基于熱擴(kuò)散探針的便攜式植物液流監(jiān)測(cè)儀研究

張 菊 江朝暉 李 博 吳文輝 高 健

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院， 合肥 230036； 2.國際竹藤中心， 北京 100102)

0 引言

植物液流(Sap flow)是指植物體內(nèi)由于葉片的蒸騰作用引起的植物體失水，從而導(dǎo)致水分通過植物木質(zhì)部從根部運(yùn)輸?shù)饺~片的過程[1]。它是土壤-植物-大氣連續(xù)體水流路徑中一個(gè)關(guān)鍵的鏈接，承接了龐大的地下根系所吸收、匯集的土壤水，決定了整個(gè)樹冠的蒸騰量，可反映植物體內(nèi)的水分傳輸狀況和植物對(duì)水分的利用特征及其對(duì)環(huán)境的響應(yīng)[2]，同時(shí)也是驗(yàn)證、修正蒸騰模型、根系吸水模型的重要參數(shù)[3]。因此，植物液流量成為分析樹木耗水特性、研究樹木水分傳輸機(jī)理的關(guān)鍵指標(biāo)之一[4]。現(xiàn)有的檢測(cè)方法主要有熱脈沖法、熱平衡法、熱擴(kuò)散法和激光熱脈沖法[5]。其中，熱脈沖式液流計(jì)價(jià)格過于昂貴，且對(duì)液流的響應(yīng)滯后；熱平衡法的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)液流瞬時(shí)變化的響應(yīng)不同步，其測(cè)量精度有待提高；激光熱脈沖法尚處于研究測(cè)試階段[6]。而Granier探針在熱脈沖法的基礎(chǔ)上改造的熱擴(kuò)散法成本低、能耗低、易用、安裝簡(jiǎn)單，具有長(zhǎng)期測(cè)量潛力[7-9]，更適于開展大量的野外監(jiān)測(cè)，可以不破壞植物自然生長(zhǎng)條件和正常生長(zhǎng)狀況，連續(xù)測(cè)定植物液流。

目前，用于檢測(cè)植物液流的儀器和方法分為商業(yè)化儀器和探針+恒流加熱+數(shù)采儀組合的模塊化儀器，一般需要市電供應(yīng)，而野外供電較為困難；儀器尚未配備無線通信模塊，用戶無法實(shí)時(shí)了解儀器的工作狀況；儀器體積大、成本高，不利于規(guī)?；褂茫煌瑫r(shí)，儀器只能獲得存儲(chǔ)探針間的測(cè)量電壓，需要先導(dǎo)出數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換成液流量。

本文設(shè)計(jì)一款便攜式熱擴(kuò)散邊材液流探針(Thermal dissipation sap flow velocity probe,TDP)植物液流儀。設(shè)計(jì)低噪聲、高增益的精密放大電路，以提高采集性能，減小體積并降低價(jià)格；采用SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過USB讀取和遠(yuǎn)程無線發(fā)送數(shù)據(jù)，以解決偏遠(yuǎn)密林通信困難與及時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的矛盾；采用太陽能電池板+蓄電池供電模式，以適應(yīng)野外監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱擴(kuò)散法液流檢測(cè)的基本原理是將一對(duì)TDP探針(熱電偶)上下排列插入待測(cè)植物的邊材，其中下探針為參考端，上探針通過加熱產(chǎn)生恒定熱量，由于植物蒸騰作用隨著晝夜、天氣等變化，導(dǎo)致液流帶走上探針的熱量發(fā)生改變，因此與下探針的電壓差隨之變化，通過測(cè)量探針間電壓差即可估算液流量[10]。

樹干液流密度Jsi計(jì)算公式[11-12]為

Jsi=a(Vmax/Vi-1)b

(1)

式中Vmax——液流為0時(shí)的最大電壓差

Vi——i時(shí)刻測(cè)定的電壓差

a、b——方程參數(shù)，與植物種類相關(guān)

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)的便攜式TDP液流儀由5部分組成，如圖1所示，分別為TDP探針、恒流源加熱模塊、信號(hào)放大模塊、數(shù)據(jù)采集顯示存儲(chǔ)發(fā)送模塊、供電模塊。

圖1 便攜式TDP液流儀結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of portable TDP sap flow meter

經(jīng)恒流源加熱的TDP探針輸出微弱電壓信號(hào)，經(jīng)過精密放大后傳給主控微處理器，通過迭代運(yùn)算和公式運(yùn)算得出液流密度，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、SD卡存儲(chǔ)并通過USB讀取、GPRS遠(yuǎn)程發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，同時(shí)在監(jiān)測(cè)到電源電壓小于預(yù)設(shè)工作電壓時(shí)，向手機(jī)端發(fā)送警報(bào)信息。

1.1 TDP探針

完整的 Granier 探針系統(tǒng)包括2個(gè)傳感器探針(含針頭)、加熱電阻絲和T型熱電偶(銅鎳合金)。針頭為圓柱形中空，直徑2 mm，不同直徑的樹干或莖需采用不同長(zhǎng)度的探針，常見的探針長(zhǎng)度有20、30、50 mm等。本文主要針對(duì)樹干或莖直徑較小的植物，如毛竹、細(xì)樹等，因此采用自制的長(zhǎng)10 mm TDP探針進(jìn)行試驗(yàn)，外層緊密纏繞加熱電阻絲，然后再套上鋁管。熱電偶將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，再通過電氣儀表(二次儀表)將電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶緊貼于針頭內(nèi)壁中間位置，與內(nèi)壁絕緣，端頭連接測(cè)量?jī)蓚€(gè)探針溫度差異的信號(hào)線。上、下探針的熱電偶末端連接，持續(xù)給上探針提供120 mA的電流。下探針作為對(duì)照探針不加熱，用于測(cè)量樹干的溫度[13-16]。

1.2 恒流源加熱模塊

為了實(shí)現(xiàn)上探針的持續(xù)、穩(wěn)定加熱，采用LM317穩(wěn)壓芯片對(duì)加熱模塊進(jìn)行穩(wěn)壓處理，形成恒流源電路。恒流源是一種常用的能夠向負(fù)載提供恒定電流的電路模塊，被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量與控制系統(tǒng)中。LM317是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡(jiǎn)單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點(diǎn)。

以雙探針為例，恒流源加熱電路如圖2所示。上探針加熱電阻為10 Ω，加熱電流為120 mA[15]，則兩根探針串聯(lián)的端電壓為2.4 V，根據(jù)公式

圖2 恒流源加熱電路Fig.2 Constant current source heating circuit

Vout=1.25(1+R2/R1)

(2)

式中Vout——輸出電壓R1——可變電阻

R2——穩(wěn)壓器LM317第1、2腳間的電阻

可知，通過調(diào)節(jié)電位器R2即可獲得需要的穩(wěn)定電壓和恒定電流。

1.3 信號(hào)放大模塊

TDP輸出的信號(hào)為0.1 mV級(jí)電壓差，幅值較低且易受干擾，而主控模塊的AD采集通道精度為12位，范圍為0～3.3 V，為了達(dá)到采集范圍，同時(shí)更好地提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用3級(jí)信號(hào)放大電路，如圖3所示。第1級(jí)采用低成本、高共模抑制比的單片儀表放大器AD620差分放大，第2、3級(jí)采用低噪聲、低輸入偏置電流的雙極性運(yùn)放OP07反相放大，組成低噪聲、高增益的精密放大電路[17]。其中，AD620和OP07的增益分別為

圖3 信號(hào)放大電路Fig.3 Signal amplification circuit

G=49.4/RG+1

(3)

A=-Rf/Ri

(4)

式中G——AD620的增益

RG——AD620的外接電阻

A——反相放大電路的增益

Rf——反相放大電路的反饋電阻

Ri——反相放大電路的輸入電阻

3級(jí)放大電路的總增益為3 000倍，AD620的增益設(shè)為20，即RG=2.6 kΩ，第2級(jí)反相放大增益為15，第3級(jí)反相放大增益為10，即Rf1=15 kΩ,Rf2=10 kΩ，Ri=1 kΩ。

1.4 數(shù)據(jù)采集顯示存儲(chǔ)發(fā)送模塊

主控芯片采集數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、顯示、存儲(chǔ)、發(fā)送等處理。采用STM32作為主控芯片，STM32是基于Cortex-M3的32位處理器，主頻可達(dá)到72 MHz，內(nèi)置512 KB的FLASH和64 KB的SRAM，內(nèi)嵌3個(gè)12位的AD轉(zhuǎn)換器，可進(jìn)行多路模擬信號(hào)采集，具有功耗低、價(jià)格低、性能高、資源豐富的特點(diǎn)。為了使主控芯片斷電后繼續(xù)計(jì)算實(shí)時(shí)時(shí)間，采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。

采用低功耗OLED顯示屏。SD卡采用SDIO接口和FATFS文件系統(tǒng)，并用GL827讀卡芯片實(shí)現(xiàn)USB下載功能。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及電量不足報(bào)警采用GPRS模式。

1.5 供電模塊

通過太陽能控制器得到5 V和12 V兩路電源。各模塊供電部分包括：5 V電源給GPRS模塊供電，給正、負(fù)電源轉(zhuǎn)換部分供電，通過AMS1117-3.3模塊降壓至3.3 V給主控芯片、OLED、SD卡供電；12 V電源通過DC/DC變換芯片XL6009穩(wěn)壓至12 V給恒流源加熱模塊供電。其中正、負(fù)電源轉(zhuǎn)換部分中輸入的5 V電源通過DC/DC變換芯片XL6007轉(zhuǎn)換為9 V電源，再通過三端集成穩(wěn)壓器LM7805、LM7905為信號(hào)放大電路提供±5 V電源。電量監(jiān)測(cè)部分主要由分壓電路實(shí)現(xiàn)，如果電壓低于事先設(shè)置的閾值則及時(shí)通過AT指令發(fā)送短信給用戶，以便及時(shí)處理，包括更換電池、人工充電等。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 液流計(jì)算方法

為減少誤差，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，將式(1)中的Vi由當(dāng)前值改為T時(shí)間內(nèi)的平均值，通過不斷比較迭代求得每天的測(cè)量電壓最大值。以單探針為例，液流密度計(jì)算方法如圖4所示。主要步驟如下：

圖4 液流量計(jì)算流程圖Fig.4 Flow chart of sap flow calculation

(1)初始化，設(shè)置電壓最大值Vmax=0，設(shè)置時(shí)間段T，求取T時(shí)間內(nèi)的電壓平均值，創(chuàng)建三維數(shù)組。

(2)判斷日期是否發(fā)生改變，若沒有發(fā)生變化，求取T時(shí)間內(nèi)的平均值Vi，將平均值Vi與當(dāng)前最大值Vmax進(jìn)行比較，如果Vi>Vmax，將Vi作為當(dāng)前最大值Vmax并保存，否則不改變當(dāng)前最大值Vmax；同時(shí)將該實(shí)時(shí)時(shí)間、Vi存入三維數(shù)組。

(3)若日期發(fā)生變化，根據(jù)式(1)計(jì)算液流密度，將獲得的平均值Vi和液流密度Jsi存儲(chǔ)到SD卡中，并通過GPRS發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，將最大值Vmax置零，數(shù)組清零。

2.2 通信軟件

GPRS傳輸設(shè)計(jì)中使用安信可A9模塊作為socket客戶端，遠(yuǎn)程服務(wù)器作為socket服務(wù)器端，采用JAVA語言編寫網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，建立數(shù)據(jù)庫并與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接。

主控模塊與GPRS模塊間通過串口發(fā)送AT指令，使GPRS模塊完成初始化、查詢網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息、建立連接和發(fā)送數(shù)據(jù)；本系統(tǒng)選用TDP面向連接協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，服務(wù)器IP為自申請(qǐng)的IP地址，端口號(hào)設(shè)定為8888。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，通過指令查詢服務(wù)端確定信息接收完成，并等待下一次數(shù)據(jù)發(fā)送。最后遠(yuǎn)程服務(wù)器完成數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)庫連接，使用SQL語言按照數(shù)據(jù)屬性填充數(shù)據(jù)庫表格[18]。

GPRS模塊在電源電壓低于閾值時(shí)發(fā)送短信給手機(jī)端報(bào)警，通信流程如圖5所示。

圖5 通信流程圖Fig.5 Flow chart of communication

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 性能測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的液流儀實(shí)物如圖6所示。終端部分的尺寸為95 mm×90 mm×40 mm，質(zhì)量約280 g，便于攜帶和使用。采用低頻信號(hào)發(fā)生器模擬輸入，在0～50 Hz頻率范圍內(nèi)，檢測(cè)誤差小于實(shí)際值的0.1%，模擬電壓分辨率小于30 μV，測(cè)量線性度和穩(wěn)定性良好。顯示、存儲(chǔ)、讀取、傳輸和報(bào)警等功能正常、性能穩(wěn)定。對(duì)功耗進(jìn)行定量測(cè)試，以雙探針監(jiān)測(cè)為例，平均功耗小于2 W，采用12 V 20 A·h的鉛酸蓄電池，在沒有光照的情況下可連續(xù)工作7 d，在有光照的情況下可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)工作。

圖6 液流儀實(shí)物圖Fig.6 Physical photograph of sap flow meter

3.2 液流監(jiān)測(cè)

分別在安徽省涇縣的毛竹林和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)的小海棠樹上進(jìn)行實(shí)際液流監(jiān)測(cè)和對(duì)比試驗(yàn)。

在毛竹上安裝TDP探針[19]，探針安裝示意圖如圖7所示。具體步驟如下：

圖7 探針安裝示意圖Fig.7 Sketches of probe installation

(1)在毛竹壁厚較大(壁厚大于10 mm)的立竹基部(地上約20 cm處)的垂直竹壁上鉆2個(gè)直徑2.5 mm的孔，沿毛竹莖桿方向2孔間距10 cm。

(2)TDP探針外面涂抹1層導(dǎo)熱硅膠，上探針(3根外接線)安裝于上方孔，下探針(1根外接線)安裝于下方孔。注意上探針安裝過程要輕柔，以旋轉(zhuǎn)式插入孔中，下探針可以直接插入。

(3)上探針的加熱線連接恒流源(120 mA)加熱模塊。

(4)上、下探針的2根數(shù)據(jù)線接入終端，上探針接信號(hào)放大模塊正極，下探針接信號(hào)放大模塊負(fù)極。

(5)TDP探針安裝好后需要用硬塑料板包裹加以保護(hù)，再外包防輻射膜和遮雨膜以避免外界環(huán)境(溫度、光照、降雨等) 對(duì)探針溫差信號(hào)的影響。

2019年12月在涇縣毛竹林試驗(yàn)基地選取2根毛竹進(jìn)行試驗(yàn)，每根毛竹安裝上、下2組探針，上方使用本文設(shè)計(jì)的植物液流儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，下方使用Delta-T 型數(shù)據(jù)采集儀(DL2e，英國)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每30 s采集一次電壓，每10 min對(duì)20個(gè)數(shù)據(jù)求平均值作為當(dāng)前電壓。式(1)中參數(shù)a、b按照文獻(xiàn)[17-19]選取，即a=306.5，b=1.746。圖8為部分試驗(yàn)結(jié)果，包括本文設(shè)計(jì)儀器和對(duì)照儀器在2根毛竹上獲得的電壓差及液流密度。

圖8 毛竹液流監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.8 Test data of moso bamboo sap flow monitoring

電壓差及液流密度通過GPRS傳送到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫片段如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)庫片段 Fig.9 Part of database

2019年6—7月，在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)選擇樹干較細(xì)的海棠樹進(jìn)行單探針監(jiān)測(cè)試驗(yàn)(圖10)。在液流密度計(jì)算時(shí)，式(1)中參數(shù)a、b按照文獻(xiàn)[20]選取，即a=119，b=1.23。其他處理與毛竹監(jiān)測(cè)相同，不再贅述。部分試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖10 海棠樹液流監(jiān)測(cè)試驗(yàn)Fig.10 Test of crabapple tree sap flow monitoring

圖11 海棠樹液流監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.11 Test data of crabapple tree sap flow monitoring

3.3 結(jié)果分析

LAGERGREN等[21]總結(jié)了樹干液流量和蒸騰關(guān)系的研究成果, 指出在正常情況下一天的蒸騰量與液流量幾乎相等, 因而在日時(shí)間尺度上, 可以用樹干液流量表示蒸騰量。

如圖8、11所示，植物蒸騰耗水的過程表現(xiàn)出周期性的變化特征。電壓差曲線呈現(xiàn)白天低、夜晚高，而液流量正好相反，這是由于光照強(qiáng)度越強(qiáng)，氣孔就張開或擴(kuò)大，蒸騰作用就越強(qiáng)。白天光照充足，蒸騰作用越強(qiáng)，帶走上探針的熱量越多，與參考端的電壓差越?。煌砩蠜]有光照，植物氣孔閉合或是縮小，植物的蒸騰作用變?nèi)?，帶走上探針的熱量變少，與參考端的電壓差趨于最大值。因此本試驗(yàn)結(jié)果符合文獻(xiàn)[22-23]的研究結(jié)論：一天中各種樹木的液流變化曲線呈單峰型、雙峰型或多峰型，即早晨和傍晚低，中午前后達(dá)高峰，夜間蒸騰停止，液流速率急劇降低，但并不為0。

圖8同時(shí)給出了本文設(shè)計(jì)儀器與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)結(jié)果，經(jīng)過對(duì)比可以看出，毛竹電壓差在0.30～0.60 mV之間，液流密度在0～150 g/(m2·s)之間，兩者變化趨勢(shì)相同，同樣呈現(xiàn)白天高、夜晚低的變化規(guī)律。由于探針安裝位置不同，本文設(shè)計(jì)儀器和對(duì)照設(shè)備的監(jiān)測(cè)結(jié)果不可能完全相同。為了定量比較，采用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)于毛竹1，本文設(shè)計(jì)儀器和對(duì)照設(shè)備所得電壓差的相關(guān)系數(shù)CV1=0.927 9，液流密度的相關(guān)系

數(shù)CJ1=0.893 5；對(duì)于毛竹2，兩者電壓差的相關(guān)系數(shù)CV2=0.863 6，液流密度的相關(guān)系數(shù)CJ2=0.788 2。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)儀器的監(jiān)測(cè)結(jié)果可信度較高。

由圖11可以看出，小海棠樹的電壓差為0.25～0.40 mV，液流密度為0～55 g/(m2·s)，都呈現(xiàn)明顯的周期規(guī)律，與文獻(xiàn)[22]研究相符。由于種類不同、季節(jié)不同，海棠樹和毛竹的監(jiān)測(cè)結(jié)果不便定量比較。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了基于熱擴(kuò)散原理的便攜式植物液流監(jiān)測(cè)儀。設(shè)計(jì)的低噪聲、高增益的精密放大電路提高了數(shù)據(jù)采集的性能，采用迭代算法能夠及時(shí)獲得液流密度。設(shè)計(jì)了SD卡存儲(chǔ)和GPRS通信兩種數(shù)據(jù)傳輸方案，采用低功耗設(shè)計(jì)和太陽能供電。

(2)設(shè)計(jì)的液流儀體積小巧，易于攜帶和使用，且成本低、功耗小，利用太陽能供電可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)工作。

(3)對(duì)毛竹、小海棠樹等植物的監(jiān)測(cè)及對(duì)比試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的液流儀所測(cè)液流密度與前人研究結(jié)果一致，且與對(duì)照儀器的各項(xiàng)相關(guān)系數(shù)均不小于0.788 2，屬于顯著相關(guān)，結(jié)果準(zhǔn)確可信。本文設(shè)計(jì)的液流儀性價(jià)比高，通道易于擴(kuò)展，適用于植物蒸騰耗水規(guī)律研究及相關(guān)應(yīng)用。