基于Labview的植物微信息獲取

吳云鵬 呂丹桔 秦明明 秦志一 張雁

摘要 為獲取植物體應(yīng)激反應(yīng)過程設(shè)計了一種檢測方法。該方法以Labview虛擬儀器為平臺，利用紅光探頭獲取植物微信息，并以海芋為檢測對象，通過對其做破損實驗，檢測該植物的應(yīng)激微信息數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，該方法可有效檢測因外界刺激引起植物自身反應(yīng)的過程，能夠用于實時監(jiān)測植物生長情況。

關(guān)鍵詞 Labview；紅光探頭；動態(tài)監(jiān)測；植物微信息

中圖分類號 S-058 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2015）11-362-05

Lambert-Beer定律（郎伯比爾定律）是說明物質(zhì)對單色光吸收的強弱與吸光物質(zhì)的濃度和物質(zhì)厚度間的關(guān)系的定律，是光吸收的基本定律[1]。郎伯比爾定律目前廣泛用于一些醫(yī)療設(shè)備上，如人們發(fā)明的一些測脈搏儀和測血氧飽和度儀器。測脈搏儀是利用紅外光照射手指，并將透射手指的光強轉(zhuǎn)化為容易測量的微電信息（電流），再依據(jù)郎伯比爾定律測量其微電信息的變化次數(shù)來確定脈搏次數(shù)。測血氧儀是根據(jù)郎伯比爾定律建立含電流值的數(shù)學(xué)模型公式，原理也是將透射的光強轉(zhuǎn)化為容易測量的物理量（電流），再利用模型公式計算血氧飽和度[2]。

當一定頻率的紅光照射到被分析的有機物質(zhì)上，可以引起分子中價電子的躍遷，一部分光將被吸收。筆者利用透射式紅光探頭照射植物莖部為獲取植物體的應(yīng)激反應(yīng)進行了一些破損實驗。使用紅光探頭照射植物莖部，紅光到達莖部后， 一部分被植物體內(nèi)有機物和其他少量礦物質(zhì)等物質(zhì)所吸收， 少量被反射后，剩下的透過葉片被光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電信號[3-4]。由于植物在不同因素下其體內(nèi)有機物、礦物質(zhì)等物質(zhì)活動速率和含量會有變化，據(jù)此可以得到變化的微電子信息，然后通過放大電路進行放大，最后由數(shù)據(jù)采集卡采集處理后傳給上位機Labview軟件進行分析處理顯示。該研究設(shè)計了一個實驗平臺來獲取植物的微信息。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)以NI 的Labview虛擬儀器開發(fā)平臺為核心， 實時采集并顯示測試結(jié)果（包括微信號波形、周期、頻率、峰峰值等）。系統(tǒng)由硬件電路、數(shù)據(jù)采集卡和Labview程序3部分組成。

植物體的微信息可以通過光電轉(zhuǎn)換獲取，但植物微信息是低頻微弱的生理信號。因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求，模擬電路主要完成對這些信號的濾波、放大等工作[5]。

Labview平臺獲取模擬信號主要通過使用數(shù)據(jù)采集卡，基于Labview的虛擬儀器程序首先需要完成植物波信號的進一步處理， 如濾波、計算、顯示等以改善信號的質(zhì)量。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計主要完成植物微信號的獲取、放大、濾波等調(diào)理工作， 還應(yīng)考慮與計算數(shù)據(jù)采集卡采集速率和上位機Labview程序匹配問題。植物微信息的獲取是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，用上位機進行測量和顯示的裝置。該設(shè)計的信號處理電路主要對信號進行前置放大濾波。硬件系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號處理、數(shù)據(jù)采集卡、上位機Labview應(yīng)用程序、電源等部分。即向光電傳感器、信號處理、單片機提供的電源，可以是5～9 V的交流或直流的穩(wěn)壓電源。

2.1 信號采集電路

此電路主要運用光電傳感器即將非電量（紅光）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成，它可以將接收到的紅光按一定的線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量（電壓）輸出[6]。該系統(tǒng)設(shè)計的信號采集電路如圖2所示。

2.2 放大電路

此電路主要作用是信號處理即處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路（包括放大、濾波、整形等）。該研究運用LM358放大電路，LM358內(nèi)部包括2個獨立、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)，放大電路如圖3所示。運用U2將信號放大，放大倍數(shù)由R7和R8的比值決定，根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)[5-8]，可得：

3 軟件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

Labview軟件完成的主要功能包括：①正確配置數(shù)據(jù)采集卡的各個參數(shù)；②在前面板實時顯示植物體微信息波形；③對于噪聲進行判斷濾除；④計算微信號峰峰值、頻率、幅值等；⑤前面板用戶交互（UI），包括參數(shù)輸入、時間顯示等。

該設(shè)計以Labview為軟件開發(fā)平臺，借助虛擬儀器處理數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：信號采集、信號處理和信息顯示。軟件設(shè)計為2個通道CH1和CH2，此次實驗采用的通道CH1偶和值為直流。軟件系統(tǒng)流程圖如圖4所示，通過上位機Labview程序設(shè)定采樣率為200KSample/s，采樣長度設(shè)置為500，此參數(shù)與觸發(fā)位置有關(guān)，代表了從觸發(fā)位置開始之后的數(shù)據(jù)長度，通道量程設(shè)置為20VPP。設(shè)置好觸發(fā)參數(shù)后啟動采集，延遲0.5 s觸發(fā)一次，觸發(fā)后要查看采集標志位并判斷采集是否完成，如果采集完成則讀取數(shù)據(jù)并存儲在硬盤里。程序設(shè)置為每次掃描讀取2 000個樣本，根據(jù)程序的掃描時間為500 ms執(zhí)行一次循環(huán)，1 s循環(huán)2次即1 s讀取2次，每次讀取2 000個樣本值，下一次掃描的樣本值會覆蓋原來的值。

3.2 基于nextkit數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集設(shè)計 該設(shè)計中使用的數(shù)據(jù)采集卡是泛華測控研發(fā)的nextkit數(shù)據(jù)采集卡，由Labview2012進行編程和開發(fā)。該產(chǎn)品具有雙通道數(shù)字存儲示波器功能和8種常用儀器功能，并提供軟件與二次開發(fā)DLL。本設(shè)計是采用二次開發(fā)DLL實現(xiàn)無間斷改變采樣率等應(yīng)用易于實現(xiàn)。通過設(shè)計的紅外光探頭采集信號，用上位機中的Labview軟件可以對信號進行測量和處理。

3.3 Labview程序設(shè)計

植物微信息獲取系統(tǒng)軟件設(shè)計采用Labview程序編程，Labview程序又稱虛擬儀器，虛擬儀器由程序框圖和與程序框圖相對應(yīng)的前面板2部分組成。植物微信息獲取結(jié)果顯示的程序如圖5所示，程序框圖對應(yīng)的前面板如圖6所示[9]。

如圖6，程序功能為每次讀取并計算這2 000個樣本的平均值并存儲下來。左邊顯示屏（植物波形圖）表示每0.5 s讀取2 000個樣本值，并將2 000個樣本值全部顯示出來。右邊顯示屏（植物波形圖表）表示每0.5 s讀取2 000個樣本的算術(shù)平均值，每一個平均值代表的時間是0.5 s，圖中植物波形200代表時間為200×0.5=100 s。

4 實驗結(jié)果及分析

為觀察一些有關(guān)植物體對外界刺激的應(yīng)激反應(yīng)，該研究通過對植物的葉子和莖部做破損實驗得到大量數(shù)據(jù)，并分析處理得到植物波信號，如圖7所示，圖中每個點代表0.5 s。在實驗過程中實時記錄下環(huán)境溫濕度及植物相關(guān)信息。實驗時間是2014年10月4日，以下5組實驗的環(huán)境和檢測因素如表1所示。

4.1 紅光受損檢測-半葉受損檢測

如圖7所示，圖中黑線橫坐標為剪斷半葉的時間，明顯看到在黑線（剪斷半葉）以后光電轉(zhuǎn)化值先由一個平滑的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙隣顟B(tài)，在橫坐標接近1 000（500 s）的位置轉(zhuǎn)為平滑，又在接近2 000（1 000 s）的位置曲線轉(zhuǎn)為上升狀態(tài)，在接近4 000（2 000 s）的位置曲線轉(zhuǎn)為平滑，植物的微信息趨于穩(wěn)定。從切斷點處往后可以看出波形有明顯的跳動，這說明植物體內(nèi)的有機物活動發(fā)生明顯變化，這就是植物受刺激后的應(yīng)激反應(yīng)，這些可以從植物波信號中反映出來。

4.2 紅光受損檢測-半葉受損后的全葉受損檢測

如圖8所示，實驗4.2是在實驗4.1的基礎(chǔ)上完成的實驗（4.1、4.2、4.3在同一莖上完成的實驗），圖中黑線橫坐標為剪斷葉子的時刻。從圖8可以看出，剪斷前與剪斷后對比無明顯變化。

4.3 紅光檢測-半葉全葉受損后的莖受損檢測

如圖9所示，圖中黑線橫坐標為剪斷葉子的時間，從圖中可看出剪斷前與剪斷后并明顯變化。

實驗4.3是在實驗4.1和4.2的基礎(chǔ)上完成的實驗，在實驗4.2和4.3中，從獲取的植物體內(nèi)微信息的變化看出，植物在受損后，光電轉(zhuǎn)化值無明顯變化，說明在相同莖葉植物體受損后，再對其莖葉進行受損，從植物體的莖部獲取的微信息是無變化的，植物本身不再進行自修復(fù)過程。

4.4 紅光授損檢測-全葉受損檢測

如圖10所示，圖中黑線橫坐標為剪斷半葉的時刻，從圖中可以看出，在剪斷全葉后植物的光電轉(zhuǎn)換值由平滑狀態(tài)變?yōu)樯仙隣顟B(tài)，在橫坐標接近6 000（3 000 s）的位置轉(zhuǎn)為平滑跳動。與實驗4.2和4.3相比較，實驗4.4有明顯的變化。在切斷點的1 000的位置開始，明顯可看出波的跳動很大。

4.5 紅光檢測-全葉加莖受損檢測

如圖11所示，圖中黑線橫坐標為剪斷莖部的時刻，從圖中可以看出在剪斷莖部后光電轉(zhuǎn)化值由平滑狀態(tài)變?yōu)樯仙隣顟B(tài)，在橫坐標接近4 000（2 000 s）的位置，曲線漸漸變?yōu)槠椒€(wěn)。

實驗4.4和4.5都是獨立的實驗即在不同莖上做的實驗。與實驗4.2和4.3相比較，實驗4.4和4.5是有明顯變化的。在實驗4.1、4.4和4.5中，從獲取的植物體內(nèi)微信息的變化看出，植物在受損后，在莖部獲取微信號，光電轉(zhuǎn)化值會有明顯變化，在經(jīng)過一段時間修復(fù)后，光電轉(zhuǎn)化值又趨于平穩(wěn)，說明了植物體內(nèi)有機物等的變化，植物自修復(fù)有一個時間限制，經(jīng)過時間限制后，自修復(fù)停止。在實驗4.1、4.4和4.5中，在切斷點處可以看出波形有明顯的跳動，它反應(yīng)了植物體內(nèi)有機物、礦物質(zhì)等的活動速率，說明植物體內(nèi)的一些物質(zhì)的活動明顯加快，這就是植物體受刺激后，其波信號發(fā)生的變化。植物微信息的獲取將植物對應(yīng)激所做出的反應(yīng)體現(xiàn)在植物波信號的變化上。

5 結(jié)語

植物波信號為常見的生物信號，通過數(shù)據(jù)采集卡得到的波形能夠?qū)崟r監(jiān)測植物生長情況和環(huán)境變化。該設(shè)計實現(xiàn)了從植物體內(nèi)獲取波信號并進行準確、實時顯示和初步分析的功能。從硬件電路到Labview虛擬儀器，整體上最終均能夠采集、存儲、顯示和處理植物波信號。這種虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)與測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。同時，該系統(tǒng)在利用紅光探頭和數(shù)據(jù)采集卡獲取植物微信息上進行了大量實踐，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測植物應(yīng)激反應(yīng)，并為獲取植物生長情況和環(huán)境變化積累了相關(guān)經(jīng)驗。實驗證明，該系統(tǒng)的構(gòu)建具有可行性，可以實時監(jiān)測植物生長情況和環(huán)境變化。

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