本發(fā)明涉及植物呼吸氣體測定領域，更具體地說，本發(fā)明涉及多功能氣體傳感器教學實驗平臺。

背景技術：

1、在植物呼吸氣體的測定實驗中，植物通常被放置于一個密閉的容器內，傳感器通過檢測容器內氣體濃度變化來計算植物的呼吸速率。容器大小在實驗設計中扮演著關鍵角色，其不僅影響實驗過程中氣體濃度的變化速度，還直接決定了植物所處環(huán)境的穩(wěn)定性和自然狀態(tài)。植物在進行呼吸時，會釋放二氧化碳并消耗氧氣，這些氣體的濃度變化與容器內空氣的體積呈非線性關系。容器過大可能導致氣體濃度變化不明顯，影響傳感器的檢測靈敏度；容器過小則會導致氣體濃度快速累積或耗盡，使植物進入非正常呼吸狀態(tài)。此外，容器內部的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)同樣受到容器大小的影響，溫濕度波動也會對植物的生理過程產生干擾。因此，基于不同植物的種類及實驗目的，合理設定容器的大小至關重要，而如何通過實時監(jiān)測植物呼吸氣體的變化，智能決策容器的調整，是確保實驗結果準確性的關鍵。

2、現(xiàn)有的植物呼吸測定技術大多依賴預設容器大小，而未能動態(tài)適應植物呼吸氣體的變化，導致實驗中植物的生存環(huán)境發(fā)生過快或過慢的變化。在傳統(tǒng)方法中，容器的體積一旦設定，植物所處的氣體環(huán)境在測定過程中無法根據(jù)植物的呼吸情況進行自動調節(jié)。例如，當容器體積較小時，植物呼吸過程中釋放的二氧化碳會快速積累，而氧氣的消耗速度同樣迅速，使得容器內部的氣體環(huán)境快速發(fā)生變化。由于容器體積限制，二氧化碳濃度會迅速上升至高于植物的正常生理耐受范圍，從而抑制其呼吸作用。這一問題在長時間實驗中尤為明顯，植物在實驗中因缺氧或二氧化碳濃度過高進入脅迫狀態(tài)，導致實驗結果無法真實反映植物的自然呼吸速率?，F(xiàn)有技術無法實時調整容器體積，使得實驗條件過于剛性，無法靈活應對植物呼吸過程中環(huán)境變化帶來的干擾，影響實驗的精確性和可重復性。

3、為了解決上述問題，現(xiàn)提供一種技術方案。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明的實施例提供多功能氣體傳感器教學實驗平臺，通過多步驟聯(lián)動調整容器體積，確保植物呼吸環(huán)境的動態(tài)平衡與實驗數(shù)據(jù)的精準性。首先，氣體傳感器實時監(jiān)測容器內二氧化碳和氧氣的濃度變化，結合差分算法計算濃度變化速率，提取氣體濃度瞬態(tài)異步率和濃度波動累積偏移指數(shù)，用于評估短期異步波動與長期累積偏移。生成的綜合決策值判斷容器內氣體環(huán)境的穩(wěn)定性，并在需要時觸發(fā)容器體積調整信號。初步容器體積通過多項式擬合技術，結合氣體濃度變化率和植物呼吸速率計算得出，并進行第一次調整。隨后，結合環(huán)境參數(shù)進行非線性修正，以逼近植物的最佳生長環(huán)境。在此基礎上，有限差分法進一步精細調整容器體積，確保氣體濃度趨于穩(wěn)定，同時實時監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，避免對植物產生不利影響。最終，采用kalman濾波技術對氣體濃度數(shù)據(jù)進行反饋優(yōu)化，使容器體積逐步逼近理想狀態(tài)，確保氣體濃度保持在合理的測定范圍內。整體方法通過多次精確調整與反饋，保障植物呼吸環(huán)境的長期穩(wěn)定，并大幅提升實驗數(shù)據(jù)的精度與可靠性，以解決上述背景技術中提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

3、多功能氣體傳感器教學實驗平臺，包括：濃度監(jiān)測模塊、體積估算模塊、微調修正模塊、差分修正模塊和反饋優(yōu)化模塊。

4、濃度監(jiān)測模塊：實時監(jiān)測模塊負責檢測容器內二氧化碳和氧氣的濃度，計算濃度梯度變化速率，并提取異步性和累積偏移信息，判斷是否需要調整容器大小，若需要則生成調整信號并將相關數(shù)據(jù)傳遞至體積估算模塊。

5、體積估算模塊：根據(jù)濃度監(jiān)測模塊傳遞的氣體濃度變化率和植物呼吸速率，通過多項式擬合技術初步估算出理想的容器體積，并執(zhí)行第一次調整。體積估算結果傳遞至微調修正模塊。

6、微調修正模塊：結合環(huán)境參數(shù)，利用權重回歸分析對體積估算模塊的初步調整結果進行修正，將修正后的體積參數(shù)傳遞至差分修正模塊。

7、差分修正模塊：使用有限差分法，依據(jù)從微調修正模塊傳遞的修正體積數(shù)據(jù)，逐步調整容器體積，直至氣體濃度變化逐漸趨于測定范圍內，差分修正后，將數(shù)據(jù)傳遞至反饋優(yōu)化模塊。

8、反饋優(yōu)化模塊：通過kalman濾波技術對調整后的氣體濃度數(shù)據(jù)進行反饋優(yōu)化，逐步逼近最終的理想容器大小，驗證濃度回歸正常范圍。

9、在一個優(yōu)選的實施方式中，濃度監(jiān)測模塊的處理過程包括以下內容：

10、使用傳感器通過固定時間間隔采集氣體濃度值，并將數(shù)據(jù)存儲在監(jiān)測平臺上；利用差分算法對采集到的氣體濃度數(shù)據(jù)進行處理，計算出單位時間內二氧化碳和氧氣濃度的變化速率；根據(jù)濃度變化速率數(shù)據(jù)，提取得到異步性信息和累積偏移信息，其中異步性信息包括氣體濃度瞬態(tài)異步率；累積偏移信息包括濃度波動累積偏移指數(shù)。

11、在一個優(yōu)選的實施方式中，氣體濃度瞬態(tài)異步率的獲取過程如下：

12、首先，選擇一個短時間窗口，在每個時刻t內計算二氧化碳和氧氣濃度的時間變化率，采用差分形式捕捉氣體濃度的瞬時變化：；；和分別表示時刻t的二氧化碳和氧氣濃度；表示時間間隔，反映兩個連續(xù)時間點之間的差值。

13、在計算出每個時刻t內的氣體濃度變化率后，分析二氧化碳和氧氣濃度的變化是否存在異步性，即兩者的變化速率是否一致；異步性通過以下公式表示：；為時刻t的異步性差異值。

14、采用累積分段積分的形式，將每個時間點的異步差異值進行時序求和：。

15、最后，經過累積處理的異步波動結果進行歸一化生成最終的氣體濃度瞬態(tài)異步率值，以捕捉氣體濃度的異步波動趨勢：；是對時間窗口長度的平方；是對累積值的調整因子，用于平滑波動幅度。

16、在一個優(yōu)選的實施方式中，濃度波動累積偏移指數(shù)的獲取過程如下：

17、首先，選擇一個時間窗口，并在每個時刻t內，計算二氧化碳和氧氣相對初始濃度的偏移累積，捕捉長期波動趨勢，采用累積形式記錄濃度的逐步偏移量：；；和分別為時刻i的二氧化碳和氧氣濃度；和為初始時刻的二氧化碳和氧氣濃度。

18、評估二氧化碳和氧氣濃度之間的長期累積差異，計算兩種氣體的累積偏移量之間的絕對差值，并以時序求和的方式捕捉累積偏移的幅度：；表示時刻t內二氧化碳和氧氣的累積偏移差異。

19、將累積的偏移量轉化為決策依據(jù)，對累積偏移差異進行歸一化處理，生成濃度波動累積偏移指數(shù)，用于衡量容器內氣體濃度是否長期偏離正常值；公式如下：；為長時間窗口的長度；用指數(shù)形式平滑累積偏移。

20、在一個優(yōu)選的實施方式中，濃度監(jiān)測模塊的處理過程還包括以下內容：

21、將氣體濃度瞬態(tài)異步率和濃度波動累積偏移指數(shù)通過非線性組合函數(shù)進行綜合計算，生成決策值，用于分析是否需要調整容器大??；若決策值大于或等于決策閾值，表示容器內的氣體環(huán)境已經出現(xiàn)顯著的失衡現(xiàn)象，二氧化碳和氧氣的短期異步波動與長期累積偏移均較為突出，需立即調整容器大小以恢復氣體平衡；反之，若決策值小于決策閾值，說明氣體濃度的波動仍處于合理范圍內，容器大小適宜，植物的呼吸狀態(tài)穩(wěn)定，無需調整容器大小。

22、在一個優(yōu)選的實施方式中，體積估算模塊的處理過程包括以下內容：

23、在濃度監(jiān)測模塊獲取的實時氣體濃度數(shù)據(jù)基礎上，提取二氧化碳和氧氣的濃度變化率；利用氣體濃度變化率和植物呼吸速率數(shù)據(jù)，構建多項式擬合模型，將容器體積v與氣體濃度變化率和呼吸速率關聯(lián)起來；基于多項式擬合的結果，得到容器體積的初步估算值，反映了在當前條件下的理想容器大??；根據(jù)擬合模型得出的容器體積估算結果，執(zhí)行第一次容器調整。

24、在一個優(yōu)選的實施方式中，微調修正模塊的處理過程包括以下內容：

25、實時獲取容器內部的溫度、濕度和光照強度。

26、設定植物理想生長環(huán)境的溫度、濕度、光照強度，同時定義各參數(shù)的可接受偏差范圍即容許的環(huán)境波動范圍。

27、使用非線性偏差公式計算當前溫度、濕度和光照強度相對于理想參數(shù)的偏差量；首先，通過如下公式計算溫度、濕度和光照強度的偏差值：；；；,,分別為溫度、濕度和光照的非線性偏差。

28、將各個環(huán)境參數(shù)偏差綜合起來，生成統(tǒng)一的容器體積修正量，采用以下非線性偏差綜合公式：；表示容器體積的修正量。

29、結合多維偏差計算出的修正量，對容器體積進行非線性修正，最終公式如下：；為微調后的容器體積。

30、在一個優(yōu)選的實施方式中，差分修正模塊的處理過程包括以下內容：

31、通過實時監(jiān)測，獲取容器內二氧化碳和氧氣的濃度數(shù)據(jù)，記錄在多個時間點的氣體濃度變化率。

32、采用有限差分法，對采集到的氣體濃度變化數(shù)據(jù)進行逐步計算。

33、在計算氣體濃度的有限差分后，重新獲得當情況下的決策值，若決策值大于或等于決策閾值，則表示需要對容器體積進行調整，以使氣體濃度恢復到合理的穩(wěn)定區(qū)間。

34、通過氣體濃度的有限差分結果，逐步調整容器體積，使氣體濃度趨于測定范圍。

35、基于有限差分的結果，連續(xù)地調整容器體積；每次修正后，實時監(jiān)測氣體濃度變化，并根據(jù)新的差分結果再次計算容器體積的修正量，直至氣體濃度變化率穩(wěn)定在測定范圍內。

36、在逐步調整容器體積的過程中，實時監(jiān)控溫度、濕度和光照強度，確保這些參數(shù)在容器調整期間處于與理想參數(shù)的偏差處于可接受偏差范圍，若未處于，則停止調整，回退到此次調整之前的容器體積。

37、在一個優(yōu)選的實施方式中，反饋優(yōu)化模塊的處理過程包括以下內容：

38、在調整容器體積后，獲取經過差分修正模塊修正后的二氧化碳和氧氣濃度的實時數(shù)據(jù)；首先，設定kalman濾波的初始條件，包括初始狀態(tài)估計和協(xié)方差矩陣。

39、使用kalman濾波的預測步驟，依據(jù)當前的氣體濃度變化趨勢，推算下一時刻的氣體濃度估計值。

40、在預測氣體濃度的同時，計算下一時刻的協(xié)方差矩陣，評估預測值的不確定性。

41、在下一時刻采集到實際的氣體濃度數(shù)據(jù)后，使用kalman濾波的更新步驟，修正預測值；首先，計算預測誤差，即實際觀測值與預測值之間的差異。

42、根據(jù)預測協(xié)方差和觀測噪聲，計算kalman增益，以確定修正預測值的力度。

43、利用kalman增益，對預測的氣體濃度進行修正。

44、本發(fā)明多功能氣體傳感器教學實驗平臺的技術效果和優(yōu)點：

45、本發(fā)明通過多步驟聯(lián)動調整容器體積，確保植物呼吸環(huán)境的動態(tài)平衡與實驗數(shù)據(jù)的精準性。首先，氣體傳感器實時監(jiān)測容器內二氧化碳和氧氣的濃度變化，結合差分算法計算濃度變化速率，提取氣體濃度瞬態(tài)異步率和濃度波動累積偏移指數(shù)，用于評估短期異步波動與長期累積偏移。生成的綜合決策值判斷容器內氣體環(huán)境的穩(wěn)定性，并在需要時觸發(fā)容器體積調整信號。初步容器體積通過多項式擬合技術，結合氣體濃度變化率和植物呼吸速率計算得出，并進行第一次調整。隨后，結合環(huán)境參數(shù)進行非線性修正，以逼近植物的最佳生長環(huán)境。在此基礎上，有限差分法進一步精細調整容器體積，確保氣體濃度趨于穩(wěn)定，同時實時監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，避免對植物產生不利影響。最終，采用kalman濾波技術對氣體濃度數(shù)據(jù)進行反饋優(yōu)化，使容器體積逐步逼近理想狀態(tài)，確保氣體濃度保持在合理的測定范圍內。整體方法通過多次精確調整與反饋，保障植物呼吸環(huán)境的長期穩(wěn)定，并大幅提升實驗數(shù)據(jù)的精度與可靠性。