基于NI—DAQmx 的植物電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

武海 田立國(guó) 汪建國(guó) 李猛 李玉爽

摘要：介紹了針對(duì)植物電信號(hào)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的基于NI數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的植物電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)DAQmx和Labview實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示，采用小波消噪算法及功率譜估計(jì)，用Matlab對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)消噪及頻域分析，完成植物微弱電信號(hào)的獲取與時(shí)頻域特性分析，成功地提取了植物電信號(hào)的特征值。結(jié)果表明，應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行植物電信號(hào)的采集與特性分析切實(shí)可行。

關(guān)鍵詞：植物電信號(hào)；DAQmx；檢測(cè)系統(tǒng)；消噪；頻域

中圖分類(lèi)號(hào)： TP274；S24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（201412-0326-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-03-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃（編號(hào)：SS2013AA03120；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金 （編號(hào)：YC13-12。

作者簡(jiǎn)介：武海（1987—，男，河北張家口人，碩士研究生，從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置研究。E-mail：wuhai4321@163com。

植物都在一定環(huán)境中生存，外界環(huán)境的變化會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程產(chǎn)生影響，相應(yīng)地，植物也對(duì)外界環(huán)境變化產(chǎn)生應(yīng)對(duì)行為，如含羞草的感震運(yùn)動(dòng)、合歡樹(shù)葉片的感夜運(yùn)動(dòng)等[1-2]。正是由于植物電信號(hào)與外界環(huán)境因子之間存在著密切的聯(lián)系，人們可以通過(guò)觀察植物電信號(hào)的變化來(lái)監(jiān)測(cè)外界環(huán)境的變化，如檢測(cè)地震、酸雨及氣候等，也可以據(jù)此營(yíng)造植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的最佳環(huán)境。植物電信號(hào)是植物細(xì)胞在生命活動(dòng)中發(fā)出的電磁信號(hào)，它的物理規(guī)律和生物學(xué)意義的解讀對(duì)了解生命的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理具有重要的意義。通過(guò)有效的信號(hào)檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理研究，得出對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐有價(jià)值的結(jié)論，可以實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)條件的合理優(yōu)化配置，促進(jìn)作物健康生長(zhǎng)，對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)信息化農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。植物電信號(hào)是一種極其微弱的電信號(hào)，其主要特點(diǎn)是噪聲背景和隨機(jī)性都比較強(qiáng)，是一種非穩(wěn)態(tài)的時(shí)變信號(hào)[5]。研究表明，在正常的植物生理活動(dòng)中，植物電信號(hào)幅值為微伏（μV級(jí)，在受到外界刺激后可能在瞬間達(dá)到毫伏（mV級(jí)[6-7]；頻率在 0～30 Hz的頻段，高于30Hz的信號(hào)極少，且噪聲對(duì)其影響較大，因此對(duì)植物電信號(hào)采集檢測(cè)裝置要求較高。本研究基于NI （National Instrument公司的DAQmx技術(shù)，設(shè)計(jì)1種植物微弱電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)植物電信號(hào)的檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示信號(hào)波形，在準(zhǔn)確檢測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可進(jìn)行信號(hào)特性處理解析。

1檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

11系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

選取在實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)狀態(tài)良好的盆栽植物，將引導(dǎo)電極插入植物的莖部或葉部，通過(guò)引導(dǎo)電極的電信號(hào)經(jīng)低噪聲前置放大、有源濾波、50Hz工頻陷波等硬件信號(hào)調(diào)理電路處理后接入數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，在Labview軟件環(huán)境下進(jìn)行軟件信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理及波形顯示。植物電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖見(jiàn)圖1。

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12硬件構(gòu)成

121引導(dǎo)電極引導(dǎo)電極與植物體接觸時(shí)，在植物體表面會(huì)有極化電位產(chǎn)生，此極化電位對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重影響，因此應(yīng)選擇乏極化電極，目前多用鉑金電極、銀-氯化銀電極等[8]。本研究選用鉑絲電極刺入植物，電極尖端直徑為 02 mm，長(zhǎng)度為20 mm；參考電極采用試驗(yàn)用Ag-AgCl電極。

122信號(hào)調(diào)理模塊引導(dǎo)電極采集來(lái)的植物電信號(hào)需要經(jīng)信號(hào)調(diào)理才能夠供數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于植物電信號(hào)自身微弱、低頻等特點(diǎn)，因此需要進(jìn)行前置放大及必要的濾波處理，本研究采用低噪聲前置放大器將信號(hào)放大5倍，低通濾波器截止頻率設(shè)為100 Hz，高通濾波設(shè)為003 Hz，并加入50 Hz陷波模塊衰減工頻干擾40 dB。

123NI ELVIS II+NI ELVIS II+硬件主要包括工作臺(tái)、原型板2個(gè)部分。工作臺(tái)集成了DAQ卡，模擬輸入通道數(shù)為16，其AI采樣率為500 kS/s（雙通道，16 位分辨率，并且通過(guò)USB接口與PC機(jī)連接，可實(shí)現(xiàn)快速易用的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集及顯示。原型板還可以搭建自行設(shè)計(jì)的硬件電路，這為后期硬件調(diào)理模塊方面的改進(jìn)及優(yōu)化提供了便利。

124計(jì)算機(jī)DELL1545便攜式電腦，CPU主頻2 GHz，內(nèi)存2 GB，windows XP操作系統(tǒng)。

13軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)以Labview 100專(zhuān)業(yè)版為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用NI公司推出的DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件不局限于基本的DAQ驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高性能的多線程驅(qū)動(dòng)。虛擬儀器（VI包括前面板和與之相對(duì)應(yīng)的程序框圖。前面板對(duì)應(yīng)著供用戶可視可操作的界面顯示；程序框圖是程序的圖形化源代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與顯示。

131硬件自檢及自校準(zhǔn)為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)行信號(hào)測(cè)量前要對(duì)NI ELVIS II+進(jìn)行自檢及自校準(zhǔn)，以便確保硬件正常工作；自校準(zhǔn)時(shí)要把數(shù)據(jù)采集卡的所有采集通道與待采集信號(hào)斷開(kāi)。此操作在測(cè)量與自動(dòng)化管理器（Measurement & Automation Explorer中進(jìn)行。

132程序面板設(shè)計(jì)Labview通過(guò)NI-DAQmx應(yīng)用程序編程接口（API函數(shù)的不同組合編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理顯示任務(wù)。通用的測(cè)量系統(tǒng)一般包括創(chuàng)建虛擬通道VI、定時(shí)VI、啟動(dòng)任務(wù)VI、讀取VI和清除任務(wù)VI，該系統(tǒng)采用板卡的AI0+及AI0-兩模擬通道差分輸入模式，以便消除共模干擾的影響。該程序框圖包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及波形顯示功能。通過(guò)DAQ Readvi讀取到信號(hào)進(jìn)行波形顯示并將電信號(hào)數(shù)據(jù)存入電子表格文件，以便采用先進(jìn)算法對(duì)其進(jìn)行消噪處理及信號(hào)特性分析；同時(shí)將信號(hào)引入軟件信號(hào)調(diào)理部分進(jìn)行處理，再將處理過(guò)的信號(hào)存入另一電子表格文件。前后2次的記錄數(shù)據(jù)文件都存入計(jì)算機(jī)，供后期數(shù)據(jù)處理及分析用，系統(tǒng)程序框圖如圖2所示。endprint

133前面板設(shè)計(jì)前面板包括波形圖顯示控件、數(shù)據(jù)文件保存路徑顯示控件及1個(gè)停止按鈕，系統(tǒng)前面板如圖3所示。[FL]

21試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

植物選取實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)2個(gè)月的盆栽蘆薈，且其生長(zhǎng)狀況良好。試驗(yàn)用屏蔽箱用雙層銅網(wǎng)自制，并與硬件信號(hào)調(diào)理共地連接。正負(fù)電極分別插入蘆薈同一葉片中，2個(gè)電極相距1 cm左右[9]。參考電極與屏蔽箱共地。將正負(fù)電極接入信號(hào)調(diào)理裝置，該系統(tǒng)裝置主要實(shí)現(xiàn)植物電信號(hào)的放大與濾波處理，之后傳給數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)USB接口引入計(jì)算機(jī)，采用Labview軟件進(jìn)行處理分析。系統(tǒng)構(gòu)建完成后，上電運(yùn)行，待系統(tǒng)工作05 h后再進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

22試驗(yàn)結(jié)果

在溫度為25 ℃、相對(duì)濕度為60%、已被屏蔽植物生長(zhǎng)箱中，使用檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)盆栽蘆薈進(jìn)行電信號(hào)采集與測(cè)量。采集到的植物電原始信號(hào)波形如圖4所示。

23結(jié)果分析

將采集到的原始植物電信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab軟件處理，進(jìn)

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行小波域閾值降噪濾波。本研究采用db3小波基函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行5層降噪處理，采用ddencmp函數(shù)獲取降噪閾值，采用wdencmp函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪及壓縮，并列出植物電信號(hào)的一些基本特征。未消噪及消噪后的信號(hào)經(jīng)matlab處理結(jié)果如圖5所示。為進(jìn)一步了解植物電信號(hào)的頻域特性，還對(duì)消噪后的信號(hào)進(jìn)行頻域分析，采用pyulear函數(shù)進(jìn)行信號(hào)的功率譜估計(jì)，所得功率譜圖如圖6所示。根據(jù)所采集數(shù)據(jù)及消噪處理后的數(shù)據(jù)，求得信號(hào)的幾項(xiàng)基本特征見(jiàn)表1。

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由圖5可以看出小波消噪的明顯效果，蘆薈葉片電信號(hào)在1 s內(nèi)有數(shù)次較大波動(dòng)，表明含有動(dòng)作電波及變異電波，幾次大的信號(hào)波動(dòng)范圍集中在4 mV以下，考慮前置放大器的作用（放大5倍，可推斷波動(dòng)幅值在數(shù)百μV。

圖6表示信號(hào)頻域特性，可見(jiàn)蘆薈葉片電信號(hào)的頻率較低，功率譜主要分布在0～40 Hz范圍內(nèi)，而在0～20 Hz左右范圍最為集中且功率較強(qiáng)，表明該信號(hào)是一種低頻信號(hào)。

由表1看出，蘆薈葉片的電信號(hào)幅值為540 μV左右（運(yùn)放增益為5，均值及標(biāo)準(zhǔn)差都處于10-4數(shù)量級(jí)，說(shuō)明幅值處于數(shù)百μV；方差處于10-7數(shù)量級(jí)，說(shuō)明幅值距均值起伏不大，為μV量級(jí)。

3結(jié)論

本研究應(yīng)用NI-DAQmx的高效信號(hào)采集能力，設(shè)計(jì)了植物電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，所采集數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab處理得到明確的信號(hào)特性值。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了植物電信號(hào)的采集與特性分析，其運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)便、改動(dòng)升級(jí)便捷且成本低廉。虛擬儀器技術(shù)必將在微弱信號(hào)檢測(cè)研究方面起到重要作用。

將植物電信號(hào)與植物生長(zhǎng)環(huán)境信息相結(jié)合，建立植物電信號(hào)與環(huán)境因子間關(guān)系模型，從而為環(huán)境參數(shù)調(diào)控提供依據(jù)并建立植物生長(zhǎng)的最適宜環(huán)境；將其與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合可用于未來(lái)植物智能化自動(dòng)控制管理系統(tǒng)中，可以促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

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