本發(fā)明涉及植物呼吸氣體測(cè)定領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及多功能氣體傳感器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

背景技術(shù)：

1、在植物呼吸氣體的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，植物通常被放置于一個(gè)密閉的容器內(nèi)，傳感器通過檢測(cè)容器內(nèi)氣體濃度變化來計(jì)算植物的呼吸速率。容器大小在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中扮演著關(guān)鍵角色，其不僅影響實(shí)驗(yàn)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(jìn)行呼吸時(shí)，會(huì)釋放二氧化碳并消耗氧氣，這些氣體的濃度變化與容器內(nèi)空氣的體積呈非線性關(guān)系。容器過大可能導(dǎo)致氣體濃度變化不明顯，影響傳感器的檢測(cè)靈敏度；容器過小則會(huì)導(dǎo)致氣體濃度快速累積或耗盡，使植物進(jìn)入非正常呼吸狀態(tài)。此外，容器內(nèi)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(dòng)也會(huì)對(duì)植物的生理過程產(chǎn)生干擾。因此，基于不同植物的種類及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，合理設(shè)定容器的大小至關(guān)重要，而如何通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物呼吸氣體的變化，智能決策容器的調(diào)整，是確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

2、現(xiàn)有的植物呼吸測(cè)定技術(shù)大多依賴預(yù)設(shè)容器大小，而未能動(dòng)態(tài)適應(yīng)植物呼吸氣體的變化，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(shè)定，植物所處的氣體環(huán)境在測(cè)定過程中無法根據(jù)植物的呼吸情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)容器體積較小時(shí)，植物呼吸過程中釋放的二氧化碳會(huì)快速積累，而氧氣的消耗速度同樣迅速，使得容器內(nèi)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(huì)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(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)中尤為明顯，植物在實(shí)驗(yàn)中因缺氧或二氧化碳濃度過高進(jìn)入脅迫狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法真實(shí)反映植物的自然呼吸速率?，F(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)時(shí)調(diào)整容器體積，使得實(shí)驗(yàn)條件過于剛性，無法靈活應(yīng)對(duì)植物呼吸過程中環(huán)境變化帶來的干擾，影響實(shí)驗(yàn)的精確性和可重復(fù)性。

3、為了解決上述問題，現(xiàn)提供一種技術(shù)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的實(shí)施例提供多功能氣體傳感器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過多步驟聯(lián)動(dòng)調(diào)整容器體積，確保植物呼吸環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。首先，氣體傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)二氧化碳和氧氣的濃度變化，結(jié)合差分算法計(jì)算濃度變化速率，提取氣體濃度瞬態(tài)異步率和濃度波動(dòng)累積偏移指數(shù)，用于評(píng)估短期異步波動(dòng)與長(zhǎng)期累積偏移。生成的綜合決策值判斷容器內(nèi)氣體環(huán)境的穩(wěn)定性，并在需要時(shí)觸發(fā)容器體積調(diào)整信號(hào)。初步容器體積通過多項(xiàng)式擬合技術(shù)，結(jié)合氣體濃度變化率和植物呼吸速率計(jì)算得出，并進(jìn)行第一次調(diào)整。隨后，結(jié)合環(huán)境參數(shù)進(jìn)行非線性修正，以逼近植物的最佳生長(zhǎng)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，有限差分法進(jìn)一步精細(xì)調(diào)整容器體積，確保氣體濃度趨于穩(wěn)定，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，避免對(duì)植物產(chǎn)生不利影響。最終，采用kalman濾波技術(shù)對(duì)氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)定范圍內(nèi)。整體方法通過多次精確調(diào)整與反饋，保障植物呼吸環(huán)境的長(zhǎng)期穩(wěn)定，并大幅提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度與可靠性，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、多功能氣體傳感器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括：濃度監(jiān)測(cè)模塊、體積估算模塊、微調(diào)修正模塊、差分修正模塊和反饋優(yōu)化模塊。

4、濃度監(jiān)測(cè)模塊：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)容器內(nèi)二氧化碳和氧氣的濃度，計(jì)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(diào)整容器大小，若需要?jiǎng)t生成調(diào)整信號(hào)并將相關(guān)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(cè)模塊傳遞的氣體濃度變化率和植物呼吸速率，通過多項(xiàng)式擬合技術(shù)初步估算出理想的容器體積，并執(zhí)行第一次調(diào)整。體積估算結(jié)果傳遞至微調(diào)修正模塊。

6、微調(diào)修正模塊：結(jié)合環(huán)境參數(shù)，利用權(quán)重回歸分析對(duì)體積估算模塊的初步調(diào)整結(jié)果進(jìn)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(diào)修正模塊傳遞的修正體積數(shù)據(jù)，逐步調(diào)整容器體積，直至氣體濃度變化逐漸趨于測(cè)定范圍內(nèi)，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(shù)對(duì)調(diào)整后的氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋優(yōu)化，逐步逼近最終的理想容器大小，驗(yàn)證濃度回歸正常范圍。

9、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，濃度監(jiān)測(cè)模塊的處理過程包括以下內(nèi)容：

10、使用傳感器通過固定時(shí)間間隔采集氣體濃度值，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在監(jiān)測(cè)平臺(tái)上；利用差分算法對(duì)采集到的氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)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(dòng)累積偏移指數(shù)。

11、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)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(gè)短時(shí)間窗口，在每個(gè)時(shí)刻t內(nèi)計(jì)算二氧化碳和氧氣濃度的時(shí)間變化率，采用差分形式捕捉氣體濃度的瞬時(shí)變化：；；和分別表示時(shí)刻t的二氧化碳和氧氣濃度；表示時(shí)間間隔，反映兩個(gè)連續(xù)時(shí)間點(diǎn)之間的差值。

13、在計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻t內(nèi)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(shí)刻t的異步性差異值。

14、采用累積分段積分的形式，將每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的異步差異值進(jìn)行時(shí)序求和：。

15、最后，經(jīng)過累積處理的異步波動(dòng)結(jié)果進(jìn)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(dòng)趨勢(shì)：；是對(duì)時(shí)間窗口長(zhǎng)度的平方；是對(duì)累積值的調(diào)整因子，用于平滑波動(dòng)幅度。

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

17、首先，選擇一個(gè)時(shí)間窗口，并在每個(gè)時(shí)刻t內(nèi)，計(jì)算二氧化碳和氧氣相對(duì)初始濃度的偏移累積，捕捉長(zhǎng)期波動(dòng)趨勢(shì)，采用累積形式記錄濃度的逐步偏移量：；；和分別為時(shí)刻i的二氧化碳和氧氣濃度；和為初始時(shí)刻的二氧化碳和氧氣濃度。

18、評(píng)估二氧化碳和氧氣濃度之間的長(zhǎng)期累積差異，計(jì)算兩種氣體的累積偏移量之間的絕對(duì)差值，并以時(shí)序求和的方式捕捉累積偏移的幅度：；表示時(shí)刻t內(nèi)二氧化碳和氧氣的累積偏移差異。

19、將累積的偏移量轉(zhuǎn)化為決策依據(jù)，對(duì)累積偏移差異進(jìn)行歸一化處理，生成濃度波動(dòng)累積偏移指數(shù)，用于衡量容器內(nèi)氣體濃度是否長(zhǎng)期偏離正常值；公式如下：；為長(zhǎng)時(shí)間窗口的長(zhǎng)度；用指數(shù)形式平滑累積偏移。

20、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，濃度監(jiān)測(cè)模塊的處理過程還包括以下內(nèi)容：

21、將氣體濃度瞬態(tài)異步率和濃度波動(dòng)累積偏移指數(shù)通過非線性組合函數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算，生成決策值，用于分析是否需要調(diào)整容器大??；若決策值大于或等于決策閾值，表示容器內(nèi)的氣體環(huán)境已經(jīng)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(dòng)與長(zhǎng)期累積偏移均較為突出，需立即調(diào)整容器大小以恢復(fù)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(dòng)仍處于合理范圍內(nèi)，容器大小適宜，植物的呼吸狀態(tài)穩(wěn)定，無需調(diào)整容器大小。

22、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，體積估算模塊的處理過程包括以下內(nèi)容：

23、在濃度監(jiān)測(cè)模塊獲取的實(shí)時(shí)氣體濃度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)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(gòu)建多項(xiàng)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(guān)聯(lián)起來；基于多項(xiàng)式擬合的結(jié)果，得到容器體積的初步估算值，反映了在當(dāng)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(jié)果，執(zhí)行第一次容器調(diào)整。

24、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，微調(diào)修正模塊的處理過程包括以下內(nèi)容：

25、實(shí)時(shí)獲取容器內(nèi)部的溫度、濕度和光照強(qiáng)度。

26、設(shè)定植物理想生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度，同時(shí)定義各參數(shù)的可接受偏差范圍即容許的環(huán)境波動(dòng)范圍。

27、使用非線性偏差公式計(jì)算當(dāng)前溫度、濕度和光照強(qiáng)度相對(duì)于理想?yún)?shù)的偏差量；首先，通過如下公式計(jì)算溫度、濕度和光照強(qiáng)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(gè)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(jié)合多維偏差計(jì)算出的修正量，對(duì)容器體積進(jìn)行非線性修正，最終公式如下：；為微調(diào)后的容器體積。

30、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，差分修正模塊的處理過程包括以下內(nèi)容：

31、通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取容器內(nèi)二氧化碳和氧氣的濃度數(shù)據(jù)，記錄在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的氣體濃度變化率。

32、采用有限差分法，對(duì)采集到的氣體濃度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步計(jì)算。

33、在計(jì)算氣體濃度的有限差分后，重新獲得當(dāng)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(duì)容器體積進(jìn)行調(diào)整，以使氣體濃度恢復(fù)到合理的穩(wěn)定區(qū)間。

34、通過氣體濃度的有限差分結(jié)果，逐步調(diào)整容器體積，使氣體濃度趨于測(cè)定范圍。

35、基于有限差分的結(jié)果，連續(xù)地調(diào)整容器體積；每次修正后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體濃度變化，并根據(jù)新的差分結(jié)果再次計(jì)算容器體積的修正量，直至氣體濃度變化率穩(wěn)定在測(cè)定范圍內(nèi)。

36、在逐步調(diào)整容器體積的過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和光照強(qiáng)度，確保這些參數(shù)在容器調(diào)整期間處于與理想?yún)?shù)的偏差處于可接受偏差范圍，若未處于，則停止調(diào)整，回退到此次調(diào)整之前的容器體積。

37、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，反饋優(yōu)化模塊的處理過程包括以下內(nèi)容：

38、在調(diào)整容器體積后，獲取經(jīng)過差分修正模塊修正后的二氧化碳和氧氣濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；首先，設(shè)定kalman濾波的初始條件，包括初始狀態(tài)估計(jì)和協(xié)方差矩陣。

39、使用kalman濾波的預(yù)測(cè)步驟，依據(jù)當(dāng)前的氣體濃度變化趨勢(shì)，推算下一時(shí)刻的氣體濃度估計(jì)值。

40、在預(yù)測(cè)氣體濃度的同時(shí)，計(jì)算下一時(shí)刻的協(xié)方差矩陣，評(píng)估預(yù)測(cè)值的不確定性。

41、在下一時(shí)刻采集到實(shí)際的氣體濃度數(shù)據(jù)后，使用kalman濾波的更新步驟，修正預(yù)測(cè)值；首先，計(jì)算預(yù)測(cè)誤差，即實(shí)際觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的差異。

42、根據(jù)預(yù)測(cè)協(xié)方差和觀測(cè)噪聲，計(jì)算kalman增益，以確定修正預(yù)測(cè)值的力度。

43、利用kalman增益，對(duì)預(yù)測(cè)的氣體濃度進(jìn)行修正。

44、本發(fā)明多功能氣體傳感器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

45、本發(fā)明通過多步驟聯(lián)動(dòng)調(diào)整容器體積，確保植物呼吸環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。首先，氣體傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)二氧化碳和氧氣的濃度變化，結(jié)合差分算法計(jì)算濃度變化速率，提取氣體濃度瞬態(tài)異步率和濃度波動(dòng)累積偏移指數(shù)，用于評(píng)估短期異步波動(dòng)與長(zhǎng)期累積偏移。生成的綜合決策值判斷容器內(nèi)氣體環(huán)境的穩(wěn)定性，并在需要時(shí)觸發(fā)容器體積調(diào)整信號(hào)。初步容器體積通過多項(xiàng)式擬合技術(shù)，結(jié)合氣體濃度變化率和植物呼吸速率計(jì)算得出，并進(jìn)行第一次調(diào)整。隨后，結(jié)合環(huán)境參數(shù)進(jìn)行非線性修正，以逼近植物的最佳生長(zhǎng)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，有限差分法進(jìn)一步精細(xì)調(diào)整容器體積，確保氣體濃度趨于穩(wěn)定，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，避免對(duì)植物產(chǎn)生不利影響。最終，采用kalman濾波技術(shù)對(duì)氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)定范圍內(nèi)。整體方法通過多次精確調(diào)整與反饋，保障植物呼吸環(huán)境的長(zhǎng)期穩(wěn)定，并大幅提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度與可靠性。