植物誘導及驅動系統

Cybertronica Research是德國斯圖加特大學的一家研究中心，主要致力于的機器人技術及環境科學和生物技術相關科研產品的研發。植物誘導及驅動系統基于CYBRES MU模塊，旨在分析和監測植物對外部刺激做出的反應，主要測量植物的生理及電生理反應（包括農作物、盆栽、草本植物、灌木、喬木、苔蘚、藻類、真菌、霉菌；也可用于酵母菌測量）。系統主要測量：

1. 生物電勢；

2. 不同頻率下的組織電導率（雙通道）；

3. 組織響應的頻移(雙通道)；

4. 葉片蒸騰（單通道）；

5. 植物莖流；

6. 環境參數：3D加速度計/磁力計，電磁功率計，空氣溫度和濕度，壓力，光（在外部傳感器面板上，按套提供）；

7. 可兼容的外部傳感器：CO2、O2、土壤水分、離子選擇電極等任何I2c接口的傳感器。

主要特點

• 雙通道功能可以實現高精準度的差分測量

實時數據可記錄在內部的閃存中，可通過USB連接線或者藍牙傳輸到PC端，也可以用網頁的形式將在線數據寫入互聯網。該系統為全自動系統，操作過程無需使用者介入。

• 植物誘導功能

植物誘導功能，即進行實時數據處理和決策來操作不同的驅動器。此功能可用于對植物進行電刺激或者光刺激（紅/藍光刺激），優化澆水和照明模式，進行自主的實驗以及使用生物混合系統開發復雜的基于反饋的自適應場景。它具有內置的半導體繼電器（開關），例如用于RGB LED或水泵，并且可以啟動任何外部USB繼電器。該系統通過反應，概率和穩態決策機制在嵌入式信號檢測器，數字處理器和執行器之間實現動態映射。該植物傳感器是CYBRES生物混合接口設備的一部分。

主要參數

電生理學

1.生物電勢分辨率（輸入電流）：±64nV（±70pA）；

2.電刺激和組織電導率測量的電勢：±10mv-±1B；

3.電刺激的頻率和組織電導率的測量：8Hz-0.3MHz（0.65MHz）；

生理

4.葉片蒸騰（在配置II中）：相對測量值單獨校準；

5.莖的液流（在配置III中）：相對測量值單獨校準；

6.附加的內置傳感器（MU3.4）；

7.射頻功率計（芯片LT5534）50Mhz-3Ghz；

8.大氣壓（芯片BMP280）300-1100 hPa（分辨率0.01 hPa）；

9.3D加速度計/磁力計（芯片LSM303D）±2--±12高斯滿量程；

額外的外部傳感器

10.傳感器面板I上的空氣/土壤溫度（芯片LM35）10mV/C轉換；

11.傳感器面板I上的空氣濕度（芯片HIH-5031-001）23.5mV/％；

12.傳感器面板I上的光傳感器0-1000 Lux；

13.傳感器面板II上的土壤濕度單獨校準；

14.傳感器面板III上的CO2 / O2傳感器（外部模塊）；

執行器

15.MOSFET最多3個獨立通道：直流電流1A；

16.具有恒溫器功能的MOSFET 2x（作為電流源）：直流電流 1A；

17.可編程開關3.3V：0.2A；

18.外部USB繼電器（最多128個繼電器）：例如24-330V高達16A；

其他參數

19.測量間隔：0.1秒-100秒；

20.內部閃存：512MB；

21.帶有獨立鋰電池的時鐘；

22.分析：FFT，FRA，頻移，差分測量，線性回歸，頻譜和統計分析，還提供其他   數字處理器；

23.連接：I2C，USB（主通道），藍牙（可選，集成），WiFi/GSM（可選，外     部）；

24.包裝：EM防護罩，鋁包裝95x70x24mm（可選IP65/66防護罩）；

25.電源：USB，5V（可選：太陽能電池，USB移動電源）。

基本配置

植物誘導及驅動系統有三種不同配置的版本：

1.低配版本: 用戶可以測量所有的電生理功能，可以記錄、分析和執行基于電反應的植物驅動。有幾種預先編程的行為，如“會唱歌的植物”或“會說話的植物”——將生物信號轉換成音樂和語言。用戶可靈活編程反應和語音對話。植物對一個人的觸摸和“在場”非常敏感，也許它們會認出你，并對你的到來“表達一種喜悅”。系統包括：MU3.4模塊，生物電勢/組織電導率電極以及帶有多個環境傳感器的傳感器面板。

2.拓展配置版本：可以將拓展系統配置為環境生物致病性的指示器。他可以測量單個指標（例如CO2和EM排放指標）或“復雜的生物致病性”——影響新陳代謝的不同參數的組合（例如地理生物學和宇宙生物學因素）。該系統大約需要一到兩周的時間來適應植物、信號以及關聯其他類型的傳感器。例如，綠色的LED燈指示著植物正常的信號水平，黃色表示與正常的值有偏差，而紅色代表著信號傳輸錯誤。整個系統的主要目標是讓人們在早期注意到生物的致病性。這種配置的植物傳感器無需連接筆記本電腦。系統套件包括：MU3.4模塊，生物電勢/組織電導率電極，葉片蒸騰傳感器以及帶有多個環境傳感器的集成板。

3.專業配置版本：該設備可以訪問所有獲得的數據，并允許對其進行數理統計分析。該模塊對于優化植物的生產功能、利用植物作為生物傳感器（包括弱信號、人類心理情緒影響和非常規的儀器檢測器）以及植物的科學研究有很大的作用。特別是，它可用于探索基于植物的蔬菜和生物混合系統中的學習和適應過程。交付套件包括MU3.4模塊，生物電勢/組織電導率電極，葉片蒸騰傳感器，莖的樹液流量傳感器以及帶有多個環境傳感器的傳感器面板。此版本中的可選電極包括樹木/灌木的電極。在這種配置下，植物傳感器無需外部連接PC就可以運行。

應用案例

在專業應用方面，該系統可用于研究植物的電反應，如植物或生物傳感器。在生物雜交和機器人系統中，用于基于植物對象的生物工藝過程。另外的數據分析和執行算法可以很容易地實現與提供的腳本語言。

植物電生理學測量系統是基于CYBREISEIS的光譜儀，旨在分析和監測植物對外界刺激做出電生理反應。該系統可用于測量生物電勢以及不同頻率下的組織電導率。除此之外，該系統還可以用于提供作用于植物的外部光電刺激。

所有模塊都有兩個通道，從而實現雙通道或差動測量。實時數據(標記有時間)可記錄在內部閃存中、傳輸給電腦或者以html的形式編寫為在線數據表。為了提高測量的準確性，該系統熱穩定在PCB水平，利用針電極或表面電極來接受植物信號。RGB燈用于顯示設備或對植物進行藍光/紅光刺激。該系統是自主的，可以在沒有用戶干預的情況下運行。

除了電生理傳感器，系統還配備了3D加速度計/磁力儀，時鐘，電磁功率表(可選)，溫度/濕度/壓力/光/二氧化碳(可選)和電壓傳感器，用于監測長期實驗中的環境條件。USB接口用于數據傳輸和為設備供電，數字線路與電流隔開。該電生理模塊是植物監測和植物感知系統的一部分，帶有各種傳感器，可以測量植物的生理(如莖流量，葉片蒸騰作用或光合作用水平)以及各種環境參數。具體參數如下：

1. 電源：USB, 5V；

2. 內部閃存：512MB；

3. 頻移分析：FFT、FRA；

4. 測量間隔：0.1秒- 100秒；

5. 生物電勢分辨率(輸入電流)：±64nV(±70pA)；

6. 電刺激電勢和組織電導率測量：±10mv -±1b；

7. 電刺激的頻率以及測量組織電導率：8 hz - 0.3 mhz(max.0.65 mhz)；

圖1.植物電生理反應的例子，觸電：電勢（上），在500hz頻率下問題阻抗的虛部(下)

該系統主要用于研究植物的生物電反應，作為植物或生物傳感器，在生物雜交和機器人系統中，為基于植物的生物技術過程。嵌入式算法支持由S.N.開發的方法生物tentid和V.A.Sokolova與組織電導率，以及來自PLEASED(作為傳感設備的植物)和Flora Robotica項目的方。使用所提供的腳本語言可以很容易地實現用于數據分析的其他算法。