大棚内的支架上，顶部称重机构1设有拉力传感器11，通过拉力传感器11的检测端悬吊连接植物9，进而可以称量植物9的上部重量。
[0048] 更具体地，如图5所示，顶部称重机构1还包括上部挂钩12、下部挂钩13和吊绳14，拉力传感器11的固定端(即上端)连接于上部挂钩12，拉力传感器11的检测端(即下端)连接于下部挂钩13，下部挂钩13通过吊绳14连接于植物9。拉力传感器11可以选择S型拉力传感器，例如可以选用天津丽景公司的四线制S型拉力传感器STC-20kg。
[0049] 底部称重机构2包括回液收集槽22，基质栽培槽放置于回液收集槽22的槽内，回液收集槽22的尺寸大小可以根据基质栽培槽的大小来设计。如图3～图4所示，回液收集槽22的底部设计成凹式结构，即在中部向下倾斜并在最低处设置一个集液槽，方便回液的流动至该集液槽中。另外还可以在回液收集槽22的一端的底部放置两块垫片，并在另一端的底部开设排液口221，使回液收集槽22呈现一定倾斜角度，进而使回液可以从排液口221排出，避免槽内滞留回液。更具体地，还可以在回液收集槽22的下方，对应排液口221的位置放置回液收集桶24，收集回液，避免污染环境，节约资源。
[0050] 压力传感器21设置在回液收集槽22的下部，用于检测回液收集槽22的重量变化。更具体地，压力传感器21可以选用德国HBM公司的单点式六线制压力传感器PWAHC3(50kg)。
[0051] 本实施例提供的一种基质栽培监测装置，包括顶部称重机构和底部称重机构，顶部称重机构包括拉力传感器，通过拉力传感器可以悬吊测量植物的上部重量；底部称重机构包括压力传感器和压设于压力传感器上的回液收集槽，通过压力传感器可以实时采集基质的重量变化，通过回液收集槽可以收集基质栽培槽渗漏的回液，然后在每次灌溉结束后集中排液，便于称量和计算。该基质栽培监测装置结构简单、使用方便，通过称重方式实现基质含水量以及作物生理生长参数的准确测量，全方位地了解植物体内的水分子运动，研究植物在整个生长阶段的耗水规律，能够满足无土栽培槽以及多盆盆栽等不同的设施应用场景需求，为设施水肥管理提供决策依据，实现根据基质状态、作物状态、营养状态的水肥管理。
[0052] 进一步地，如图1～图3所示，底部称重机构2还包括支撑座3，支撑座3的顶部抵接于回液收集槽22，支撑座3的底部连接于压力传感器21。支撑座3包括沿回液收集槽22的宽度方向设置的至少两个纵向支架31以及沿回液收集槽22的长度方向设置的至少两个横向支架32。横向支架32上开设有宽度定位孔321，利用螺栓穿设于宽度定位孔321中，可以固定住横向支架32和纵向支架31，进而调节位于两端的两个纵向支架31之间的距离。具体地，支撑座3可以由多个间隔的纵向支架31和多个间隔的横向支架32相互连接而成，通过调节最外侧的两个纵向支架31之间的距离，来调节支撑座3的整体宽度，以适应不同宽度的回液收集槽22。
[0053] 更进一步地，如图2～图3所示，纵向支架31包括外管311和内管312，内管312可伸缩地插设于外管311内。外管311上开设有长度定位孔313，以调节内管312的伸出长度。利用螺栓穿设于长度定位孔313中，可以固定住外管311和内管312，调节内管312的伸出长度，进而调节纵向支架31的整体长度，以适应不同长度的回液收集槽22。更进一步地，在纵向支架31上还固定有多个侧挡板33，有利于回液收集槽22的稳定放置。
[0054] 进一步地，如图2和图4所示，还包括调平基座4，调平基座4包括调平基板41以及多个脚杯42，调平基板41的顶面抵接于压力传感器21的底部，多个脚杯42安装于调平基板41的底面。具体地，脚杯42又叫脚轮调整块或者水平调节脚座，通常由螺杆和底盘组成，通过螺纹的旋转达到设备高度调节的一种常用的机械零部件。在一个具体的实施例中，可以在回液收集槽22的两端各设置一个调平基座4，每个调平基座4均包括一个调平基板41和位于调平基板41的四个角的脚杯42，调平基板41还可以放置有水平仪，通过调节脚杯42的伸出高度，来保证回液收集槽22的水平或者略向排液口221倾斜。
[0056] 进一步地，如图1和图6所示，还包括设置于回液收集槽22内的回液参数传感器(图中未示出)、用于置入基质栽培槽中的基质参数传感器(图中未示出)以及数据采集机构5，拉力传感器11、压力传感器21、回液参数传感器和基质参数传感器均电连接于数据采集机构5。具体地，回液参数传感器可以包括回液pH值传感器以及回液电导率传感器，例如回液pH值传感器可以选用PHG-202一体式在线PH变送器，回液电导率测量可以选用DDM-202一体式电导率传感器；两者均为RS485通讯串口，基于Modbus-RTU协议与主控制器进行通讯。
[0057] 基质参数传感器可以包括基质温度传感器、基质湿度传感器和基质电导率传感器。更具体地，基质参数传感器可以选用Decagon公司的5TE三参数传感器，该传感器可以同时测量温度、湿度和电导率三个参数。
[0058] 数据采集机构5的数据采集模块可以选用海芯科技公司的HX712电子秤专用高精度A/D转换芯片，片内集成128增益的低噪声放大器和24位A/D转换器，可为压力传感器供电。考虑到采用的压阻式传感器受温度影响传感器存在着一定温漂，还可以增设温度传感器DS18B20，用于压力/拉力传感器温漂的软件补偿，提高系统的测量精度。数据采集机构5的核心微控制器选用STM32的低功耗系列L431CCT6设计，用于协调各个器件正常工作，并完成数据的采集、处理和发送。数据采集机构5可以通过数据线53实现与各个传感器之间的电连接和信号传递。同时，数据采集机构5上还设置有显示屏52，可以采用OLED显示屏，方便现场操作人员实时获取测量数据。数据采集机构5还内设有存储芯片W25Q64，用于保存系统参数以及备份采集的传感器数据。需要说明的是，本实施例中的各种传感器以及数据采集机构5的芯片、处理器等电子元件都可以采用其他型号，此处不作为限制。数据采集机构5的电源部分可以采用LM2576T-12和AMS117-3.3芯片设计的外部供电电路，数据采集机构5主要完成对压力传感器21、回液流量计23、基质参数、回液参数的采集，其中对于回液流量计23的值为实时采集，对于其它传感器的值为周期采集。
[0059] 更进一步地，还包括无线传输组件，数据采集机构5电连接于无线传输组件，无线传输组件用于将数据采集机构5采集的参数信号传输至远端服务器7。具体地，数据采集机构5的无线传输组件可以选用安美通科技公司的APC340模块，通过天线51、采用Lora扩频调制方式，采用透明传输方式，实现一对一和一对多的组网通信；还可以设置BM71蓝牙模块，用于现场使用，在工作现场通过手机8上的应用程序可方便查看相关的数据信息。
[0060] 更进一步地，考虑到顶部称重机构1接线不方便，因此可以在顶部称重机构1内设置一个数据采集板，数据采集板上集成无线通信模块，以将数据发送给数据采集机构5或者服务器7或者手机8。该数据采集板只采集拉力传感器11的测量值。电源部分采用TPS61221芯片设计的干电池供电电路，整个顶部称重机构1没有外部连线，可以灵活使用。数据采集板采用两节容量为2500mAh的碱性电池供电，采样间隔为5分钟，工作时间可达120天以上，能够实现植物9整个生长周期的监测。更具体地，顶部称重机构1的数量可以根据植物9的数量进行选择，可以每个植物9单独安装一个顶部称重机构1，也可以多个植物9共用一个顶部称重机构1。
[0061] 系统开始工作后，数据采集机构5对系统硬件进行初始化设置，配置相应外设的工作模式，并从FLASH中读取系统参数(包括传感器的线性系数、系统零点、采样间隔等)，准备工作完成后进入主程序。数据采集机构5在主程序中定期采集传感器的值，采集到的数据通过OLED屏幕显示，并存储到FLASH中。顶部称重机构1内设的数据采集板执行完主程序后进入低功耗模式，根据采样周期定期通过中断唤醒完成数据采集。数据采集机构5执行完主程序后进行采样间隔大小的延时，可通过外部中断来实时测量回液流量计23的流量。
[0062] 此外，数据采集机构5还设置有数据滤除模块，对于温室常规农事操作(灌溉、打叶、采摘、测量)进行自动过滤，剔除异常数据，避免农事操作对监测系统的数据计算产生干扰。具体地，可以通过设定前后两次采集重量的波动范围来实现的，数据滤除模块在每次采集重量后会对前后两次重量值作差，根据重量差值的正负与大小与设定的各项滤除阈值作比较自动进行滤除。利用针对常规农事操作的滤除，可以提升系统监测的准确性，为基质栽培作物的设施调控提高可靠的数据支持。
[0063] 如图1所示，本发明实施例还提供一种基质栽培监测系统，包括至少一个如上述的基质栽培监测装置，还包括网关6，每个基质栽培监测装置的无线传输组件均与网关6通信连接。
[0064] 具体地，网关6可以采用GPRS网关模块，可以选用北京农业智能装备技术研究中心的EP300-GPRS，采集节点经无线传输组件与GPRS网关通信，将数据传输到服务器7进行储存，因而终端电脑或者手机8配合相应的软件也可以实时查看相关数据信息。
[0065] 本系统利用无线传输组件和网关6，构建了多点式植物生长全方位监测网络，系统集成了低功耗广域网技术，具有功耗低，传输距离远等特点。通过Lora星型网将拉力传感器11、压力传感器21和基质参数传感器、回液参数传感器等不同设备接入平台，可以方便的在远程实时监控。实现了低功耗广域网温室基质栽培的高通量监测平台搭建。数据采集板还集成了蓝牙模块，用户在现场也可直接方便地在手机端查看相应的数据记录。
[0066] 本发明实施例还提供一种利用上述基质栽培监测装置的监测方法，包括：
[0067] 基于基质初次灌水饱和时的重量和每次灌溉结束后基质达到稳定饱和状态时的重量，计算植物的下部鲜重；
[0068] 基于下部鲜重和基质的实时重量，计算基质的含水量。
[0069] 具体地，首先，下部鲜重的计算通过每次灌溉结束后基质达到稳定饱和状态时与最初基质饱和重量的差值求得，计算公式如下：
[0070] WDOWN＝WIS-WS
[0071] 式中WDOWN表示植物的下部鲜重；
[0072] WIS表示灌溉结束后基质达到稳定饱和状态时的重量，即灌溉后回液全部排出后压力传感器21采集到的重量；
[0073] WS表示基质灌水饱和时的重量，即基质在种植植物9之前的灌水饱和时的重量。
[0074] 然后，基质含水量的计算(此处基质含水量为质量含水量)可通过基质干重、基质饱和重、基质实时重量以及下部鲜重计算求得。计算公式如下：
[0075]
[0076] 式中V表示基质含水量；
[0077] WC表示基质实时的重量；
[0078] WD表示基质的干重；
[0079] WDOWN表示植物下部鲜重；
[0080] WS表示基质灌水饱和时的重量。
[0081] 进一步地，基质栽培监测方法还可以计算出植物9的整体鲜重、生长速率、蒸散速率、水分利用效率和回液率，并且还可以确定灌溉策略。
[0082] 具体地，首先，为了计算植物的生长量，需要明确植物鲜重的变化部分。该装置通过上部鲜重和下部鲜重两个部分求得植物的鲜重变化量。上部鲜重可通过装置上部的拉力传感器的重量变化求得，计算公式如下：
[0083] WUP＝PWT2-PWT1
[0084] 式中WUP表示植物的上部鲜重；
[0085] PWT1表示T1时刻植物上部的拉力传感器11采集的重量；
[0086] PWT2表示T2时刻植物上部的拉力传感器11采集的重量。
[0087] 因此，植物9的鲜重WP为：
[0088] WP＝WUP+WDOWN
[0089] 然后，基于上部鲜重与下部鲜重，计算植物9的生长速率。生长速率可通过单位时间间隔内求得的植物9的上部鲜重差以及植物9的下部鲜重的差值求得，计算公式如下：
[0090]
[0091] 式中GrowthRate表示植物的生长速率；
[0092] WPT1表示T1时刻植物的鲜重；
[0093] WPT2表示T2时刻植物的鲜重。
[0094] 接着，基于压力传感器21检测的重量变化和回液流量计23检测的流量变化，计算植物的蒸散量。蒸散速率为瞬时蒸散速率和日蒸散速率，可以通过单位时间内重量的变化计算系统的蒸散量。具体计算公式如下：
[0095]
[0096] 式中ETRate表示植物的蒸散速率；
[0097] BWT1表示T1时刻基质的重量值；
[0098] BWT2表示T2时刻基质的重量值；
[0099] Drain表示T1至T2期间回液流量计23采集的累积回液量。
[0100] 然后，基于植物的生长速率和植物的蒸散量，计算水分利用效率。水分利用效率为单位时间内植物生长量与蒸散量的比值，计算公式如下：
[0101]
[0102] 式中WUE表示水分利用率；
[0103] Growth表示植物的生长量；
[0104] ET表示植物的蒸散量。
[0105] 此外，还可以计算回液率，回液率表示每次灌溉操作结束后，回液量占总灌溉量的比率。计算公式如下：
[0106]
[0107] 式中DrainRate表示回液率；
[0108] D表示每次灌溉结束后的回液流量计23采集的累积回液量；
[0109] I表示每次灌溉的量。
[0110] 最后，基于回液参数、基质参数和水分利用效率，可以计算灌溉量。基质中水分和养分是植物生长的必须条件，通过对回液参数的监测可以确定基质中盐分、有机含量等信息，了解植物对养分的吸收利用情况，确立下次的灌溉量与养分比例。为了避免基质中盐分的积累，每次灌溉需要淋洗基质，确保20-30％的回液量，按30％灌溉参考量的计算公式如下：
[0111] IREF＝(WS-WC+WDOWN)*1.3
[0112] 式中IREF表示参考灌水量。
[0113] 通过以上实施例可以看出，本发明提供的基质栽培监测装置、系统及方法，其中基质栽培监测装置包括顶部称重机构和底部称重机构，顶部称重机构包括拉力传感器，通过拉力传感器可以悬吊测量植物的上部重量；底部称重机构包括压力传感器和压设于压力传感器上的回液收集槽，通过压力传感器可以实时采集基质的重量变化，通过回液收集槽可以收集基质栽培槽渗漏的回液，然后在每次灌溉结束后集中排液，便于称量和计算。该基质栽培监测装置结构简单、使用方便，通过称重方式实现基质含水量以及作物生理生长参数的准确测量，全方位地了解植物体内的水分子运动，研究植物在整个生长阶段的耗水规律，能够满足无土栽培槽以及多盆盆栽等不同的设施应用场景需求，为设施水肥管理提供决策依据，实现根据基质状态、作物状态、营养状态的水肥管理。还可以根据重量变化信息自动辨识灌溉操作的开始与结束，并计算灌溉量与灌溉次数，实时更新基质含水量的变化与灌溉周期之间基质的回液率。
[0114] 进一步地，通过结构优化，能够实现基质栽培模式下植物生长信息的全方位采集，基于多传感器技术并结合相应的算法能够在对作物无入侵的前提下完成对植物生理参数的计算，实现植物生理的在线监测，提高设施调控水平，填补我国在基质栽培作物灌溉决策设备方面的空白，缩减设备成本。可以对常规农事操作实现自动过滤异常数据，提升系统监测的准确性，为基质栽培作物的设施调控提高可靠的数据支持。通过对基质含水量和回液率的监测可以确立合理的灌溉点与灌溉量，建立合理的灌溉决策，提高资源的有效利用率。通过低功耗广域网技术构建一体式的高通量植物生长监测平台，可以实现温室群体作物的多点在线监测。数据采集装置自动完成信息采集，并实时上传至服务器端，用户可以方便的远程查看植物的生长信息，结合相应的水肥设备完成远程调控。大大减少了现场的工作量，实现基质栽培模式下作物生长的自动调控，节省人力成本，综合提高效益。
[0115] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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