CN101176419A - 基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统，其主要技术特点是置于电子天平上的作物植株主径上安装一声发射传感器，该声发射传感器依次连接到信号调理器、PCI数据采集卡和计算机系统，电子天平通过PCI控制总线与计算机相连，作物视情灌溉系统由计算机自动控制。本发明依据作物受水胁迫发出的悲鸣信号和蒸腾变化信号实施智能的视情精确喷灌和滴灌，并根据作物不同生长时期所需土壤水分的不同，通过计算机软件设定和适当调整作物的供水效率和供水时间，保证了作物生长的土壤水分适当又达到了节水的目的，有效保障了作物能够在最佳的土壤水分条件下生长。

Description

基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统

技术领域

本发明属于农业生物技术领域，尤其是一种基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统。

背景技术

近年来，农业工厂化技术发展很快，据90年代不完全统计，全世界温室面积60万公顷。我国的设施农业发展很快。1996-99年设施蔬菜、花卉栽培面积增加了近1倍。精准农业也呈现出诱人的发展前景。与此相适应，各种灌溉技术也得到了快速发展。视情精准灌溉已成为节水的重要措施和提高节水效率的重要途径之一。

对作物水分状况进行准确、快速、可靠的评价是有效进行视情精准灌溉的理论基础。作物吸水和散失水分的过程是作物本身不同的器官和它所在环境的相互作用、反馈影响的结果，受土壤——植物——大气连续体(简称SPAC)各个环节的综合作用。以往的水分评价指标大体可分为三种类型。一类是以土壤为对象，这是传统上常采用的，属于间接指标；第二类以环境为对象，通过环境条件的变化估计作物需水量，也属间接指标。第三类直接以作物为对象，这类指标受到越来越多的关注。因为，人们逐渐认识到，归根到底，作物本身应该是需否灌溉的最佳指示物，因为只有它们能把控制作物水分平衡的土壤因子和大气因子整合起来。以土壤为对象时多采用土壤水势或土壤相对含水量，其优点是比较稳定，受环境影响小。但其毕竟是反映作物生长环境的间接指标，且反映比较迟钝、滞后，精度低。因为：(1).作物、品种及生长状况对土壤水分的反应有很大差异。(2).以土壤水分测定深度和作物根系深度存在不确定性。(3).根系分布和土壤水分是不均匀的，使取样的难度增大。(4).少量的降水或灌溉产生的局部灌水对整个根区水分亏缺的判断带来困难。

然而，近几年植物水分生理研究的最新进展让我们开始从一个前所未有的视点重新审视植物本身，我们忽然发现，植物其实一直以自己的“语言”在时刻向我们传达着缺水的信号，即所谓的“会说话的植物(The speakingplant)”，只是这种声音以前被我们忽略了。植物的“语言”是指发生在植物水流通路上由于缺水而造成水流断裂时发出的爆裂声，或成为“尖叫声”(screaming)，即植物的“声发射”现象。

声发射(AE)是指物体在形变或受外界作用时，因迅速释放(弹性)能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。依据内聚力理论，植物内的水是在张力(负压)下输导的。土壤干燥时，张力增加到超过某些极限时，水分子间的内聚力或对导管壁的附着力失效，水柱的连续体被破坏，发生断裂或抽空，这就是植物木质部的空穴现象。出现空穴的同时，张力会突然释放而产生冲击波，并伴有声发射信号的产生。声发射是表征植物水胁迫的指标之一。导管中出现“空穴”后，开始只是充有稀薄的水蒸气，近似于真空状态，但很快，空气就会从周围渗入，直至空穴中的压力接近大气压，导管中形成了“气栓塞”，水流通路被阻断，水流被迫侧向绕行，输水的截面积减小，输水阻力显著增加。

Milburn和Johnson(1966)首次利用一个改进的听筒听取了水柱断裂时产生的“卡塔”声，察觉到蓖麻的叶柄在加大水分胁迫下逐次产生空穴。1983年，Tyree和Dixon对北美雪松(Thuja occidentalis L.)进行研究时，把声发射的测试频率范围移到超声频段，这就避免了通常存在的低频噪声干扰，使声发射法更简便可行。此项技术应用后，研究进展较快，大量的文献对这一极具吸引力的植物生理响应进行了进一步研究。

已有的研究结果表明，声发射指标极有可能作为一个特殊的植物响应来用于自动灌溉系统的开发。但是，尽管声发射的产生是植物对水分状况较敏感的响应，但在广泛地应用其进行灌溉计划之前，还应进一步研究植物在水胁迫下声发射的机理，及发生、发展规律。如声发射信号与植物水分状况、其它水分生理参数、土壤及大气水分胁迫、气象因素、作物生长发育阶段、作物种类及品种等因子的关系研究必须从定性上升到定量，细化的多因子数量模型必须建立，对声发射信号的分析与处理方法还有待改进等等.

以此为基本思想，通过声发射传感器采集作物在水胁迫下发出的超声信号，来探索作物水胁迫声学特性的发生、发展规律，并以此作为视情精准灌溉的主要技术指标，适当结合考虑其它生理指标，如冠层蒸腾量等，进一步研究作物在水胁迫下声发射的发生、发展规律。在以往研究基础上，进一步对声发射信号与植物水分状况、其它水分生理参数、土壤及大气水分胁迫、气象因素、作物生长发育阶段、作物种类及品种等因子的关系进行定量研究，建立细化的多因子数量模型，发展作物水分关系理论，建立人与植物的对话，为视情精准灌溉提供理论依据，进行微机自动化视情精准灌溉系统的软硬件系统开发，提高作物优质、高产、高效生产水平。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种检测作物蒸腾量的变化速率和声发射的变化关系从而得到作物水胁迫的程度，通过计算机智能控制的基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统。

实现本发明的技术方案是：

一种基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统，包括计算机系统及灌溉装置，灌溉装置由贮水器、管路构成，其特征在于：置于电子天平上的作物植株主径上安装一声发射传感器，该声发射传感器通过PCI控制总线依次连接信号放大器、PCI数据采集卡和计算机系统，PCI数据采集卡通过PCI控制总线采用继电器控制贮水器连接作物植株管路上的电磁阀，该电子天平通过PCI控制总线连接计算机，贮水器通过管路灌溉作物植株。

而且，所述的声发射传感器与作物植株之间置有硅酮胶。

而且，PCI数据采集卡采用继电器控制管路中的电磁阀的灌溉延时时间可按下面的数学模型计算：

$T=\frac{3600\×(W_0-W_1)}{2\×{10}^{6}Q}$

式中T——灌溉延时时间(s)，计算结果作四舍五入处理；

W₀——当日上次灌溉后的总重量(g)，如为本日第一次灌溉，W₀取零点时刻的总重量；

W₁——当前时刻总重量(g)；

Q——滴头流量(m³/h)；

W₀、W₁由电子天平读数得到，而滴头流量由用户在灌溉控制设定面板上输入。

而且，所述的声发射传感器为R15型声发射传感器，所述的计算机为基于LabWindows/CVI的计算机系统，电磁阀采用JD11SA-6型，继电器选用小型中间继电器JRX-13F型。

本发明的优点和积极效果是：

1.通过声发射传感器检测作物受水胁迫发出的超声信号，并转换成微弱的电信号，然后通过信号放大器放大，输入给数据采集(DAQ)板，最后通过计算机测控系统进行灌溉等处理。这种方式不会对植株造成伤害，测试精度较高；本装置也利用了电子天平来检测植株叶面蒸腾而产生的缺水程度，通过测茎液流速来计算蒸腾量从而反映植物的水分状况，与声发射传感器共同保证植株水胁迫的检测精度。

2.本发明依据作物受水胁迫发出的悲鸣(声发射)信号和蒸腾变化信号实施智能的视情精确喷灌和滴灌，并根据作物不同生长时期所需土壤水分的不同，通过计算机软件设定和适当调整作物的供水效率和供水时间，可实现作物的蒸腾量和对作物的喷水量或滴灌量的平衡，确保了土壤的水分保持在适合于作物生长的环境条件下，即保证了作物生长的土壤水分适当又达到了节水的目的，又有效保障作物能够在最佳的土壤水分条件下生长。

3.本发明以软件为核心，硬件设备有所减少，并具有良好的图形化、交互式虚拟仪器面板，操作简单，使用方便，测试集成度高，既大大增强了仪器功能又降低了成本。

4.本发明系统功能强大，包括数据实时采集、串口实时通讯、数据处理、现场状态监视、数据动态显示与报警、历史数据查询、图形显示与分析、控制计算与控制输出，以及完善的在线帮助、打印、数据导出等功能。整个系统易于维护，由于整个系统的主体是具有容错能力的软件，所以在操作时的注意事项比较少，因操作失误引起的仪器损坏或崩溃的概率较小，而且测控系统易于扩展，可随用户实际测试要求的变动，而方便地增删软件模块和硬件模块。

附图说明

图1为本发明的系统连接示意图；

图2为图1的A部放大结构剖面示意图；

图3为本发明的滴灌系统控制方框图；

图4为本发明的水胁迫周期内番茄茎部声发射频次与蒸腾量间的对比关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述，但不限于本实施例所叙述的具体结构。

本系统所涉及的基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统，主要由计算机系统及作物植株灌溉装置构成，灌溉装置由贮水器1、管路2和电磁阀3构成，可为作物植株5提供灌溉用水，本实施例采用滴灌方式，并具有两个滴头。作物植株是通过盆架(没有标号)置于电子天平6上，该电子天平为具有数字量输出的电子天平，可检测作物的蒸腾及其蒸腾速率T(Transpiration)。在作物植株主径上安装一声发射传感器4，该声发射传感器为R15型声发射传感器，可测量作物受水胁迫发出的超声信号，并将该信号转换成微弱的电信号，然后通过PCI控制总线7所连接的信号放大器放大、输入给数据采集卡(DAQ)，并通过计算机测控系统进行处理。PCI数据采集卡通过PCI控制总线采用继电器控制贮水器连接作物植株管路上的电磁阀，该PCI数据采集板将输出电压给继电器，从而控制与其相连接的作物植株管路上的贮水器的电磁阀，该电磁阀通过接收继电器的信号实施作物植株的滴灌、喷灌等动作。

为了提高传感器的灵敏度及检测的精度，增强信号的传输并减少局部脱水，在声发射传感器与作物植株之间置有硅酮胶8(参见图2)。

本实施例中采用的计算机为基于LabWindows/CVI的计算机系统，。

本滴灌系统所建立的计算机控制的滴灌控制方框图如图3所示。驱动电路是针对电磁阀设计的，电磁阀采用JD11SA-6型，线圈交流电压为220V，动作电流为1.5A，驱动电路中继电器选用小型中间继电器JRX-13F型，其工作电压9V，线圈电阻180Ω。

灌溉装置内水压可来自距地2.5m高的贮水器，滴头实际流量为3.6L/h。为保证根区土壤湿润的均匀性，可在每株植物根区相对方向上等距地安装两个滴头。

图4为水胁迫周期内番茄茎部声发射频次与蒸腾量间的对比关系示意图。为了既保障作物能够在最佳的土壤水分条件下生长，又能达到节水的目的，依据作物受水胁迫发出的悲鸣(声发射)信号和蒸腾变化信号实施视情精确喷灌和滴灌是可行、有效的。根据作物不同生长时期所需土壤水分的不同，通过计算机软件设定和适当调整作物的供水效率和供水时间，完全有可能使作物的蒸腾量和对作物的喷水量或滴灌量(WS/(g·h)^-1)保持平衡，以确保土壤的水分保持在适合于作物生长的环境条件下，即保证了作物生长的土壤水分适当又达到了节水的目的。

对于灌溉控制系统来说，核心部分是控制算法的确定和实现，即对灌溉始点和灌溉量的确定。

①控制方案的确定

作物白天与夜间对水分的供应要求是不一样的，水分供应主要取决于作物蒸腾作用的强弱。白天，作物蒸腾作用因有光照而较强，由检测实验知，声发射信号的频次与植物蒸腾速率的变化量(蒸腾加速度)在一定范围内显著相关，因此，依据声发射信号的发生频次可判断植株的水分状况；夜间，作物的蒸腾作用很弱，但要进行呼吸作用，为维持生命活动仍然需要水分供应，此时可按一定的时间间隔进行供水，即受时间变化的控制。为此，系统的水分供应采用了“声发射控制+时控”的控制方案：将一昼夜的时间划分为两个时间段如下表1所示，在t₁～t₂时段(白天)内，水分供应受声发射频次的变化控制；在t₂～t₁时段(夜间)内，水分供应受时间变化的控制。t₁、t₂可由实验人员根据需要在灌溉控制设定面板上设定和修改，如设t₁＝0、t₂＝24，则全为声发射控制；如设t₁＝t₂，则全为时变控制。

表1：灌溉控制时段划分

②声发射控制时段

在声发射控制时段，当每两秒钟AE事件计数超过用户在灌溉控制设定面板上设置的阈值β(在作物的不同生长期和不同的天气条件下，该阈值有所不同)时，即启动电磁阀进行灌溉。灌水量确定的基本思想为：当日因蒸散(蒸腾+蒸发)失多少水，就补充多少水，使作物水分的散失与供应基本保持平衡。因此，灌溉延时时间可按下式计算：

$T=\frac{3600\×(W_0-W_1)}{2\×{10}^{6}Q}$

式中T——灌溉延时时间(s)，计算结果作四舍五入处理；

W₀——当日上次灌溉后的总重量(g)，如为本日第一次灌溉，W₀取零点时刻的总重量；

W₁——当前时刻总重量(g)；

Q——滴头流量(m³/h)。

W₀、W₁由电子天平读数得到，而滴头流量由用户在灌溉控制设定面板上输入。

③时控时段

在这一时段内，系统严格按照操作员通过灌溉控制设定面板设定的供水时间和灌溉延时时间运行，而不管当前的AE事件发生频次情况。这一时段主要是为冬季作物根部加温和防冻而设计的，同时，进行控制灌溉对照实验也用到该算法。

实验处理如下：以两株盆栽番茄为研究对象，一株(编号A)以植物生理需水声发射信息为灌溉判据进行灌溉，另一株(编号B)进行定时控制灌溉作为对照。7月1日下午17时，每盆均灌水80g后实验开始。A株番茄连同其培养基质总重量为1125g，B株总重量为1131g。灌溉控制参数设定如表2所示。

表2

④灌溉控制效果

节水农业的根本目的在于提高水分利用率，以期获得最佳经济效益。通常提高水分利用率可通过节约用水和提高单产两条途径来实现。而按照植物需水声发射信息控制灌溉可望最大限度地提高水分利用效率。通过同定时控制灌溉植株(充分供水)的累计供水量比较，可以得到被控植株的节水效果。

表3为实验期间，番茄A每日的声发射频次总计数、灌水频次、灌水量和蒸散量统计表。而番茄B按设定的时间间隔和延时时间进行定时灌溉，每日灌水量为32g，9天共灌水288g，蒸散失水279.46g。表4为节水效果统计表，按AE信息控制灌溉与定时灌溉(充分供水)相比，可节水34.02％，效果较为显著。

表3按AE信息控制灌溉每日灌水量、灌水频次一览表

表4温室番茄控制灌溉节水效果

注：节水率＝100％×(W_B-W_A)/W_B

灌溉控制效果的另一目的是考察不同灌溉方法对植物生长的影响。选择番茄果实相对生长量(ΔD/D₀)为评价指标，对两种控制灌溉方式进行了比较如表5所示。两种方式对果实生长的影响区别不大，因此，选择应用植物声发射信息控制灌溉，既能保证作物稳产，又能提高水分利用效率，可以获得良好的经济效益。

表5不同灌溉控制方式下番茄果实的生长量

注：每株番茄取两个大小相近的果实，测其横径并取平均值。

从植物生理学角度可以很容易地对这种现象做出解释：植物的声发射现象从本质上说是由于水分亏缺造成的蒸腾流断裂而产生的，而植物的蒸腾强度又强烈地决定于光照强度，所以AE事件发生率与光照度有显著的相关性，而温度与光照也是密切相关的。因此，AE事件发生率可以作为一个敏感的生理指标，应用于指导温室环境的控制。

目前，在园艺系统中已有声发射实际应用的例子，而且其在应用中还有巨大的发展潜力。在加利福尼亚，AE被用于葡萄树的自动灌溉系统中，当气穴发生的速率达到预先设定的门槛值时，就开始灌溉。另一个应用实例在日本，当特定的气穴发生速率出现时，温室的遮日光屏就会放下以降低植物蒸腾量，从而促使水胁迫的程度加深。

相对于其它指标，声发射指标具有以下优势：声发射直接以作物为对象，整合SPAC系统大气、作物和土壤三方面的因子效应；与叶水势、蒸腾量、茎液流速、气孔阻力等水分指标一致性较好；代表了水流断裂的开始，对土壤和大气水分胁迫的反应极其敏感，不仅能反应土壤水分胁迫，而且对大气干旱快速响应，可同时用于温室小气候的自动化控制；容易实现长期无损自动监测；检测方便，微机自动化检测，可连续检测几十天以上，仪器设备投资小，可靠性高。因此，声发射指标具有在高效节水农业自动灌溉体系中应用的广阔前景。

Claims (4)

1.一种基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统，包括计算机系统及灌溉装置，灌溉装置由贮水器、管路构成，其特征在于：置于电子天平上的作物植株主径上安装一声发射传感器，该声发射传感器通过PCI控制总线依次连接信号放大器、PCI数据采集卡和计算机系统，PCI数据采集卡通过PCI控制总线采用继电器控制贮水器连接作物植株管路上的电磁阀，该电子天平通过PCI控制总线连接计算机，贮水器通过管路灌溉作物植株。

2.根据权利要求1所述的基于作物声发射技术的作物视情灌溉装置，其特征在于：所述的声发射传感器与作物植株之间置有硅酮胶。

3.根据权利要求1所述的基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统，其特征在于：PCI数据采集卡采用继电器控制管路中的电磁阀的灌溉延时时间可按下面的数学模型计算：

$T=\frac{3600\×(W_0-W_1)}{2\×{10}^{6}Q}$

式中T——灌溉延时时间(s)，计算结果作四舍五入处理；

W₀——当日上次灌溉后的总重量(g)，如为本日第一次灌溉，W₀取零点时刻的总重量；

W₁——当前时刻总重量(g)；

Q——滴头流量(m³/h)；

W₀、W₁由电子天平读数得到，而滴头流量由用户在灌溉控制设定面板上输入。

4.根据权利要求1所述的基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统，其特征在于：所述的声发射传感器为R15型声发射传感器，所述的计算机为基于LabWindows/CVI的计算机系统，电磁阀采用JD11SA-6型，继电器选用小型中间继电器JRX-13F型。

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