一種基于無線技術(shù)的光合速率測量方法

袁俊杰，劉靜，羅斌，王成，王曉冬，尹宇鶴

（1.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100144；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097）

光合速率是反映植物光合作用效率的重要指標(biāo)，是決定作物產(chǎn)量高低和植物生產(chǎn)率的根本因素[1-2]，光合速率測定可為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)提供必需的數(shù)據(jù)支持，因此光合速率測量技術(shù)在農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用需求廣泛。

目前常見的光合速率測定方法中，基于CO2氣體分析的測定方法最為常用，基于該方法的便攜式光合作用測定系統(tǒng)已經(jīng)技術(shù)成熟，功能齊全，如國內(nèi)應(yīng)用較多的LI-COR 公司的LI-6400、ADC 公司的LCA-IV 等[3-4]，但這些產(chǎn)品均為國外公司生產(chǎn)，價格昂貴。而國內(nèi)同類產(chǎn)品型號較少，功能較為簡單，應(yīng)用也不廣泛?，F(xiàn)有產(chǎn)品中即使國外成熟產(chǎn)品也不能適應(yīng)所有的測量情況，并對測試的環(huán)境條件、操作人員經(jīng)驗(yàn)等都提出了嚴(yán)格要求，而且由于單臺儀器只能進(jìn)行單點(diǎn)測量，當(dāng)需要進(jìn)行植物光合速率的多點(diǎn)測量、遠(yuǎn)程測量以及對測量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行自動管理和分析時，現(xiàn)有設(shè)備已不能滿足要求。ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度、高通信效率、高安全性等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計一種基于ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的光合速率測量系統(tǒng)，以LI-6400 型便攜式光合作用儀為對照，在室內(nèi)和野外實(shí)地分別進(jìn)行環(huán)境參數(shù)和作物光合速率測定，分析系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性和適用環(huán)境，優(yōu)化與完善系統(tǒng)設(shè)計，為實(shí)現(xiàn)光合速率的多點(diǎn)無線測量提供依據(jù)。

1 光合速率測量原理

1.1 光合速率的測量原理

光合速率（Pn）是指單位時間內(nèi)單位葉面積（或單位干重）同化CO2的能力，通常測得的光合速率是指凈光合速率[6-7]。本文通過測定密閉氣路空間中一定時間段內(nèi)的CO2濃度下降量和葉室溫度，進(jìn)而計算出光合速率。光合速率值可按下式計算：

式中：Pn為光合速率（μmol/(m2·s)）；ΔC 為CO2濃度差（ppm）；Δt 為測定時間（s）；S 為CO2葉片面積（m2）；V 為葉室（包括氣路系統(tǒng)）體積（L）；T 為葉室的溫度（℃）；P 為大氣壓（Mpa）。

1.2 系統(tǒng)工作原理

將葉片密封在帶有透明窗口的葉室內(nèi)，葉片經(jīng)過光合作用，室內(nèi)CO2濃度會降低，用氣泵把葉室空氣抽出讓其流經(jīng)CO2傳感器，測量后再流回葉室以構(gòu)成循環(huán)密閉氣路。測量項(xiàng)目有光照度、CO2濃度、葉室溫濕度，數(shù)據(jù)采集端通過無線模塊把數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)接收端，接收端完成數(shù)據(jù)處理和界面顯示（圖1）。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System Block Diagram

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

基于文獻(xiàn)[8-16]中提到的各種光合速率測量方案，設(shè)計了本文測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端，下面詳細(xì)介紹各模塊。

1）傳感器。CO2傳感器：各種氣體都會吸收光，不同的氣體吸收不同波長的光，比如CO2就對紅外線（波長為4.26 μm）最敏感，所以紅外光透過不同濃度的CO2光強(qiáng)會不同，利用這個原理紅外CO2傳感器可以測量CO2的濃度。采用紅外氣體分析法[17]，選用的傳感器是Telaire 6615 紅外CO2傳感器，它是一種雙通道傳感器，除了CO2測量通道，它還有一個參考通道用于測量信號強(qiáng)度，進(jìn)而進(jìn)行周期性的自動校準(zhǔn)來保證傳感器的精度。

溫濕度傳感器：采用AMT2001 溫濕度一體型傳感器，具有精度高、一致性好、可靠性高、帶溫度補(bǔ)償、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

光合有效輻射傳感器：植物的光合反應(yīng)都集中在波長400-700 nm 范圍內(nèi)，這一波段的輻射被稱為光合有效輻射，它是植物生命活動、有機(jī)物質(zhì)合成和產(chǎn)量形成的能量來源。采用CM-GH 型光合有效輻射傳感器，其采用光學(xué)材料窗口，鋁合金殼體結(jié)構(gòu)，具有使用壽命長、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、密封性好、穩(wěn)定性好、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離長等特點(diǎn)。

2）無線模塊。選用的ZigBee 模塊型號為SZ06，該模塊采用加強(qiáng)型ZigBee 無線技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，可以接入模擬量或者開關(guān)量，而且可以輸出開關(guān)量，采用2.4GDSSS 擴(kuò)頻技術(shù)，具有定時主動上報或上位機(jī)查詢功能。

3）電源電路。采集數(shù)據(jù)端各路傳感器和無線傳輸模塊的工作電壓涉及12 V 和5 V，為了增加數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的移動性，采用12 V 電池供電，12 V 經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路分成12 V 和5 V 兩種電源為整個采集節(jié)點(diǎn)供電。

4）觸屏模塊。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)采用與采集節(jié)點(diǎn)同樣的ZigBee 無線模塊接收各路傳感器數(shù)據(jù)， 通過RS485 總線與嵌入式TCP 屏連接，該觸摸屏系統(tǒng)采用ARM 處理器作為數(shù)據(jù)處理的主控芯片，為實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)處理采用多線程編程， 操作系統(tǒng)采用WINCE 系統(tǒng)，它是嵌入式、移動計算平臺的基礎(chǔ)，是一個開放的、可升級的32 位嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。支持無線設(shè)備，具有系統(tǒng)級的可靠性，占用內(nèi)存體積小，網(wǎng)絡(luò)安全性強(qiáng)，支持豐富的多媒體。

5）氣路系統(tǒng)。葉室端的氣體經(jīng)過氣路被氣泵抽到數(shù)據(jù)采集端， 氣體流經(jīng)氣泵后流入非色散紅外CO2傳感器，此時密閉氣路的CO2濃度被采集，接著氣體通過氣路回路流回葉室端以形成密閉氣路系統(tǒng)。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的選擇

常見的工作在2.4 GHz 頻段的無線協(xié)議有WIFI、Bluetooth、ZigBee、IrDA。WIFI 雖然快但功耗高，主要應(yīng)用于音視頻圖片傳輸；Bluetooth 速率、功耗中等，傳輸距離很短，所以主要用于藍(lán)牙鼠標(biāo)或耳機(jī)；紅外距離短，功耗低，速率也低，主要用于小型移動設(shè)備；而ZigBee 技術(shù)具有價低廉、可靠性高、效率優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，所以在無線個域網(wǎng)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景[18]。ZigBee 協(xié)議分四層結(jié)構(gòu)，其中物理層（PHY）和媒體介質(zhì)訪問層（MAC）由IEEE82.15.4 定義，而網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）由ZigBee 世界聯(lián)盟自己制定[19]。

2.3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件主要包括以下部分：采集節(jié)點(diǎn)采集發(fā)送數(shù)據(jù)（圖2），中心節(jié)點(diǎn)接收傳遞數(shù)據(jù)（圖3），中心節(jié)點(diǎn)處理顯示數(shù)據(jù)（圖4）。程序的關(guān)鍵是ZigBee組網(wǎng)部分和數(shù)據(jù)的組包與解析，以及中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理與顯示，其中數(shù)據(jù)處理又分為通道處理（電參量向非電量的轉(zhuǎn)換），腳本處理（運(yùn)用一定的算法和公式將通道處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理），數(shù)據(jù)存盤（用腳本程序?qū)崿F(xiàn)）；所有模塊由數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和同步。

圖2 采集節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.2 Acquisition nodes flowchart

圖3 中心節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.3 Central node flowchart

圖4 中心節(jié)點(diǎn)程序功能框圖Fig.4 Functional block diagram of the central node

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)分別為北京市農(nóng)林科學(xué)院實(shí)驗(yàn)室（簡稱實(shí)驗(yàn)室）和溫室蔬菜實(shí)驗(yàn)基地兩個地方，實(shí)驗(yàn)室可調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度和CO2濃度。過程中用到本裝置和美國Licor 公司LI-6400 型便攜式光合作用儀。實(shí)驗(yàn)對象是環(huán)境空氣和長茄葉片。

3.2 傳感器測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)中用到CO2和溫濕度傳感器，這些傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響儀器測量值的準(zhǔn)確性，所以首先在實(shí)驗(yàn)室中分別進(jìn)行了空氣CO2濃度、空氣溫度和空氣濕度的測量實(shí)驗(yàn)。具體設(shè)計：1）調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室CO2濃度，分別用本裝置和LI-6400 進(jìn)行不同水平的CO2濃度測量， 每個范圍的測量不屬于重復(fù)測量；2）調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室溫度，進(jìn)行不同水平的溫度測量；3）調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室濕度，進(jìn)行不同范圍的濕度測量，且每個范圍的三組數(shù)據(jù)屬于不同水平的濕度測量。

3.3 儀器測量值準(zhǔn)確性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)關(guān)鍵目標(biāo)是測量作物光合速率，在保證系統(tǒng)各路傳感器準(zhǔn)確工作后，需進(jìn)行光合速率實(shí)測實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)選擇在溫室蔬菜實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，分別用本裝置和LI-6400 對長茄葉片進(jìn)行光合速率測量實(shí)驗(yàn)。時間為上午9:00-12:00 和下午13:00-17:00，每隔十分鐘讀數(shù)一次。試驗(yàn)過程需注意，兩個測量裝置都需要開機(jī)預(yù)熱，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再開始測量；兩次讀數(shù)之間要打開頁夾，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再進(jìn)行下一次測量。

4 結(jié)果與分析

4.1 空氣CO2濃度測定分析

與LI-6400 的測量結(jié)果比較， 本系統(tǒng)測定的CO2濃度結(jié)果的平均測量偏差為-1.09%（表1），該測量偏差滿足測量精度要求，不足是本裝置測量值只能精確到個位，而LI-6400 能精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，主要原因是本設(shè)計為取得成本和精度之間的平衡，所以沒有選擇精度更高的傳感器。用最小二乘法線性擬合表1 中測量值，發(fā)現(xiàn)本裝置CO2測量值和LI-6400 測量值之間存在近似的線性關(guān)系（y=0.9075x+45.5605，R2=0.9533），而且擬合系數(shù)接近為1，說明本文裝置測量值與LI-6400 測量值存在一致的變化規(guī)律。

表1 二氧化碳濃度測量值對比Table 1 Comparison of measured concentrations of carbon dioxide by two systems

4.2 空氣溫度測定分析

溫度測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）顯示了兩種裝置在不同溫度水平下的測量偏差，由此可以計算出本裝置溫度測量與LI-6400 的平均測量偏差為-7.68%，測量值偏差稍大。原因分析是兩種裝置的構(gòu)造不同，局部溫度會有所差異。經(jīng)最小二乘法線性擬合發(fā)現(xiàn)兩種裝置的空氣溫度測量值之間也存在近似的線性關(guān)系（y=1.0149x+0.8078，R2=0.9825），說明兩種裝置測量值雖存在偏差，但變化規(guī)律一致。每個水平的溫度重復(fù)測量了三次，利用EXCEL 對表2 中5-10 ℃范圍的三組（其他范圍內(nèi)數(shù)據(jù)做了相同的分析，結(jié)果類似，此處不再一一列出）數(shù)據(jù)進(jìn)行方差統(tǒng)計分析，得LI-6400 測量值方差為0.117 6，本文裝置測量值方差為0.333 3，雖比LI-6400 偏大，但也在允許的范圍內(nèi)。

假設(shè)不同裝置對測量結(jié)果有影響，比較檢驗(yàn)統(tǒng)計量F 和給定α 水平下的臨界值Fcrit（F=0.0089＜Fcrit=7.7086）得出原假設(shè)不成立，即不同裝置對測量結(jié)果沒有顯著影響，由此看出，兩種裝置空氣溫度測量值沒有顯著差異。

表2 溫度測量值對比Table 2 Comparison of measured air temperature by two systems

4.3 空氣濕度測定分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表3）表明兩種裝置在不同濕度水平下的測量結(jié)果和每組數(shù)據(jù)的測量偏差，在測量空氣濕度時， 本裝置相對LI-6400 的平均測量偏差為0.64%，說明測量值非常接近，結(jié)果很理想。但最大偏差為16.47%，原因分析是儀器剛進(jìn)入測量狀態(tài)，工作還不穩(wěn)定，或者由操作不規(guī)范等原因?qū)е隆Ρ? 中數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，發(fā)現(xiàn)本裝置與LI-6400 的空氣濕度測量值存在如下關(guān)系：

y=1.0055x-0.2611

R2=0.9995

兩種裝置的測量值存在近似的線性關(guān)系，表明本文測量系統(tǒng)濕度測量與LI-6400 測量結(jié)果很接近，精度能夠滿足使用要求。

表3 濕度測量值對比Table 3 Comparison of measured air humidity by two systems

4.4 光合速率測定結(jié)果分析

表4 為作物一天的光合速率測量結(jié)果，同樣是拿LI-6400 示值和本裝置示值做對比。測量值較小時，本裝置和LI-6400 的光合速率測量值表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，隨著測量值的增大不再成線性關(guān)系。而且由表4 數(shù)據(jù)知，在11-12 點(diǎn)期間本裝置測量值明顯比LI-6400 低。原因分析如下：1）本測量系統(tǒng)是密閉式，當(dāng)光合速率較大時，密閉系統(tǒng)葉室里的CO2濃度迅速降低，已不是正常環(huán)境下的光合速率值，所以測出來的是低CO2濃度下的光合速率，比自然環(huán)境下測量值??；2）中午溫度較高時，系統(tǒng)散熱不好導(dǎo)致局部溫度偏高，會導(dǎo)致測量值偏小。

本文認(rèn)為LI-6400 示值小于5 μmol/(m2·s)的光合速率是低光合水平，對低光合水平下的數(shù)據(jù)單獨(dú)用最小二乘法線性擬合，發(fā)現(xiàn)此時，本裝置光合速率測量值和LI-6400 存在如下關(guān)系：

y=0.8783x+0.3164

R2=0.8573

結(jié)果基本令人滿意,但也存在誤差，分析誤差原因主要為：1）測量系統(tǒng)環(huán)境是局部環(huán)境，和真實(shí)植物生長環(huán)境有偏差；2）CO2傳感器測量和溫度傳感器本身有測量誤差；3）兩個裝置一起測量時，葉片測量位置無法做到完全相同，對數(shù)據(jù)造成影響。

通過分析本裝置測量數(shù)據(jù)以及與LI-6400 的對比可以看到，所設(shè)計測量系統(tǒng)的光合速率測量值與實(shí)際測量過程和環(huán)境條件是相符的，可以滿足光合速率測量需求。

表4 光合速率測量值對比（μmol/(m2·s)）Table 4 Comparison of measured photosynthetic rates by two systems（μmol/(m2·s)）

5 結(jié)論

本文將ZigBee 無線傳輸技術(shù)運(yùn)用于作物光合速率的監(jiān)測系統(tǒng)中，設(shè)計了一種遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫濕度及CO2濃度的實(shí)時監(jiān)測，并自動計算出光合速率。與現(xiàn)有光合速率測量系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：1）成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，是一種低成本的無線測量和監(jiān)控方案；2）采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，布置方便，降低安裝布線成本；3）系統(tǒng)具有通用性和可擴(kuò)展性，通過增加數(shù)據(jù)采集端或改變傳感器類型，以及修改觸摸屏終端軟件，可方便的擴(kuò)展系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)非常適用于室內(nèi)（低光合水平）教學(xué)等試驗(yàn)用場合。目前也存在一些問題，比如夾持葉片不能自動完成，還需人為操作葉室的打開和關(guān)閉；光合速率較高時，測量系統(tǒng)測量值偏低，這些問題可在后續(xù)設(shè)計中通過增加自動化裝置、優(yōu)化測量流程等措施得到改進(jìn)和完善。

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