進入 21 世紀,農業信息技術在宏觀方面取得廣泛應用的同時,也開始向微觀方向拓展。水資源緊缺日趨嚴重的現狀迫切要求農業灌溉朝著精確灌溉的方向發展,這就需要合理的灌溉指標指導灌溉。

準確地判斷和監測作物本身水分狀況的方法主要有兩種: 一是間接估算,即根據引起作物水分虧缺的環境因素\\( 如土壤水分、空氣溫濕度等\\) 的測定來估算作物水分狀況。二是直接測定,即根據測定的作物生理指標\\( 如蒸騰速率、葉水勢等\\) 來衡量作物水分狀況。Turner研究認為,利用作物本身的水分狀況作為灌溉依據比利用土壤水分狀況更可靠。從植物生理學角度講,植物器官\\( 莖、葉、果實等\\) 體積微變化動態與其體內的水分狀況有關,植株莖稈白天蒸騰失水收縮,夜晚根系吸水膨脹,這就為通過莖直徑微變化診斷植株體內的水分狀況提供了可能。這種方法具有不破壞植株組織、適合長期自動監測的優點,國外一些科技工作者以莖直徑變化作為作物水分狀況的指示指標,與灌溉自動控制系統相連接,實現了作物水分管理的自動化。

國內外存在的莖直徑微變化的測量方法主要包括非電量電測法、激光測量法、電容測量法及直接測量法等。直接測量法精度較低; 電容測量法輸出有非線性; 寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大; 激光測量的安全性差、成本高、測試精度易受環境干擾,并且光學系統保養使用麻煩,不適合普遍推廣。非電量電測法能夠連續、自動地對被測量進行測量和記錄,而且電信號可以遠距離傳輸,便于實現遠距離測量。

國內研究人員采用的方法: 將線性可變差動變壓器\\( Linear Variable Differential Transformer,LVDT\\) 固定在莖稈測量部位,與數據采集器相連實現自動記錄;在測量一段時間后,再將數據下載至 PC 機進行分析。臺海江等提出了一種基于 LVDT 的單片機與數據采集單元結合測量作物莖稈微變化量的方法。

以上這類有線測量方法雖然能保證在一個較長的生育期間連續測定,但是在溫室或大田環境下,極易老化的通信電纜使系統的可靠性無法保證,并且會導致農業設施內部線纜縱橫交錯,增加了系統安裝及維護成本。為此,設計了一套基于 LVDT 的植株莖稈直徑變化遠程無線監測系統。其構成簡單、方便實用,實現對作物莖稈直徑微變化的無損、長時、遠程監測。

1、 系統硬件設計

系統硬件主要由觸摸式數據采集處理終端、APC系列遠程無線數據收發模塊及其外圍電路、LVDT 傳感器及其變送器組成,系統構成如圖 1 所示。將LVDT 傳感器集成到 APC300 無線數據采集與發送模塊內,構成硬件系統的一個個節點; APC250S 無線數據接收模塊通過 RS232 串口與觸摸式數據采集、處理終端相連,實現對數據的顯示、解析及存儲,并最終建立以莖直徑微變化量與土壤含水率的相關性分析模型。

1. 1 節點的設計

節點作為該硬件系統的基本功能單元,結構如圖2 所示。其包括數據采集單元 \\( LVDT 傳感器、變送器\\) 、數據處理和控制單元\\( 外圍電路、微處理器、存儲器\\) 、無線通信單元\\( 無線收發器\\) 和供電單元\\( 電源、降壓穩壓模塊\\) 。

1. 1. 1 數據采集單元

數據采集單元負責監測植株莖稈直徑變化信息的采集和進行數據轉換。LVDT 傳感器用于感知、獲取莖稈直徑變化的信息,通過變送器將莖直徑位移信號轉換成標準電壓或電流信號輸出。

1\\) LVDT 線性位移傳感器。LVDT 傳感器的優點是高精度、高可靠性,能適應惡劣環境,符合本系統要求。本系統選用低功耗差動變壓器式位移傳感器,主要性能指標: 精度為 ± 0. 5% F. S. ; 溫度系數為 0. 01~ 0. 03% / ℃ ; 應用環境為 - 10 ~ 60 ℃ 、0 ~ 100% RH;量程為 0 ~10mm; 輸出信號 4 ~ 20mA。結合 LVDT 信號變送器可實現信號由位移信號到電信號的轉換,且位移量與電流值呈線性對應關系。

2\\) 信號調理芯片 AD698。AD698 作為 LVDT 傳感器變送器的重要組成部分,是美國 Analog Devices公司生產的單片式線性位移差分變壓器信號調理系統。AD698 與 LVDT 配合,能夠高精確和高再現性地將 LVDT 的機械位移轉換成單極性或雙極性的直流電壓,再增加幾個外接無源元件來確定激磁頻率和增益,即可將電壓值轉換成電流值。

1. 1. 2 數據處理控制及無線通信單元

數據處理控制單元負責控制整個傳感器節點的操作,選用超低功耗微處理器協調節點各部分的工作,內置高精度 12bit A\\D 實現模擬信號到數字信號的準確轉換; 無線通信單元負責子節點與主節點之間的無線通信、交換控制消息和收發采集數據。

APC300 無線數據采集發送模塊內置數據處理控制單元和無線通信單元。處理器采用 8 位超低功耗STM8L151G6 微處理器,主要性能指標為: 2kB SRAM、32kB Flash、正常工作下的電流 14mA、睡眠模式下的電流 1. 5μA,主要負責控制傳感器數據采集、無線收發、電池能量監測、丟包概率監測及系統任務調度等。

無線通信單元采用射頻芯片 SI4432,其性能指標為: 工作在240 ~960MHz 頻段、電流300nA、接收靈敏度- 117dB、發射功率 11 ~ 20dBm、調制方式 GFSK,具有高集成度、低功耗、多頻段的特點。其內部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數字調制解調器、64 字節的發送和接收數據 FIFO 以及可配置的 GPIO 等。因此,APC300 無線數據采集發送模塊功耗極低且集成度極高,1 節普通的鋰亞電池可工作數年,其體積為 22.4mm × 15. 9mm × 5. 0mm,易于模塊集成; 可視無障礙無線傳輸距離最遠可達 700m; 一個終端可以接收多個節點的數據,實現一收多發、多點測量。

1. 1. 3 供電單元

供電單元包括電源模塊及降壓穩壓模塊,主要為節點及無線數據接收模塊供電。選擇輸出電壓為 24V 的可充電鋰亞電池為 LVDT傳感器及 APC300、APC250S 數據收發模塊供電,經過可調降壓穩壓模塊將 24V 電壓轉換為 12,5,3. 6V。該模塊集成了 LM2596 開關電壓調節器,功耗低、開關頻率高、輸出紋波小且輸出電壓穩定可靠。由于傳感器及數據收發模塊功耗較低,可連續工作很長時間,且鋰亞電池體積小,便于集成。

1. 2 外圍電路的設計

將 LVDT 傳感器接入如圖 3 所示的 APC300 無線數據采集與發送模塊的外圍電路中,接入的 LVDT 傳感器等效于可變電流源,將其并聯在 R1= 200Ω 精密電阻上,在第 5 腳數據采集端 AD2和傳感器電源控制腳 AUX 之間串聯精密電阻 R2= 100kΩ,采集的數據是R2兩端電壓 U2的數字量。隨著 LVDT 位移值的增大,電流逐漸增大,U2逐漸減小,數字量也逐漸減小。經試驗驗證,LVDT 傳感器輸出電流 I 在 4 ~ 20mA 范圍內變化時,U2的變化范圍為 3. 12 ~ 0. 18V,二者的變化呈負線性對應關系。因此,建立二者之間的線性函數模型,通過電壓數字量的變化來反映位移的變化,實現了對位移值變化的直觀顯示。

節點發送 6 個字節數據至 APC250S 數據接收模塊,再經 RS232 串口至觸摸式數據采集處理終端,經過軟件實現數據處理。

2、 系統軟件設計

本系統軟件設計采用模塊化和結構化設計方法,便于功能上的擴展。上位機操作界面采用 VB. NET語言開發,使用 Visual Basic. NET Framework 4. 0 建立人機界面,主要完成數據的解析、顯示、存儲及繪制曲線的功能,包括以下 8 個模塊。

1\\) 登錄模塊: 輸入正確的用戶名及密碼方可進入該系統,自動判斷其權限。

2\\) 主加載模塊: 程序的主模塊,其菜單欄和工具欄可以實現大多數的操作,狀態欄用于顯示提示信息及用戶權限等。

3\\) 參數設置模塊: 在接收數據之前,通過 open 方法打開串口,并完成對串口號、波特率以及數據格式等屬性的設置,實現對串口的控制和管理。

4\\) 時間顯示模塊: 調用 Timer 控件,顯示運行時間,為采集的數據提供時間依據。

5\\) 串口數據接收模塊: 調用 serialport 類,將串口接收的數據按其原格式進行顯示,更新接收窗口數據。

6\\) 數據處理模塊: 實現對字符串的接收、顯示并解析,根據接收字符串的 ID 判斷數據來源于哪個節點,并將字符串及解析值顯示在主界面上。

7\\) 數據保存模塊: 將來自不同節點的數據存入EXCEL 表格的不同列內,完成數據的存儲,并可以有選擇地將詳細信息打印出來。

8\\) 曲線繪制模塊: 調用來自子節點的數據,創建嵌入式圖表,實現數據隨時間變化的動態直觀顯示,便于做進一步的數據挖掘和分析。

系統主程序流程圖,如圖 4 所示。

3、 實驗驗證

3. 1 試驗方案

相關文獻表明,處于結果期的番茄植株木質部和韌皮部幾乎停止生長,不再變粗,其莖直徑變化的主要原因在于韌皮部的吸水膨脹及失水收縮,且莖直徑的日變化情況滯后于土壤相對含水率的變化。在晴好天氣下,土壤相對含水率在 50% ~ 80% 時,番茄莖稈的下節位直徑變化較上節位顯著; 而在土壤相對含水率低于 50% 時,番茄莖稈的上節位直徑變化較下節位顯著。因此,實施試驗進行驗證。

試驗于 2013 年 5 -7 月在北京農林科學院溫室中進行,溫室東西走向,坐南朝北,覆蓋聚乙烯薄膜。試驗地土質為砂壤土,田間持水率為 28% 。試驗以小區試驗方式進行,番茄品種為佳粉 18,于 5 月上旬移栽至小區分 4 行種植,單行 10 株,行距 55cm,株距40cm。小區供水方式為漫灌。

在番茄植株進入結果期第 1 輪花序 30 天之后,隨機選取 4 株長勢相近植株,在 7 月 4 - 10 日開始對其做干旱處理試驗。將四套系統分別安裝在番茄植株1、3 莖稈的上節位以及植株 2、4 莖稈的下節位,并在試驗末期\\( 7 月 9 日中午\\) 為植株 1、2 各澆水 500mL。

為方便比較,以 LVDT 傳感器安裝初始時刻的莖直徑變化值為準,將莖直徑初始值設定為 1mm,記錄莖直徑相對變化量。節點布置好之后,將終端放在距離節點約 50m 的溫室內,將數據采集周期設定為1min。在番茄莖直徑變化監測系統運行的同時,每隔12h 測定一次土壤相對含水率。采用如下方法進行測定: 用0. 1g 精度的天平稱取金屬盒質量,記作 m; 用土鉆采取土樣,將其盛于金屬盒內,稱取金屬盒與濕土質量,記作 M; 在 105℃的烘箱內將土樣烘 6 ~8h 至恒重,然后測定烘干土樣與金屬盒的總質量,記作 Ms,則土壤相對含水率 = \\( M - Ms\\) /\\( M - m\\) ×100% 。

圖 5 所示為數據采集界面,圖 6 及圖 7 為采集終端和節點,圖 8 為各植株莖稈直徑相對變化量隨時間的變化情況及其與土壤相對含水率的相關性分析結果。

3. 2 試驗結果分析

1\\) 在土壤相對含水率高于 50% 左右時,夾持于下節位的植株 2、4 比夾持于上節位的植株 1、3 莖稈直徑變化顯著; 而在土壤相對含水率低于 50% 左右時,植株 1、3 莖直徑變化比植株 2、4 顯著,這說明處于結果期的番茄植株下節位對水敏感。

2\\) 在一個干旱周期內,植株 3、4 的土壤相對含水率與莖直徑相對變化量相關性程度高于進行灌溉的植株 1、2。其原因可能在于,澆水后的植株 1、2 莖直徑并沒有立即呈現出明顯變化,驗證了植株莖直徑的變化滯后于土壤相對含水率的變化的理論。

3\\) 植株 1、2 在施少量水后莖稈直徑呈恢復趨勢,但是滯后于土壤相對含水率的升高。這說明番茄植株土壤含水率的變化可以作為間接估算作物水分狀況的指標,但是并不能直接反映作物體內的水分狀況。

4\\) 植株 3、4 莖直徑變化量與土壤相對含水率變化趨勢較一致,在整個干旱周期內植株 3 在相關性方面高于植株 4; 但是在土壤相對含水率高于 50% 時,植株 4 在相關性方面要優于植株 3,這也和相關文獻的實驗結果是相符合的。

4、 結束語

隨著水資源緊缺,灌溉農業越來越朝著精細化、智能化的方向發展,作物水分狀況的檢測及診斷技術作為其基礎就成為了研究的重點。文中設計的監測系統可實現對莖稈直徑變化的無損、長時、精確、遠程監測,具有成本低、環境適應性好等優點,為建立診斷作物水分狀況的指標體系和決策指導作物精細灌溉提供了依據。