盆栽迷你玫瑰水脅迫聲發(fā)射精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)研究

周　橋， 陳　釗， 劉存瑞， 時　玲

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650201)

視情精準(zhǔn)灌溉是節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要組成部分，也是提高節(jié)水效率的重要途徑之一。為有效地進(jìn)行視情灌溉，研究者從不同方面研究作物缺水狀況的評價方法，制定了相應(yīng)的灌溉指標(biāo)。長期以來，人們把土壤含水量或大氣相對濕度作為控制農(nóng)作物灌溉的指標(biāo)，但這些指標(biāo)都是反映作物生長環(huán)境的間接指標(biāo)，用于對反映作物的缺水情況比較遲鈍、滯后，且精度低。因此，從植物本身出發(fā)，使其成為“會說話的植物”(the speaking plant)，建立人與植物的對話，以植物自身在水脅迫下的生理變化作為控制灌溉的依據(jù)已成為近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門領(lǐng)域[1-3]。其中，以植物水脅迫下聲發(fā)射信號為主要技術(shù)指標(biāo)的精準(zhǔn)灌溉顯示出極大的優(yōu)勢和前景，相關(guān)理論研究也取得很多進(jìn)展，但目前相應(yīng)灌溉系統(tǒng)的研究還不多。本研究以云南花卉中具有一定代表性的盆栽迷你玫瑰為研究對象，以聲發(fā)射作為其水分虧缺的主要診斷指標(biāo)，初步建立一套溫室花卉視情精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)并進(jìn)行灌溉試驗和效果分析，為將來基于聲發(fā)射技術(shù)更加成熟的智能化灌溉系統(tǒng)作相關(guān)探索和研究。

1　灌溉控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)為以PC機(jī)為核心、以LabWindows[4-6]為軟件開發(fā)平臺，配合必要的傳感器[7]、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集[8-9]卡、執(zhí)行單元等硬件組成的多通道水脅迫聲發(fā)射灌溉控制系統(tǒng)。

1.1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件是整個灌溉系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，針對系統(tǒng)功能的要求同時考慮精度、分辨率、傳輸速度等技術(shù)指標(biāo)，對硬件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，主要分為數(shù)據(jù)檢測設(shè)備[10-11]、信號調(diào)理設(shè)備、信號分析設(shè)備以及外圍設(shè)備4個部分(圖1)。

1.1.1AE傳感器與4615干旱脅迫檢測儀聲發(fā)射(acoustic emission，簡稱AE)是材料受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或裂紋時，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象，其中一部分應(yīng)變能以聲發(fā)射波的形式釋放。AE傳感器就是把這個聲發(fā)射應(yīng)力波轉(zhuǎn)換為電信號的一種檢測器(圖2)。

本系統(tǒng)采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的I15I型聲發(fā)射[12-15]傳感器和4615干旱脅迫檢測儀(drought stress monitor，簡稱DSM)來檢測植物缺水時發(fā)出的超聲信號。I15I型聲發(fā)射傳感器工作原理如下：利用壓電陶瓷材料鎬鈦酸鉛(PZT-5)在機(jī)械外力作用下的正壓電效應(yīng)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，在結(jié)構(gòu)上，屬于單端輸出式，利用壓電晶體的共振點(diǎn)可以得到很高的靈敏度。為了降低傳感器與前置放大器間的電纜阻抗，從而減少電波干擾，I15I將20 dB的前置放大器內(nèi)置。4615干旱脅迫檢測儀由信號通道、接口電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)系統(tǒng)組成，它具有1路AE信號通道，由傳感器、前置放大器、帶通濾波器、主放大器、包絡(luò)檢波、均方根電壓電平形成電路、能量處理電路、振鈴及事件形成電路等組成，I15I型AE傳感器與之配套使用，可實現(xiàn)植物生理需水信息聲發(fā)射信號的參數(shù)識別。

1.1.2數(shù)據(jù)采集(data acquisition，簡稱DA)板數(shù)據(jù)采集板由數(shù)據(jù)采集器、存儲單元和控制邏輯等部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集器包括多路選擇開關(guān)(MUX)、測量放大器(AMP)、數(shù)據(jù)保持器和A/D轉(zhuǎn)換器等，它負(fù)責(zé)將多個現(xiàn)場模擬信號采樣量化為數(shù)字信號，以便送入計算機(jī)作進(jìn)一步分析處理；存儲單元包括存儲器和數(shù)據(jù)緩沖器，存儲器按先進(jìn)先出(FIFO)或循環(huán)刷新的原則暫存采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩沖器保存通過A/D轉(zhuǎn)換出來的即時數(shù)據(jù)；I/O及控制邏輯用于I/O編碼、定時計數(shù)、通信及產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸方式控制信號等。

數(shù)據(jù)采集的正確與否將直接影響整個虛擬儀器測控系統(tǒng)的精度，因此，在數(shù)據(jù)采集板的選擇上，綜合考慮采樣精度、采樣速度、本系統(tǒng)待測參數(shù)特征以及數(shù)據(jù)采集板的可靠性和性能/價格比等因素，本研究選擇美國NI公司生產(chǎn)的插入式數(shù)據(jù)采集板PC-6024E(圖3)。

PC-6024E的主要性能如下：

(1)模擬輸入：16路單端/8路差分模擬輸入；

(2)最大采樣速率：100 kS/s(S表示樣本數(shù)，samples)；

(3)輸入精度：12 bit；

(4)輸入范圍：-10 V～+10 V，-5 V～+5 V，-500 mV～+500 mV，-50 V～+50 V；

(5)輸入增益：0.5，1.0，10.0，100.0；

(6)模擬輸出：2(通道)；

(7)輸出精度：12 bit；

(8)數(shù)字I/O：8個；

(9)246 it定時器/計數(shù)器：2。

1.1.3電子天平電子天平用于植物葉面蒸騰[16-21]量的測量，對它的選擇主要有2個性能指標(biāo)：總量程和最小分度值(測量精度)。本研究中選擇的灌溉對象為盆栽迷你玫瑰，整株迷你玫瑰加上其栽培基質(zhì)的質(zhì)量大約為1 500 g，平均失水約1 g/h，假設(shè)要測每30 min的蒸騰速率，即信號為 0.5 g/(株·次)，那么至少需要電子天平的精度達(dá)到10%?？紤]以上因索，本系統(tǒng)采用常熟市衡器廠生產(chǎn)的DJ2/500型精密電子天平(圖4)，其串口參數(shù)設(shè)置如下：傳輸速率(波特率)為1 200 b/s、奇校驗、1位起始位、1位停止位、7位ASCⅡ碼，穩(wěn)定時自動發(fā)送數(shù)據(jù)。電平的數(shù)據(jù)傳輸格式用十六進(jìn)制表示為2B 20 20 20 - - - - - - - 67 20 20 0D 0A(符號“-”為接收到質(zhì)量的數(shù)據(jù))。

1.2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.2.1系統(tǒng)軟件實現(xiàn)功能分析本灌溉系統(tǒng)最重要的組成部分就是軟件系統(tǒng)，其基本思想是將硬件模塊軟件化。本研究中軟件系統(tǒng)可分為實時測控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(圖5)，主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、控制計算、數(shù)據(jù)處理等功能。

1.2.2主要參數(shù)設(shè)定模塊參數(shù)設(shè)定模塊主要包括采集參數(shù)、報警參數(shù)和控制參數(shù)的設(shè)定。對于聲發(fā)射信號的檢測，其參數(shù)設(shè)定主要包括門檻電壓設(shè)置、前置放大倍數(shù)設(shè)置、濾波器頻率上下限設(shè)置及時間參數(shù)設(shè)置。聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)采集及顯示功能主要由美國聲學(xué)儀器提供的AEwin軟件實現(xiàn)。PCI-2 AE硬件參數(shù)部分設(shè)置界面如圖6所示。實施采集前，電子天平串口號、波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位等串口參數(shù)部分設(shè)置界面設(shè)定如圖7所示。

2　灌溉試驗和效果分析

經(jīng)綜合考慮，本系統(tǒng)引入作物有限缺水效應(yīng)理論并繼續(xù)開發(fā)與進(jìn)一步量化，以充實用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的實踐。為考察按照植物水分脅迫下聲發(fā)射信息控制灌溉的效果，建立了計算機(jī)控制的滴灌系統(tǒng)(圖8)。電磁閥采用JD11SA-6型，線圈交流電壓為220 V，動作電流為1.5 A，驅(qū)動電路中繼電器選用小型中間繼電器JRX-13F型，其工作電壓9 V，線圈電阻180 Ω。

灌溉系統(tǒng)內(nèi)水壓來自距地面2.5 m高的水箱，滴頭實際流量為3.6 L/h。為保證根區(qū)土壤濕潤的均勻性，在植株根部區(qū)域相對方向上等距離安裝2個滴頭。

2.1　灌溉策略的傳統(tǒng)控制算法及作物非充分灌溉制度控制算法

對于灌溉控制系統(tǒng)來說，核心部分是控制算法的確定和實現(xiàn)，即對灌溉始點(diǎn)和灌溉量的確定。作物白天與夜間對水分的供應(yīng)要求是不一樣的，水分供應(yīng)[22]主要取決于作物蒸騰作用的強(qiáng)弱。白天，因有光照，作物蒸騰作用較強(qiáng)，由試驗可知，聲發(fā)射信號的頻次與植物蒸騰速率的變化量(蒸騰加速度)在一定范圍內(nèi)顯著相關(guān)，因此，依據(jù)聲發(fā)射信號的發(fā)生頻次可判斷植株的水分狀況；夜間，作物的蒸騰作用很弱，但要進(jìn)行呼吸作用，為維持生命活動仍然需要水分供應(yīng)，此時可按一定的時間間隔進(jìn)行供水，即受時間變化的控制。為此，系統(tǒng)的水分供應(yīng)采用了“聲發(fā)射控制+時控”的控制方案。

將1晝夜的時間劃分為2個時間段，如圖9所示，在t1～t2時段(白天)內(nèi)，水分供應(yīng)受聲發(fā)射頻次的變化控制；在t2～t1時段(夜間)內(nèi)，水分供應(yīng)受時間變化的控制。t1、t2可由試驗人員根據(jù)需要在灌溉控制設(shè)定面板上進(jìn)行設(shè)定和修改，如設(shè)t1=0、t2=24，則全為聲發(fā)射控制；如設(shè)t1=t2，則全為時變控制。

當(dāng)水資源不足而只能采用非充分灌溉時，如何在時間(作物不同生長階段)上合理地分配有限的灌溉水量以獲得最高產(chǎn)量或收益，或者使缺水造成的減產(chǎn)損失最小，是實行非充分灌溉的關(guān)鍵之一，而最優(yōu)灌溉制度是整個研究的中心。在非充分灌溉條件下最優(yōu)灌溉制度的設(shè)計過程，是一個將一定灌溉水量在作物各生育階段進(jìn)行合理分配的多階段決策過程，較適合用動態(tài)規(guī)劃(dynamic programming，簡稱DP)求解。

在模型方面，參考聲發(fā)射與蒸騰速率相關(guān)關(guān)系，可以在中度水分脅迫聲發(fā)射與蒸騰速率存在一個極大相關(guān)值時進(jìn)行灌溉，或者在發(fā)生嚴(yán)重水分脅迫，聲發(fā)射與蒸騰速率存在負(fù)相關(guān)關(guān)系時進(jìn)行灌溉。

在聲發(fā)射控制時段，當(dāng)每2 s AE事件計數(shù)超過用戶在灌溉控制設(shè)定面板上設(shè)置的閾值β(在作物的不同生長期和不同的天氣條件下，該閾值有所不同)時即啟動電磁閥進(jìn)行灌溉。灌水量確定的基本思想如下：當(dāng)日因蒸散(蒸騰+蒸發(fā))失去的水量與補(bǔ)充的水量相同，使作物水分的散失與供應(yīng)基本保持平衡。因此，灌溉延時時間可按下式計算：

式中：T為灌溉延時時間(s)，計算結(jié)果作四舍五入處理；W0為當(dāng)日上次灌溉后的總質(zhì)量(g)，如當(dāng)日首次灌溉W0取 00：00 時刻的總質(zhì)量；W1為當(dāng)前時刻總質(zhì)量(g)；Q為滴頭流量(m3/h)。W0、W1由電子天平讀數(shù)得到，滴頭流量由用戶在灌溉控制設(shè)定面板上輸入。

在時控時段內(nèi)，系統(tǒng)嚴(yán)格按照操作員通過灌溉控制設(shè)定面板設(shè)定的供水時間和灌溉延時時間運(yùn)行而不管當(dāng)前的AE事件發(fā)生頻次情況。

2.2　效果及分析

灌溉對象為2株處于生長期的盆栽迷你玫瑰，第1株(編號A)以聲發(fā)射非充分灌溉為指導(dǎo)，第2株(編號B)進(jìn)行定時控制灌溉。2016年3月22日06：00，每盆均灌水120 g后試驗開始，A株樣本連同其培養(yǎng)基質(zhì)總質(zhì)量為1 496 g，B株總質(zhì)量為1 500 g。2016年3月30日06：00結(jié)束，A株連同其培養(yǎng)基質(zhì)總質(zhì)量為1 500 g，B株總質(zhì)量為1 520 g。灌溉控制參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1　灌溉控制參數(shù)設(shè)定

樣本B按設(shè)定的時間間隔和延時時間進(jìn)行定時灌溉，每日灌水量為40 g，9 d共灌水4 000 g，蒸散失水3 980 g。表2為節(jié)水效果統(tǒng)計結(jié)果，可見按AE信息控制灌溉與定時灌溉(充分供水)相比，前者節(jié)水效果較為明顯。

表2　節(jié)水效果統(tǒng)計結(jié)果

3　結(jié)論

通過聲發(fā)射傳感器檢測植株在水分脅迫下發(fā)出的超聲信號并適當(dāng)結(jié)合其他生理指標(biāo)(如冠層蒸騰量等)，進(jìn)一步對聲發(fā)射信號與植物水分狀況、其他水分生理參數(shù)等因子的關(guān)系進(jìn)行研究，建立人與植物的對話，得出視情精準(zhǔn)灌溉理論的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建出基于水脅迫聲發(fā)射的盆栽迷你玫瑰精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)能正常、穩(wěn)定工作，按聲發(fā)射信息控制灌溉可節(jié)水39.71%，而作物生長幾乎不受影響，節(jié)水效果與經(jīng)濟(jì)效益明顯?；谒{迫聲發(fā)射的盆栽迷你玫瑰精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)與其他灌溉相比對植株的生長沒有太大差異，且AE信號對水分虧缺反應(yīng)敏感，是一種良好的灌溉控制指標(biāo)。在執(zhí)行灌溉決策時，開始以聲發(fā)射頻次達(dá)到最大值時為依據(jù)進(jìn)行灌溉，但何時達(dá)到最大值并不能很好地確定，只有在聲發(fā)射信號頻次呈衰減趨勢時才能得出，所以需要進(jìn)一步采集大量數(shù)據(jù)總結(jié)研究其規(guī)律，從而為灌溉決策提供理論與技術(shù)支持。

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