ENVIdata-P植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
1 背景
莖流、葉溫、莖粗變化等是植物的重要生理指標，而光照、土壤濕度、空氣溫濕度、二氧化碳是影響重要指標的關鍵環(huán)境因子。樹木液流的日變化呈單峰格型，不同胸徑樹木的液流日變化格型有很大差異，前人對液流和樹形的研究有些僅著眼于液流瞬時值水平，缺少對液流整體格局特征的認識，也有用樹形分級的方法對液流和樹形關系進行探討，但該方法存在尺度擴展過程中容易引起誤差的缺點。
當根系吸水充足時莖干膨脹，虧缺時莖干收縮。因而可以用莖直徑變化反應植株體內水分狀況變化。
該系統(tǒng)通過莖流大小測試植株的耗水量，通過葉溫預報植物需水量，利用植物器官（莖、葉、果實等）體積微變化動態(tài)反應植物體內水分狀況，廣泛用于植物水分利用、水量平衡、能量平衡、灌溉等研究領域。


2 系統(tǒng)工作原理及特點
ENVIdata-P 植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、莖流傳感器、冠層葉溫傳感器、作物莖桿變化或樹木生長傳感器、二氧化碳及氣象傳感器組成。按用戶設定的測量間隔定時、自動測量莖流、葉溫和生長參數(shù)。
該系統(tǒng)通過Internet傳輸數(shù)據(jù)，用戶無需到測點下載數(shù)據(jù)，只要能上網(wǎng)，可隨時查看系統(tǒng)運行情況、下載和歷史數(shù)據(jù)。
3 傳感器
3.1 Dynamax莖流傳感器
應用熱擴散原理，測量不同樹種的莖流量。該原理能夠實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測莖流，并且受環(huán)境因素的干擾相對小。探頭適用于直徑75mm以上的樹干，安裝容易，可以重復使用。TDP-30和TDP-50每個探頭占用一個單端模擬通道，TDP-80每個探頭占用兩個單端模擬通道。安裝工具隨探頭提供。

探頭應用熱平衡原理，多種尺寸系列可以適于安裝在直徑2.1至175mm的草本或木本植物莖干上。該探頭無需校正，不用穿刺到樹干中。每個探頭占用3個單端模擬通道。探頭所需的安裝附件隨探頭提供。
系統(tǒng)配有電壓調節(jié)器為探頭供電，可以同時輸出兩種不同的電壓，功率能夠滿足所有探頭的耗電量。

SF1包裹式莖流傳感器：導出以g/h為單位的莖流量；
傳感器類型	示例產(chǎn)品	莖桿直徑范圍（mm）	高度（mm）	加熱器電壓	功耗（W）	包裹范圍（名義上直徑）
微傳感器	D\SGA3	2.7 ~ 4.0	35	2.3	0.05	2、3、5
莖桿傳感器	D\SGA13	12 ~ 16	70	4.0	0.15	9、10、13、16、19、25
樹干傳感器	D\SGB50	45 ~ 65	305	6.0	1.4	35、50、70、100
數(shù)據(jù)采集器輸入（每個傳感器）：3DIF通道（全量程<><>
SV1 TDP莖流速傳感器：導出以cm/h為單位的莖流速；
傳感器類型	針長/直徑(mm)	樹干直徑范圍（mm）	垂直空間	加熱器電壓	功耗（W）	樣品木質部厚度
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	超過180	40mm	7.5	0.5	> 80 mm
數(shù)據(jù)采集器輸入（每個傳感器）：1DIF通道（全量程<>
*澳作研發(fā)的通道擴展板：功能*，精度高（與進口數(shù)據(jù)采集器精度相同），可接多路傳感器（數(shù)量不受限制）。
*多路電源供應：使用可調式電壓調節(jié)分配器，針對不同傳感器輸出不同范圍電壓

3.2 Ecomatic探針式莖流傳感器
SF-G探針式莖流傳感器工作原理：將兩個探針插入樹干，給處于上部的探針用恒定能量加熱，上下二個探針之間的溫度差反應樹干中的莖流速率，用經(jīng)驗公式換算成莖流速率。
SF-L探針式莖流傳感器，采用技術的4根探針來測量樹干的莖流，可以連續(xù)測量樹干縱向溫度變化，用來修正測量數(shù)據(jù)。這樣大大提高了測量精度，保證零液流的的穩(wěn)定。

	SF-G	SF-L
探針數(shù)量	2	4
探針直徑	1.5 mm
探針長度	33、43、63mm
電纜長度	標準5米，可延長到20米
適合樹干直徑	>2cm	>15cm
電源	CCS， 1個CCS可供應1到3傳感器
耗電	1W（12V×84 mA）
輸出	0~1000 µV
夜間測量	不可以（夜間莖流人為的假設為零）	可以
說明	SF-G型樹干縱向溫度變化（+/-2.5°C）和測量結果疊加，導致測量錯誤可能超過100％

3.2 紅外測溫傳感器
紅外測溫傳感器是基于斯特藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）
特點：測量植物冠層、土壤、水面等溫度
技術指標：
測量范圍：-40~70℃
精度：-10~65℃,±0.2℃
-40~70℃,±0.5℃

工作溫度：-55~80℃ 0~ RH

3.3葉溫傳感器
采用微型接觸探頭測量葉片的溫度。輕質不銹鋼線夾上裝有高精度玻璃封裝熱敏電阻，其直徑約為1毫米。探頭體積小特殊設計帶來了的測量準確性。熱敏電阻通過一根0.15毫米的導線連接到夾子上以減少熱傳導和響應時間。即便在潮濕的操作條件下所有的導體都防腐蝕。
測量范圍： 0~50℃
精度：<>

3.4 莖粗微變化傳感器:
樹木生長應變傳感器用于連續(xù)、高精度、自動測量樹木的周長變化。體積小、重量輕，可輕松安裝在樹干上，對樹皮或樹木的生長沒有任何損害。
整個傳感器象帶子一樣纏繞樹木，用彈簧定位。樹木尺寸的變化直接傳遞到傳感器,瞬時記錄樹木對環(huán)境影響的反應、樹皮的膨脹、導管水位或細胞分裂等。
樹木尺寸變化通過帶子傳遞到傳感器，在應變傳感器中轉換成電阻信號。帶子受溫度影響很小。帶子和樹皮間有一個特富龍層，減少帶子的摩擦力，同時確保帶子不受結冰、樹脂或結疤的影響。
SD-5M(5L), 測量范圍0~5mm，適用范圍5~25mm；分辨率：0.002mm
SD-6M(6L)，測量范圍0~5mm，適用范圍20~70mm；分辨率：0.002mm

3.5 果實生長傳感器
位移傳感器用于直徑為7至160毫米的三個范圍內完整圓形水果的大小和生長速度記錄。
測量范圍0~10mm;分辨率分別為0.065,0.038,0.019mm;輸出0-2VDC
適用范圍30~160 mm,15~90 mm,7~45 mm(與上述分辨率對應) 操作溫度 0 ~50°С

3.6 SA植物生長計
將植物生長產(chǎn)生的形變轉換為電信號并測量
測量范圍 0~2000 mm
線性輸出范圍 0 to 2 Vdc（2v對應333.33 mm）
分辨率 0.1mm

3.7 樹木胸徑變化傳感器
測量樹木直徑范圍：>3cm，上限無限制
測量范圍：0-50mm，可重置
分辨率：5um
精度：±1%
溫度漂移：<4μm>

3.8 葉片濕度傳感器
LWS-2z葉片濕度傳感器，給出葉片干濕狀態(tài)

采用單光速雙波長NDIR測量原理，精度高*穩(wěn)定性好 測量范圍0 ... 1000、2000、3000、4000、5000 ppm, 0 ... 2 % 精度 0 ~ 1000 ppm ±(3 ppm + 1 %讀數(shù)) 0 ~2000 ppm - 0 ~2 %* ±(5 ppm + 2 %讀數(shù)) 工作溫度-40~60 °C

3.9 GMP343二氧化碳測量


3.10 土壤水分探頭
TRIME—PICO64/32土壤水分、溫度、電導率傳感器
水分測量范圍0—、測量精度：±2%、
測量重復精度：±0.2%；
電導率測量范圍：ECw 0...>20dS/m、測量體積: 1dm3
溫度測量范圍：-15℃…50℃ ， 測量精度：±0.2℃

3.11 Thies多參數(shù)氣象傳感器
結構功能

技術參數(shù)：
風速：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
風向：量程：0~360°；分辨率：1°；精度：±2° @ WG > 2 m/s
空氣溫度（超聲波測量）：量程：-30~70°C；分辨率：0.1°C；精度：±0.5°C
空氣溫度：量程：-30 ~70°C；分辨率：0.01°C；精度：±0.5°C
空氣濕度：量程：0 ~；分辨率：0.1%；精度：±3%（10~90%）
氣壓：量程：300 ~1100hPa；分辨率：0.01hPa；精度：±0.5hPa（20°C）
光照強度：量程：0~150kLux；分辨率：30Lux；精度：±3%的測量值，3 Lux每分鐘
降雨量：量程：0~10mm每分鐘；分辨率：0.01mm


3.12 Ecomatic 植物生態(tài)監(jiān)測傳感器
DC樹干周長生長變化傳感器

	DC1	DC2		DC3	DC4
適用于樹干直徑	>5厘米
測量范圍	11毫米	15毫米		25毫米		50毫米
復調測量范圍	5~30厘米	無限
精度	±2微米±0.12%（視數(shù)據(jù)采集器）			±3.3微米±0.12%（視數(shù)據(jù)采集器）
分辨率	<>
線性系數(shù)	1%	2%		0.7%
溫度系數(shù)	<0.1微米>
鋼絲繩熱膨脹系數(shù)	<1.4 ×="">
工作環(huán)境	空氣溫度：-30~+40℃，空氣濕度：0~
電纜長度	標準2米大可延長100米
鋼絲繩長度	標準1米，可延長

DD系列直徑生長變化傳感器

	DD-L1	DD-L2	DD-S1（DD-S2）	DDW（防水）
適用于樹桿直徑	3~30厘米		<>	3~20厘米
測量范圍	11毫米	25毫米	11毫米
復調測量范圍	3~30厘米		0~5厘米	3~20厘米
精度	±2微米±0.12%（視數(shù)據(jù)采集器）
分辨率	<>
線性系數(shù)	1%
溫度系數(shù)	<0.1微米>
工作環(huán)境	空氣溫度：-30~+40℃，空氣濕度：0~
電纜長度	標準2米，大可延長100米
說明	DD-S2型具有兩個直徑為0至2.2厘米和1.8至5厘米的快速安裝架； DDW型，防水設計，適用于、潮濕的條件下，如海岸、雪下、土壤表面附近

DR樹干半徑生長變化傳感器

	DR1	DR2	DRW（防水）
適用于樹干直徑	>8厘米
測量范圍	11毫米	25毫米	11毫米
復調測量范圍	無限
精度	±2微米±0.12%（視數(shù)據(jù)采集器）
分辨率	<>
線性系數(shù)	1%
溫度系數(shù)	<0.1微米>
工作環(huán)境	空氣溫度：-30~+40℃，空氣濕度：0~
電纜長度	標準2米，大可延長100米
說明	DRW型，防水設計，適用于、潮濕的條件下，如海岸、雪下、土壤表面附近

DV莖稈縱向變化傳感器

適用于樹干直徑	>8厘米
測量范圍	11毫米
復調測量范圍	無限
精度	±2微米±0.12%（視數(shù)據(jù)采集器）
分辨率	<>
線性系數(shù)	1%
溫度系數(shù)	<0.1微米>
鋼絲繩熱膨脹系數(shù)	<1.4 ×="">
工作環(huán)境	空氣溫度：-30~+40℃，空氣濕度：0~
電纜長度	標準2米，大可延長100米
鋼絲繩長度	標準1米，可延長
圖示

DF果實生長變化傳感器

	DF1	DF2	DF3
適用于果實直徑	0~11厘米（可擴大）
測量范圍	15毫米	25毫米	50毫米
復調測量范圍	0~11厘米
精度	±2微米±0.12%（視數(shù)據(jù)采集器）
分辨率	<>
線性系數(shù)	2%
溫度系數(shù)	<0.1微米>
工作環(huán)境	空氣溫度：-30~+40℃，空氣濕度：0~
電纜長度	標準2米，大可延長100米
圖示

DRO根系/水下植物直徑生長變化傳感器

適用于根直徑范圍	0~20毫米	圖示
測量范圍	11毫米
分辨率	0.1~2.6微米（視數(shù)據(jù)采集器）
精度	±0.12%~±1%（視數(shù)據(jù)采集器）
溫度系數(shù)	<>
線性系數(shù)	<>
使用環(huán)境	防水，土壤中、水下或雪中
工作溫度	-30~+40℃
工作濕度	0~ RH
供電	無需額外的電源適配器
材質	不銹鋼和鋁
電纜長度	標準2米，大可延長到100米

3.13在線葉綠素熒光監(jiān)測
葉綠素熒光是反應植物光合作用等生理功能的重要指標之一。通過分析植物葉綠素熒光參數(shù)，可以直接反應植物的光合能力、脅迫狀況等重要的生理狀態(tài)。
測量參數(shù)：
1）光適應測量參數(shù)：Y(II)、 ETR、PAR、T、F_MS、F
2）暗適應測量參數(shù)：F_V/F_M、F_V/F_O、Fo、F_M、F_V、F_O’、 F_O’
3）淬滅參數(shù)
Hendrickson參數(shù)：Y(NPQ), Y(NO), Y(II), NPQ, F_V/F_M
Kramer參數(shù)：q_L, Y(NPQ), Y(NO), Y(II), F_V/F_M
Kramer new：NPQ(T), q_E(T), & q_I(T) （近紅色光源）
Puddle參數(shù)：NPQ, qN，qP,Y(II), FV/FM
淬滅弛豫（可選）：q_E、q_M、q_T、q_Z和q_I
Ruban/ Murchie 參數(shù)：pNPQ & qPd
4）快速光曲線：rETR_MAX、α、Ik、Im
5）光源：
藍色飽和脈沖LED： FM’校正時7000 μmols/m²/s²、 具有方形頂部脈沖的10000 μmols/m²/s²
可選紅色飽和脈沖LED： FM’校正時7000 μmols/m²/s²、具有方形頂部脈沖的10000 μmols/m²/s²
調制光源：Blue 455nm – 半波寬18nm的455nm藍色光源、 可選的半波寬18nm的640nm紅色光源
光化光源：藍色，可達1800 μmols/m²/s²、紅色可選，可達1800 μmols/m²/s²
遠紅光源：暗適應葉夾可選項，用于Fo’測量或者暗適應前的預照射。
檢測方法：脈沖調制式
檢測器&濾波器：具有700 ~ 750帶通濾波器的PIN光電二極管
采樣速率：1~10000點每秒，根據(jù)不同測量自動選擇
6）可同時監(jiān)測多組樣品，如3-7組

4、數(shù)據(jù)采集器
DT系列數(shù)據(jù)采集器是一款堅固、獨立、低能耗的數(shù)據(jù)采集器，具有支持U盤、18位分辨率、通訊性能可擴展及內嵌顯示屏等特性。DT80的雙通道隔離概念可同時使用多達10個隔離或15個共用參考模擬輸入，配置擴展模塊后多可通道可擴展至600個。
DT系列數(shù)據(jù)支持SDI-12傳感器組網(wǎng)，支持SCADA系統(tǒng)的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V電源為傳感器供電。工作溫度低可達-45℃。
數(shù)據(jù)采集器技術指標：
大掃描速率：25Hz
處理器：采用18位A/D轉換器,精度±0.025%
存儲：128Mb可無限擴展，內存可存儲130,000個讀數(shù)，可使用PC卡或閃存可（可存儲65,000個讀數(shù)）
U盤存儲：兼容USB1.1或USB2.0驅動，每兆約90,000采集數(shù)字點
LCD液晶顯示，2線16字母的LCD液晶顯示和6個按鍵用于查看通道及數(shù)采狀態(tài)和功能執(zhí)行
通訊：RS232、USB、以太網(wǎng)等
采樣間隔：10ms至天，可自定義
輸出值種類：平均值, 大值, 小值, 取樣值 (Sample), 向量值, 累計值 ( Totalize )等
工作溫度范圍-45~70℃
時鐘精準度：約±1分鐘/年0-40℃；約±4分鐘/年-40-70℃
供電電壓：10~30VDC
工作濕度85%（無水汽凝結）
DT80：
模擬輸入：15個單端通道（10個差分）
脈沖通道：12個
數(shù)字I/O口：8個
SDI12口：4個
DT82E：
模擬輸入：6個單端通道（4個差分）
脈沖通道：8個
數(shù)字I/O口：4個
SDI12:1個
RS232:1個
DT82I：
模擬輸入：6個單端通道（4個差分）
脈沖通道：8個
數(shù)字I/O口：4個
RS232:1個
RS485/422/232:1個
DT85：
模擬輸入：48個單端通道（32個差分）
脈沖通道：15個
數(shù)字I/O口：8個
RS232/422/485:1個
RS232:1個

5、支架
兩種支架可供選擇，三角支架（圖一）和十字底座支架（圖二）
建議根據(jù)場地條件選擇：

1. 三角支架，整體比較大氣、平穩(wěn)，適合安裝在平整的場地中，整體高度約2.3米；
2. 十字底座支架，占地范圍更小，適宜安裝在林地或有坡度的場地中。

6、ENVIdata數(shù)據(jù)傳輸和管理
該系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)傳送到中國生態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)站上，通過對監(jiān)測的生態(tài)環(huán)境因子的時序變化和相關性分析，確定監(jiān)測對象的狀態(tài)發(fā)展。
ENVIdata 服務器軟件既可以作為獨立的應用軟件，運行在用戶的服務器上；也可以運行在澳作公司安全的服務器上，為多個用戶提供數(shù)據(jù)接收服務，同時幫助用戶監(jiān)控野外測點硬件系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
澳作公司ENVIdata系列生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是業(yè)內成功獲得 ISO9001質量體系認證，于2010年獲得 ISO9001 質量認證書，至今全部通過專家的年度復核，確保系統(tǒng)集成的品質
用戶采用用戶名和密碼登陸，只要能上網(wǎng)，就能瀏覽實時和歷史數(shù)據(jù)
特點：
1） 生態(tài)環(huán)境信息以各種時間間隔 （分鐘、每小時、每天）發(fā)送到網(wǎng)站上。
2） 用戶只要能上網(wǎng)，既可瀏覽實時數(shù)據(jù)。
3） 中心服務器中文界面，便于操作和管理
4） 提供多參數(shù)、實時或歷史數(shù)據(jù)曲線圖


ENVIdata 數(shù)據(jù)服務平臺已為國內的客戶服務多年，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

應用案例
中科院懷來實驗基地，ENVIdata-P植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時測量松林小氣候，監(jiān)測參數(shù)包括2米風速，風向，光合有效輻射，空氣溫濕度，1.5米風速風向及空氣溫濕度。3個包裹莖流傳感器分別安裝在兩顆樣松的陽面和陰面來對比觀察不同光照下柏油松的蒸騰速率。搭配紅外葉面溫度傳感器組成一套完整的松林小氣候及植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對于研究松林成長的環(huán)境因子提供了科學的數(shù)據(jù)保證。輔助客戶完成科學有效的松林生態(tài)環(huán)境研究。

現(xiàn)場照片


上圖為3米及1米風速數(shù)據(jù)日變化曲線圖，從圖中看兩個傳感器一致性良好