本發(fā)明涉及農業(yè)裝備，具體涉及一種基于水氣平衡的太空種植基質水分控制方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、在太空種植中，為確保農作物正常生長，需對植株進行澆灌?，F有基于基質生長方法的水解決方案中，被動軌道養(yǎng)分輸送系統(tǒng)在傳感器檢測到植株缺水時為其補水。然而，在太空環(huán)境中，由于微重力影響，水珠會附著在傳感器上，導致傳感器失靈；盡管基質已缺水，但傳感器可能顯示水分充足。不及時澆水會影響植株生長速度，而澆水過量則會使培養(yǎng)箱內濕度過大，易滋生藻類和微生物，增加宇航員工作量，還會造成水資源浪費，對長期深空任務有深遠影響。

技術實現思路

1、針對現有技術中存在不足，本發(fā)明提供了一種基于水氣平衡的太空種植基質水分控制方法及系統(tǒng)，解決太空微重力情況下的基質水分含量無法直接用傳感器準確測量的問題，實現太空微重力環(huán)境下水分的高效利用與管理。

2、本發(fā)明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

3、基于水氣平衡的太空種植基質水分控制方法：

4、利用水分利用效率模型對實際應用中太空種植植株的基質水分狀態(tài)進行評估；所述水分利用效率模型為：

5、

6、式中，d為水分利用效率，且pn、tr分別是通過co2/h2o分析儀獲取的單位面積葉片的光合作用速率和蒸騰速率；dmax為植株最大水分利用效率，通過水分實驗提前獲得；i為灌溉周期內數據采集次數，tri表示灌溉周期內第i次數據采集時的作物蒸騰速率；α為待定系數，不同植株的取值，在對實際應用中太空種植植株的基質水分狀態(tài)進行評估前，根據水分利用效率模型，通過實驗設置不同基質含水量梯度進行最小二乘擬合得到；

7、由所述水分利用效率模型求得基質水分含量i，當基質水分含量低于設定閾值時，控制器控制水箱開始灌溉，直到水分利用效率d＝dmax時，停止灌溉；

8、上述過程中，單位面積葉片的光合作用速率pn和蒸騰速率tr的獲取方法為：

9、將栽培箱密閉，當co2/h2o分析儀測定栽培箱中co2和h2o含量達到穩(wěn)定時，打開水氣分析模塊中的氣泵抽氣，水氣分析模塊記錄在δt間隔內的co2和h2o的變化情況，記作和利用公式和計算出栽培箱內的蒸騰速率和光合速率，結合植株葉片面積，計算出單位面積葉片的光合作用速率pn和蒸騰速率tr。

10、進一步地，利用深度相機對植株葉片進行掃描，獲取葉片的三維點云數據并進行預處理，然后進行葉片分割和曲面重建，計算重建曲面的表面積，即為植株葉片面積；

11、所述植株葉片面積的具體獲取方法為：利用貪婪投影三角算法將每個葉片剖分為三角面片，生成表面的三角網格模型，通過海倫公式計算每個三角形的面積，再將所有的三角網格面積累加，得到每個葉片的表面積。

12、進一步地，所述三角面片的最大平面角設置為50°，每個三角形的最大角為120°、最小角為10°，即可將葉片點云進行三角剖分。

13、進一步地，所述和的起始點數值在測定時，保持栽培箱內co2濃度相同。

14、基于水氣平衡的太空種植基質水分控制系統(tǒng)，包括栽培箱，所述栽培箱中設置栽培袋，所述栽培袋中放有小型生根袋，所述栽培袋還與水箱連接；

15、所述栽培箱內部上下側分別安裝環(huán)流風扇a和環(huán)流風扇b，所述栽培箱頂部安裝有l(wèi)ed光源和深度相機，所述栽培箱的箱體上留有測量孔，便于co2/h2o分析儀對栽培箱內植株的光合和蒸騰速率進行測量和標定；

16、所述栽培箱內部還安裝有風速傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器、微型空調和蒸汽加濕器；

17、所述深度相機、風速傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器和co2/h2o分析儀采集的數據均傳輸給控制器；所述控制器控制led光源、環(huán)流風扇a、環(huán)流風扇b、微型空調、蒸汽加濕器和水箱的工作。

18、上述技術方案中，所述小型生根袋中的基質選用硅藻土。

19、上述技術方案中，所述栽培箱的箱體材質選用高透光率的亞克力板。

20、上述技術方案中，所述co2/h2o分析儀對栽培箱內植株的光合和蒸騰速率進行測量和標定，具體地：co2/h2o分析儀監(jiān)測栽培箱內的氣體交換，根據半封閉系統(tǒng)內水氣平衡的特點，通過計算栽培箱內進出氣體中的水和二氧化碳的摩爾比變化，對植株的光合和蒸騰速率測定進行標定。

21、本發(fā)明的有益效果為：

22、(1)本發(fā)明針對太空微重力環(huán)境下無法直接用傳感器準確測量基質含水量的問題，利用栽培系統(tǒng)的水氣平衡關系構建植株的蒸騰速率和光合作用速率估算模型，從而實現對基質水分的間接估算和控制；

23、(2)本發(fā)明通過點云技術獲取不同植株的葉面積，進而計算出單位面積葉片的蒸騰速率和光合作用速率，并將單位面積葉片的蒸騰速率和光合作用速率用于構建水分利用效率模型，更能準確反映不同大小植株的生理特性和水分需求；

24、(3)本發(fā)明利用水分利用效率模型代替常規(guī)僅考慮蒸騰作用的模型，綜合考慮了基質含水量、光合作用速率和蒸騰速率之間的關系，能夠更精準地評估基質水分狀態(tài)，從而實現太空微重力環(huán)境下水分的高效管理與利用，提高了水資源的利用效率。

技術特征：

1.基于水氣平衡的太空種植基質水分控制方法，其特征在于：

2.根據權利要求1所述的太空種植基質水分控制方法，其特征在于，利用深度相機(2)對植株葉片進行掃描，獲取葉片的三維點云數據并進行預處理，然后進行葉片分割和曲面重建，計算重建曲面的表面積，即為植株葉片面積；

3.根據權利要求2所述的太空種植基質水分控制方法，其特征在于，所述三角面片的最大平面角設置為50°，每個三角形的最大角為120°、最小角為10°，即可將葉片點云進行三角剖分。

4.根據權利要求1所述的太空種植基質水分控制方法，其特征在于，所述和的起始點數值在測定時，保持栽培箱(13)內co2濃度相同。

5.基于權利要求1-4任一項所述的太空種植基質水分控制方法的控制系統(tǒng)，其特征在于，包括栽培箱(13)，所述栽培箱(13)中設置栽培袋(8)，所述栽培袋(8)中放有小型生根袋，所述栽培袋(8)還與水箱(11)連接；

6.根據權利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述小型生根袋中的基質選用硅藻土。

7.根據權利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述栽培箱(13)的箱體材質選用高透光率的亞克力板。

8.根據權利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述co2/h2o分析儀(7)對栽培箱(13)內植株的光合和蒸騰速率進行測量和標定，具體地：co2/h2o分析儀(7)監(jiān)測栽培箱(13)內的氣體交換，根據半封閉系統(tǒng)內水氣平衡的特點，通過計算栽培箱(13)內進出氣體中的水和二氧化碳的摩爾比變化，對植株的光合和蒸騰速率測定進行標定。

技術總結
本發(fā)明提供了一種基于水氣平衡的太空種植基質水分控制方法及系統(tǒng)，構建單位面積葉片的蒸騰速率/光合作用速率與基質含水量之間的水分利用效率模型，由所述水分利用效率模型求得基質水分含量，當基質水分含量低于設定閾值時，控制器控制水箱開始灌溉，直到水分利用效率等于植株最大水分利用效率時，停止灌溉。本發(fā)明解決了在太空微重力環(huán)境下無法直接用傳感器準確測量基質含水量的問題，實現了太空微重力環(huán)境下水分的高效管理與利用。

技術研發(fā)人員：王紀章,辛放,付益輝,周靜
受保護的技術使用者：江蘇大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6