申请/专利权人：福建农林大学

申请日：2018-12-21

公开（公告）日：2024-05-10

公开（公告）号：CN109429768B

主分类号：A01G7/00

分类号：A01G7/00;A01G7/04;A01G9/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.10#授权;2019.04.02#实质审查的生效;2019.03.08#公开

摘要：本发明提出一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，包括PLC、拍摄装置、光照控制装置和竖向设置的土壤模拟板；土壤模拟板内竖向设置填充有土壤的营养层；营养层的一个竖面为培育面；培育面与观察窗紧邻；所述光照控制装置包括三基色LED灯和光照传感器，三基色LED灯、光照传感器设于土壤模拟板上方，光照传感器与土壤模拟板所培育的试验植物相邻，所述PLC内贮有试验方案所需的光照值，当进行观察试验时，PLC根据光照传感器测得的光强数据对三基色LED灯的发光状态进行调整，使试验植物所受光照达到试验所需的光照值；拍摄装置通过观察窗对培育面处的根系生长情况进行拍摄记录；本发明能集光照检测和根系表型观测于一体以进行集中研究。

主权项：1.一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，用于植物根系培养的观察试验，其特征在于：所述培养及探测装置包括PLC、拍摄装置、光照控制装置和竖向设置的土壤模拟板；所述土壤模拟板内竖向设置填充有土壤的营养层；营养层的一个竖面以生物膜覆盖形成可供植物种子根系生长的培育面，所述培育面处的生物膜以两层不锈钢网夹持并贴置于营养层的土壤上；所述培育面与竖向的观察窗紧邻；所述土壤模拟板数量为三块以上；多块土壤模块板设于同个安装面上且连接为一个多边形柱，多边形柱各侧壁的土壤连为一体；所述多边形柱中空且多边形柱的柱壁包括土壤模拟板；土壤模拟板处设有用于调节培育面与观察窗间距的调距结构；当进行观察试验时，把种子放置在生物膜和观察板之间形成薄板形的培育环境；植物根系生长时，所述调距结构对培育面与观察窗间距进行调节使之与植物根茎生长情况相适应，培育面与观察窗间距的调节范围为5~10mm；所述光照控制装置包括三基色LED灯和光照传感器，所述三基色LED灯、光照传感器设于土壤模拟板上方，光照传感器与土壤模拟板所培育的试验植物相邻；所述光照控制装置、多边形柱和拍摄装置均置于同一个试验箱体内；试验箱以水平设置的隔板分为上腔和下腔；所述光照控制装置设于上腔内；所述多边形柱设于下腔处且多边形柱的上端与隔板相接以接收光照；所述下腔处设有朝向多边形柱侧壁的拍摄门；所述拍摄装置在需要进行拍摄时放于拍摄门处朝向多边形柱侧壁拍摄；所述试验箱体的底板处设有旋转台；所述多边形柱置于旋转台上；所述PLC内贮有植物根系培养观察试验方案所需的光照值，当进行观察试验时，所述PLC根据光照传感器测得的光强数据对三基色LED灯的发光状态进行调整，使试验植物所受光照达到试验所需的光照值；所述拍摄装置通过观察窗对培育面处的根系生长情况进行拍摄记录。

全文数据：一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置技术领域本发明涉及试验器械技术领域，尤其是一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置。背景技术当前国际上流行采用一种核磁共振（MIR）和X光扫描技术在近年被应用于一些植物根系的表型观测，但由于其造价昂贵和可操作性不高而没有被广泛接受。今年，波兰科学家以玻璃珠为生长介质，借助图像识别和拼接技术，成功开发出针对燕麦的根系表型自动观测系统，然而由于水稻的根系与燕麦相比过于庞杂，该项技术无法应用于水稻。现有设备大都单一研究光照或根系中的一种，缺少一种将其集中一起研究的装备，以减少设备个数。因此，如果能开发一种装置，集光照检测和根系表型观测于一体的系统，这是作物遗传育种未来的趋势和重点，是造福人类的大事。发明内容本发明提出一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，能集光照检测和根系表型观测于一体以进行集中研究。本发明采用以下技术方案。一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，用于植物根系培养的观察试验，所述培养及探测装置包括PLC、拍摄装置、光照控制装置和竖向设置的土壤模拟板；所述土壤模拟板内竖向设置填充有土壤的营养层；营养层的一个竖面以生物膜覆盖形成可供植物种子根系生长的培育面；所述培育面与竖向的观察窗紧邻；所述光照控制装置包括三基色LED灯和光照传感器，所述三基色LED灯、光照传感器设于土壤模拟板上方，光照传感器与土壤模拟板所培育的试验植物相邻，所述PLC内贮有植物根系培养观察试验方案所需的光照值，当进行观察试验时，所述PLC根据光照传感器测得的光强数据对三基色LED灯的发光状态进行调整，使试验植物所受光照达到试验所需的光照值；所述拍摄装置通过观察窗对培育面处的根系生长情况进行拍摄记录。所述土壤模拟板数量为三块以上；多块土壤模块板设于同个安装面上且连接为一个多边形柱，多边形柱各侧壁的土壤连为一体。所述多边形柱中空且多边形柱的柱壁包括土壤模拟板；土壤模拟板处设有用于调节培育面与观察窗间距的调距结构；当进行观察试验时，植物种子播种于多边形柱侧壁的土壤模拟板的营养层顶部；植物根系生长时，所述调距结构对培育面与观察窗间距进行调节使之与植物根茎生长情况相适应。所述光照控制装置、多边形柱和拍摄装置均置于同一个试验箱体内；试验箱以水平设置的隔板分为上腔和下腔；所述光照控制装置设于上腔内；所述多边形柱设于下腔处且多边形柱的上端与隔板相接以接收光照；所述下腔处设有朝向多边形柱侧壁的拍摄门；所述拍摄装置在需要进行拍摄时放于拍摄门处朝向多边形柱侧壁拍摄。所述试验箱体的底板处设有旋转台；所述多边形柱置于旋转台上；所述试验箱的箱壳可设置为全遮光结构。所述下腔处设有一个拍摄门；当对根系生长情况进行拍摄时，所述旋转台旋转使多边形柱的各个侧壁逐个到达拍摄门处。所述培养及探测装置的PLC设有可进行光照参数配比的HMI人机界面；所述光照参数包括光照强度、光照时间、RGB光比重；当光照参数设定完成并开启LED灯后，PLC通过光照传感器检测当前环境下的光照强度，并与植物根系培养观察试验方案所需的光照值进行对比，当光照强度不符合需要时，PLC调整LED灯的打开数量，并对LED灯的亮度进行PWM脉宽调节，使试验箱上腔的光环境达到设定的光照强度和光源配比；所述PLC还贮有试验方案所需的光照时间，PLC根据试验方案所需的光照时间控制LED灯的光照时间；在植物根系培养观察试验中，PLC对光环境相关的检测数据和控制数据进行自动保存。所述HMI人机界面设有可直接进行RGB比例设置、RGB光照时间设置的交互界面，还设有可进行相应光源比例配置、光照时间及强度参数设置的光强设置界面；所述HMI人机界面设有自动按钮、手动按钮和数据保存按钮，当自动按钮被触发后，光照控制装置启动后按照预设定的参数自动进行相应输出；所述HMI人机界面还设有实时光照强度显示界面以便于对实时光照强度数据进行观察和对比。所述多边形柱为长方形柱；培育面与观察窗间距的调节范围为5~10mm，所述调距结构设于长方形柱的四个竖边处，调距结构设有四个调节档位。所述观察窗为土壤模拟板的外侧的透明壁板；所述培育面处的生物膜以两层不锈钢网夹持并贴置于营养层的土壤上。本发明的技术优势在于：1、具有特色光谱及光照参数植物按需培养能力，可以根据不同植物的类型、生长阶段提供不同的光照，从而挖掘光合作用与植物根系整张情况的相互作用关联性；2、可用于模仿土壤状态下植物根系的培养，特别是具有将三维植物根系转变成二维植物根系表型，利于植物根系的观测与研究。同时能满足不同植物根系尺度的要求，适用范围广；3、可使用高清数码相机拍照，用于自动检测根系参数的能力，同时可以利用装置的转位功能，使用一台相机就可以实现四个方位的照相能力；4、利用配套研发的图像自动识别系统，可以实现根系参数的自动检测，为更细研究提供便利。本发明的优点还在于：装置提供的光照环境的灵活性强，可根据需求设置不同颜色的光可单一光，可多光共存，对于光对植物的影响研究减少了设备数目，且为研究提供更多条件，特别是研究光与根系生长之间的关联性研究提供便利和可能，在需要时还可以开启试验箱箱壁来引入外界光照，以研究在不同外界光照环境下最佳的LED补光方案。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：附图1是本发明的整体控制示意图；附图2是本发明的光环境控制流程示意图；附图3是HMI人机界面的示意图；附图4是试验箱的示意图（上腔去除一侧壁；下腔的拍摄门敞开）；附图5是试验箱的另一示意图；附图6是多边形柱置于旋转台上的示意图；附图7是调距结构的示意图；图中：1-上腔；2-土壤模拟板；3-下腔；4-拍摄门；5-旋转台；6-多边形柱；7-三基色LED灯；8-光照传感器；9-隔板；10-观察窗；11-培育面；12-土壤；13-调距结构；14-不锈钢网；15-调节档位；16-植物种子。具体实施方式如图1-7所示，一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，用于植物根系培养的观察试验，所述培养及探测装置包括PLC、拍摄装置、光照控制装置和竖向设置的土壤模拟板2；所述土壤模拟板内竖向设置填充有土壤12的营养层；营养层的一个竖面以生物膜覆盖形成可供植物种子根系生长的培育面11；所述培育面与竖向的观察窗10紧邻；所述光照控制装置包括三基色LED灯7和光照传感器8，所述三基色LED灯、光照传感器设于土壤模拟板上方，光照传感器与土壤模拟板所培育的试验植物相邻，所述PLC内贮有植物根系培养观察试验方案所需的光照值，当进行观察试验时，所述PLC根据光照传感器测得的光强数据对三基色LED灯的发光状态进行调整，使试验植物所受光照达到试验所需的光照值；所述拍摄装置通过观察窗对培育面处的根系生长情况进行拍摄记录。所述土壤模拟板数量为三块以上；多块土壤模块板设于同个安装面上且连接为一个多边形柱6，多边形柱各侧壁的土壤连为一体。所述多边形柱中空且多边形柱的柱壁包括土壤模拟板；土壤模拟板处设有用于调节培育面与观察窗间距的调距结构13；当进行观察试验时，植物种子16播种于多边形柱侧壁的土壤模拟板的营养层顶部；植物根系生长时，所述调距结构对培育面与观察窗间距进行调节使之与植物根茎生长情况相适应。所述光照控制装置、多边形柱和拍摄装置均置于同一个试验箱体内；试验箱以水平设置的隔板9分为上腔1和下腔3；所述光照控制装置设于上腔内；所述多边形柱设于下腔处且多边形柱的上端与隔板相接以接收光照；所述下腔处设有朝向多边形柱侧壁的拍摄门4；所述拍摄装置在需要进行拍摄时放于拍摄门处朝向多边形柱侧壁拍摄。所述试验箱体的底板处设有旋转台5；所述多边形柱置于旋转台上；所述试验箱的箱壳可设置为全遮光结构。所述下腔处设有一个拍摄门；当对根系生长情况进行拍摄时，所述旋转台旋转使多边形柱的各个侧壁逐个到达拍摄门处。所述培养及探测装置的PLC设有可进行光照参数配比的HMI人机界面；所述光照参数包括光照强度、光照时间、RGB光比重；当光照参数设定完成并开启LED灯后，PLC通过光照传感器检测当前环境下的光照强度，并与植物根系培养观察试验方案所需的光照值进行对比，当光照强度不符合需要时，PLC调整LED灯的打开数量，并对LED灯的亮度进行PWM脉宽调节，使试验箱上腔的光环境达到设定的光照强度和光源配比；所述PLC还贮有试验方案所需的光照时间，PLC根据试验方案所需的光照时间控制LED灯的光照时间；在植物根系培养观察试验中，PLC对光环境相关的检测数据和控制数据进行自动保存。所述HMI人机界面设有可直接进行RGB比例设置、RGB光照时间设置的交互界面，还设有可进行相应光源比例配置、光照时间及强度参数设置的光强设置界面；所述HMI人机界面设有自动按钮、手动按钮和数据保存按钮，当自动按钮被触发后，光照控制装置启动后按照预设定的参数自动进行相应输出；所述HMI人机界面还设有实时光照强度显示界面以便于对实时光照强度数据进行观察和对比。所述多边形柱为长方形柱；培育面与观察窗间距的调节范围为5~10mm，所述调距结构设于长方形柱的四个竖边处，调距结构设有四个调节档位15。所述观察窗为土壤模拟板的外侧的透明壁板；所述培育面处的生物膜以两层不锈钢网14夹持并贴置于营养层的土壤上。实施例：为避免土壤过多造成浪费，把种子放置在生物膜和观察板之间形成薄板形的培育环境；种子为便于观察拍照把根的外侧夹板设计成透明板，为实现单机多方位拍摄在箱体底部设计自转装置，自转装置用电机带动。为模拟土壤环境，把下腔处的外壳设计成全遮光外壳，仅以拍照时把拍摄门打开并把拍摄装置放于拍摄门处。当仅以三基色LED灯模拟光照时，把上腔的侧壁门关闭形成为全遮光环境，当需引入外界光来研究在外界环境下的最佳补光方案时，可以把上腔的侧壁门打开，以引入外界环境的光照。

权利要求：1.一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，用于植物根系培养的观察试验，其特征在于：所述培养及探测装置包括PLC、拍摄装置、光照控制装置和竖向设置的土壤模拟板；所述土壤模拟板内竖向设置填充有土壤的营养层；营养层的一个竖面以生物膜覆盖形成可供植物种子根系生长的培育面；所述培育面与竖向的观察窗紧邻；所述光照控制装置包括三基色LED灯和光照传感器，所述三基色LED灯、光照传感器设于土壤模拟板上方，光照传感器与土壤模拟板所培育的试验植物相邻，所述PLC内贮有植物根系培养观察试验方案所需的光照值，当进行观察试验时，所述PLC根据光照传感器测得的光强数据对三基色LED灯的发光状态进行调整，使试验植物所受光照达到试验所需的光照值；所述拍摄装置通过观察窗对培育面处的根系生长情况进行拍摄记录。2.根据权利要求1所述的一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，其特征在于：所述土壤模拟板数量为三块以上；多块土壤模块板设于同个安装面上且连接为一个多边形柱，多边形柱各侧壁的土壤连为一体。3.根据权利要求2所述的一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，其特征在于：所述多边形柱中空且多边形柱的柱壁包括土壤模拟板；土壤模拟板处设有用于调节培育面与观察窗间距的调距结构；当进行观察试验时，植物种子播种于多边形柱侧壁的土壤模拟板的营养层顶部；植物根系生长时，所述调距结构对培育面与观察窗间距进行调节使之与植物根茎生长情况相适应。4.根据权利要求3所述的一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，其特征在于：所述光照控制装置、多边形柱和拍摄装置均置于同一个试验箱体内；试验箱以水平设置的隔板分为上腔和下腔；所述光照控制装置设于上腔内；所述多边形柱设于下腔处且多边形柱的上端与隔板相接以接收光照；所述下腔处设有朝向多边形柱侧壁的拍摄门；所述拍摄装置在需要进行拍摄时放于拍摄门处朝向多边形柱侧壁拍摄。5.根据权利要求4所述的一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，其特征在于：所述试验箱体的底板处设有旋转台；所述多边形柱置于旋转台上；所述试验箱的箱壳可设置为全遮光结构。6.根据权利要求5所述的一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，其特征在于：所述下腔处设有一个拍摄门；当对根系生长情况进行拍摄时，所述旋转台旋转使多边形柱的各个侧壁逐个到达拍摄门处。7.根据权利要求4所述的一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，其特征在于：所述培养及探测装置的PLC设有可进行光照参数配比的HMI人机界面；所述光照参数包括光照强度、光照时间、RGB光比重；当光照参数设定完成并开启LED灯后，PLC通过光照传感器检测当前环境下的光照强度，并与植物根系培养观察试验方案所需的光照值进行对比，当光照强度不符合需要时，PLC调整LED灯的打开数量，并对LED灯的亮度进行PWM脉宽调节，使试验箱上腔的光环境达到设定的光照强度和光源配比；所述PLC还贮有试验方案所需的光照时间，PLC根据试验方案所需的光照时间控制LED灯的光照时间；在植物根系培养观察试验中，PLC对光环境相关的检测数据和控制数据进行自动保存。8.根据权利要求7所述的一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，其特征在于：所述HMI人机界面设有可直接进行RGB比例设置、RGB光照时间设置的交互界面，还设有可进行相应光源比例配置、光照时间及强度参数设置的光强设置界面；所述HMI人机界面设有自动按钮、手动按钮和数据保存按钮，当自动按钮被触发后，光照控制装置启动后按照预设定的参数自动进行相应输出；所述HMI人机界面还设有实时光照强度显示界面以便于对实时光照强度数据进行观察和对比。9.根据权利要求3所述的一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，其特征在于：所述多边形柱为长方形柱；培育面与观察窗间距的调节范围为5~10mm，所述调距结构设于长方形柱的四个竖边处，调距结构设有四个调节档位。10.根据权利要求1所述的一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置，其特征在于：所述观察窗为土壤模拟板的外侧的透明壁板；所述培育面处的生物膜以两层不锈钢网夹持并贴置于营养层的土壤上。

百度查询： 福建农林大学 一种具有特色光照装置的小型植物根系培养及探测装置

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