一种自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统

本发明属于谷物生长状态检测领域，具体涉及一种自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统。

背景技术：

1、随着科技的不断进步，柔性传感器技术在农业领域得到了广泛的应用。这些传感器能够在不损害植物的情况下，实时监测土壤湿度、温度、光照强度以及植物的生长状态，为农业管理提供了重要的数据支持。尽管柔性传感器在农业中的应用潜力巨大，但在自供电和谷物检测方面的研究仍处于初级阶段。目前，许多柔性传感器仍依赖外部电源或电池供电，这不仅增加了设备的维护成本，也限制了其在远程和大面积农业监测中的应用。此外，现有的柔性传感器在谷物检测的具体应用上，也缺乏对谷物元素含量等准确高效的检测方案。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明设计的一种自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，包括摩擦纳米发电机、稳压模块、柔性电子传感器、柔性拉伸传感器、土壤npk传感器、gsm通讯模块；

4、所述的柔性电子传感器设置在谷物的叶片上，分别用于检测谷物叶片中的氮、磷、钾、镁、锌、铁的含量；

5、所述的柔性拉伸传感器、摩擦纳米发电机、稳压模块设置在秸秆上；其中所述的柔性拉伸传感器用于监测谷物茎脉生长长度；

6、所述的土壤npk传感器设置在土壤中，用于检测土壤内氮磷钾的含量；

7、所述的柔性电子传感器、柔性拉伸传感器和土壤npk传感器的串口线连接gsm通讯模块，所述柔性电子传感器、柔性拉伸传感器、土壤npk传感器、gsm通讯模块的电源线连接稳压模块后再连接所述的摩擦纳米发电机；所述的gsm通讯模块挂在谷物的叶片上。

8、作为进一步的技术方案，所述摩擦纳米发电机，由mo2/pdms膜、铝制薄膜、pet胶带组成；所述mo2/pdms膜包括聚二甲基硅氧烷和纳米金属钼，聚二甲基硅氧烷为基底材料，纳米金属钼作为导电材料覆盖在聚二甲基硅氧烷上；所述铝制薄膜作为另一电极；所述pet胶带分为两层，上层粘合mo2/pdms膜，下层粘结铝制薄膜。

9、作为进一步的技术方案，所述柔性拉伸传感器为三层结构，外侧为pdms基底层和聚氨酯保护层；内侧为网状银纳米线导电层和银质电极层；所述电极连接在导电层两端，仅露出接线头。

10、作为进一步的技术方案，所述柔性电子传感器包括六个检测模块，分别是氮检测模块、磷检测模块、钾检测模块、镁检测模块、锌检测模块、铁检测模块；氮检测模块、磷检测模块、钾检测模块、镁检测模块、锌检测模块、铁检测模块通过碳纳米薄膜作为基底粘于谷物叶片与秸秆一侧。

11、作为进一步的技术方案，所述的氮检测模块包括离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极之间设置nh4+交换树脂与掺有重铭酸钾的聚氯乙烯膜。

12、作为进一步的技术方案，所述的磷检测模块包括离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极之间设置po43-交换树脂与掺有钼酸钠的聚氯乙烯膜。

13、作为进一步的技术方案，所述的钾检测模块包括离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极之间设置k+交换树脂与掺有碳酸锂的聚氯乙烯膜。

14、作为进一步的技术方案，所述的镁检测模块包括离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极之间设置mg2+交换树脂与掺有乙二胺四乙酸的聚氯乙烯膜。

15、作为进一步的技术方案，所述的锌检测模块包括离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极（ise）、掺有氯化银的zn2+交换树脂与掺有乙二胺四乙酸的聚氯乙烯膜。

16、作为进一步的技术方案，所述的铁检测模块包括离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极（ise）、掺有氯化银的pvb电极之间设置fe2+交换树脂与掺有吡啶的聚氯乙烯膜。

17、以上所述的一种自供电的谷物生长状态柔性传感器监测方法：

18、在本发明中提出的摩擦纳米发电机通过贴于谷物（例：玉米）秸秆一侧的摩擦纳米发电机中，mo2/pdms和铝制薄膜两种摩擦材料形成电容结构，两材料之间各贴一层pet胶带形成其隔开，且胶带之间可改变间隔，利用风能使玉米秸秆晃动，两种电极端表面周期性的接触分离，由于摩擦起电和静电感应，会在电极上产生电势差，驱动电子向电路流动，为本系统各模块提供电源。在本发明中提出的柔性电子传感器由插针在玉米秸秆上破开一个小口使汁液流出，经过碳纳米薄膜、掺有氯化银的pvb电极后进入树脂与pvc膜，各检测目标离子将会与离子载体结合，并发生交换反应，从而提高后续各离子选择电极（ise）对各目标离子的选择性，再经过微型电化学传感器检测浓度。在本发明中提出的柔性拉伸传感器通过pdms膜贴于秸秆一侧，在生长之后，柔性拉伸传感器随覆盖的秸秆范围增加而被拉伸，内部的银纳米线拉伸变形改变电阻，从而改变电极两端的电压。最后柔性传感器同土壤npk传感器一同将采集数据传输到gsm模块，与最后再通过gsm模块将数据传输给用户端；以实现自供电谷物监测的效果。

19、本发明的有益效果如下：

20、本发明中的摩擦纳米发电机装置，利用摩擦材料表面周期性的接触分离引起摩擦起电和静电感应，为系统提供了电流，达到自供电、降低发电成本、降低占用面积和更加环保的发电目的；且柔性电子传感器装置采用了多种的离子载体和离子交换剂对检测元素的亲和度不同，较单一的离子检测传感器本装置实现了对多种元素的检测。本发明中的柔性拉伸传感器参考柔性压力传感器，通过利用导电层的导电材料网状银纳米线在拉伸时电阻改变从而实现了对谷物生长长度的检测较经常见的长势检测只能使用视觉系统，本装置在结构方面更简单，电能消耗方面更低。

1.一种自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，包括摩擦纳米发电机、稳压模块、柔性电子传感器、柔性拉伸传感器、土壤npk传感器、gsm通讯模块；

2.如权利要求1所述的自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，所述摩擦纳米发电机，由mo2/pdms膜、铝制薄膜、pet胶带组成；所述mo2/pdms膜包括聚二甲基硅氧烷和纳米金属钼，聚二甲基硅氧烷为基底材料，纳米金属钼作为导电材料覆盖在聚二甲基硅氧烷上；所述铝制薄膜作为另一电极；所述pet胶带分为两层，上层粘合mo2/pdms膜，下层粘结铝制薄膜。

3.如权利要求1所述的自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，所述柔性拉伸传感器为三层结构，外侧为pdms基底层和聚氨酯保护层；内侧为网状银纳米线导电层和银质电极层；所述电极连接在导电层两端，仅露出接线头。

4.如权利要求1所述的自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，所述柔性电子传感器包括六个检测模块，分别是氮检测模块、磷检测模块、钾检测模块、镁检测模块、锌检测模块、铁检测模块；氮检测模块、磷检测模块、钾检测模块、镁检测模块、锌检测模块、铁检测模块通过碳纳米薄膜作为基底粘于谷物叶片与秸秆一侧。

5.如权利要求4所述的自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，所述的氮检测模块包括离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极之间设置nh4+交换树脂与掺有重铭酸钾的聚氯乙烯膜。

6.如权利要求4所述的自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，所述的磷检测模块包括离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极之间设置po43-交换树脂与掺有钼酸钠的聚氯乙烯膜。

7.如权利要求5所述的自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，所述的钾检测模块包括离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极之间设置k+交换树脂与掺有碳酸锂的聚氯乙烯膜。

8.如权利要求5所述的自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，所述的镁检测模块包括离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极之间设置mg2+交换树脂与掺有乙二胺四乙酸的聚氯乙烯膜。

9.如权利要求5所述的自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，所述的锌检测模块包括离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极、掺有氯化银的zn2+交换树脂与掺有乙二胺四乙酸的聚氯乙烯膜。

10.如权利要求5所述的自供电的谷物生长状态柔性传感器监测系统，其特征在于，所述的铁检测模块包括离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极，在离子选择电极、掺有氯化银的pvb电极之间设置fe2+交换树脂与掺有吡啶的聚氯乙烯膜。