摘要：應(yīng)用精密測(cè)量方法對(duì)朝天椒（Capsicum annuum）葉片厚度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尋找其變化規(guī)律。提出接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方法，并應(yīng)用接觸式測(cè)量方法對(duì)朝天椒進(jìn)行葉片厚度對(duì)應(yīng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，總結(jié)其一日內(nèi)的水分變化規(guī)律。由于葉片厚度可以反映植物的水分含量，所以其變化規(guī)律可作為智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的一個(gè)直接反饋參數(shù)，從而結(jié)合空氣、土壤的溫濕度等間接參數(shù)建立灌溉制度，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精量灌溉打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：精密測(cè)量；朝天椒（Capsicum annuum）；葉片厚度；精量灌溉

中圖分類號(hào)：TH79；S641.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2012）21-4884-03

Study on the Variation of Chili Leaf in Precision Irrigation Systems

GAO Xiao-hong

（Mechanical Electrical Engineering Department， Ningbo Dahongying University， Ningbo 315175， Zhejiang， China）

Abstract： The dimension of chili leaf thickness was monitored and its variation was found by industrial precision measurement.There are two types of measurement methods，namely，contact measurement and non-contact measurement. Applicating contact measurement method to monitor the chili leaf thickness corresponding time. The variation of leaf moisture was summarized in one day. Because leaf thickness could reflect plant water content， dimensional changes of the law could be looked on as a direct feedback control parameters in intelligent water-saving irrigation control system. Then combining with the other indirect parameters of temperature and humidity of air and soil to achieve precision irrigation.

Key words： precision measurement； Capsicum annuum； leaf thickness； water-saving irrigation

水資源短缺是我國(guó)目前亟待解決的問(wèn)題，其中農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的73.4%。農(nóng)業(yè)灌溉中有2/3的灌溉面積仍為粗放的灌溉方式，灌溉水的利用率僅有40%～45%，急需提升節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的高科技含量，建立適合國(guó)情的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，加快由傳統(tǒng)粗放型農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化精準(zhǔn)型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。

目前，節(jié)水灌溉系統(tǒng)中多是以土壤、空氣的溫濕度作為反饋控制變量，但是在整體灌溉系統(tǒng)中植物是被控對(duì)象，使該控制系統(tǒng)不能構(gòu)成真正的閉環(huán)控制系統(tǒng)。所以，針對(duì)當(dāng)前植物節(jié)水灌溉非閉環(huán)控制問(wèn)題，依據(jù)植物本身的幾何參數(shù)（例如植物的葉片厚度）與其水分含量之間存在直接且精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出對(duì)植物的形態(tài)進(jìn)行非破壞性的高精度監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)微灌溉智能控制系統(tǒng)。結(jié)合外界空氣、土壤的溫濕度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)精量灌溉，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的節(jié)水灌溉，對(duì)豐富節(jié)水灌溉理論與技術(shù)、形成農(nóng)業(yè)新產(chǎn)品具有重要意義[1，2]。實(shí)現(xiàn)閉環(huán)精量灌溉智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題就是植物葉片厚度的測(cè)量方法，選擇葉片表面沒(méi)有絨毛、較為平滑而且不是特別薄具有一定厚度的植物——朝天椒（Capsicum annuum）作為研究對(duì)象，提出接觸式和非接觸式兩種測(cè)量方案，并應(yīng)用接觸式測(cè)量方案進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

1 測(cè)量方案的設(shè)計(jì)

智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是植物葉片厚度的測(cè)量方法。首先要考慮測(cè)量精度能否實(shí)現(xiàn)，其次由于被測(cè)對(duì)象是生長(zhǎng)的葉子，為較特殊的生物材料，所以要對(duì)其進(jìn)行柔性測(cè)量?？煽紤]對(duì)葉片厚度分別進(jìn)行接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量[3，4]。

1.1 非接觸式測(cè)量方案

在對(duì)植物葉片進(jìn)行非接觸式測(cè)量中，主要考慮用光學(xué)測(cè)量方法或圖像處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在保證精度的前提下，可采用激光式雙反射型非接觸式葉片厚度測(cè)量?jī)x。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量，可用兩只激光式發(fā)射型測(cè)頭對(duì)植物葉片進(jìn)行對(duì)射差動(dòng)式測(cè)量，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

其中，兩只測(cè)頭的位置距離固定不動(dòng)，也就是A是固定值，測(cè)頭1測(cè)量葉片厚度距其距離為x，測(cè)頭2測(cè)量葉片厚度距其距離為y，那么，植物葉片厚度H=A-（x+y），從而可知被測(cè)植物的葉片厚度，而且不會(huì)對(duì)植物葉片的自然生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。

非接觸式測(cè)量方案可不直接接觸被測(cè)葉片，沒(méi)有測(cè)量接觸點(diǎn)，對(duì)葉片不產(chǎn)生測(cè)量力的作用，如若長(zhǎng)期進(jìn)行監(jiān)測(cè)不會(huì)影響植物葉片的自然生長(zhǎng)，但在實(shí)際工程中和實(shí)驗(yàn)室外干擾較大，不易實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。

1.2 接觸式測(cè)量方案

接觸測(cè)量的測(cè)量力有可能對(duì)植物組織和生長(zhǎng)狀態(tài)產(chǎn)生影響或破壞，所以要對(duì)植物葉片所能承受的測(cè)量力進(jìn)行研究，在保證測(cè)量精度的同時(shí)，盡量減小測(cè)量力對(duì)植物正常生長(zhǎng)的影響[5]。

由于電感測(cè)微儀具有分辨力較高、穩(wěn)定性好、對(duì)工作環(huán)境要求不高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出阻抗小、示值誤差小、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用差動(dòng)電感式傳感器的測(cè)量原理對(duì)植物葉片厚度進(jìn)行測(cè)量。電感傳感器有很多種，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量，經(jīng)過(guò)多方面考慮，最終選用旁向式電感測(cè)頭，為中原量?jī)x廠生產(chǎn)的DGC-6PG/A型螺旋管型自感測(cè)頭，測(cè)頭部分就是一個(gè)差動(dòng)螺管傳感機(jī)構(gòu)。應(yīng)用該傳感器并對(duì)其進(jìn)行如圖2所示的改造，在測(cè)頭的下面制作了一個(gè)固定的可以升降的機(jī)械平臺(tái)。

電感測(cè)微儀主要由數(shù)據(jù)采樣、單片機(jī)控制和顯示3部分組成。在對(duì)國(guó)外同類產(chǎn)品進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)電路的各分立元件電路都可以用一塊通用性較好的集成電路芯片取代。電感測(cè)微儀的原理如圖3。這是可以多通道同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的電感測(cè)微儀，而且能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)存儲(chǔ)與讀取，其電路系統(tǒng)如圖4。

接觸式測(cè)量系統(tǒng)的軟件根據(jù)需要分為A/D數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)采樣處理、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、系統(tǒng)的顯示功能、功能按鍵的處理、軟件抗干擾設(shè)計(jì)這幾部分。

2 接觸式電感測(cè)微儀監(jiān)測(cè)實(shí)例

用所研制的電感測(cè)微儀對(duì)朝天椒葉片厚度進(jìn)行測(cè)量，每隔22 min或23 min采集一次數(shù)據(jù)，所獲數(shù)據(jù)包括時(shí)間和植物葉片厚度。對(duì)獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去除明顯有誤的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析處理，取平均值，獲得一日內(nèi)葉片厚度對(duì)應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律曲線如圖5。

從圖5可知，一日內(nèi)葉片厚度的變化趨勢(shì)可分為3段，其中6∶30到17∶30時(shí)間段為峰值區(qū)，其擬合曲線如圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)方差為2.374，相關(guān)系數(shù)為0.997。

夜晚時(shí)間段，厚度變化非常平緩，00∶00到6∶30基本變化在1 μm左右，有下降趨勢(shì)，17∶30到00∶00基本變化在2 μm左右，也呈下降趨勢(shì)，所以可將葉片厚度看作是一個(gè)基本不變的量。綜上所述，植物葉片厚度在一天之內(nèi)的生長(zhǎng)規(guī)律模型為：

y=a 00∶00-6∶301.276×10-8 x7-2.103×10-6 x6+1.343×10-4 x5-4.09×10-3 x4+0.058 07 x3-0.311 9 x2+0.801 3 x+195 6∶30-17∶30b 17∶30-00∶00

其中，a、b為常數(shù)；x為取樣時(shí)間點(diǎn)，取值為1，2，3，…，40，5對(duì)應(yīng)7∶50，10對(duì)應(yīng)9∶10，15對(duì)應(yīng)10∶30，20對(duì)應(yīng)11∶50，25對(duì)應(yīng)13∶10，30對(duì)應(yīng)14∶30，35對(duì)應(yīng)15∶50，40對(duì)應(yīng)17∶10。

由于植物每天都會(huì)生長(zhǎng)，所以即使同一測(cè)點(diǎn)每一天中的同一時(shí)間植物葉片厚度也不一樣，也就是說(shuō)前一天8∶00的葉片厚度與后一天8∶00的葉片厚度是不一樣的。從已獲得的數(shù)據(jù)來(lái)看，測(cè)量植物葉片厚度得到的植物生長(zhǎng)規(guī)律與植物某些生理規(guī)律的變化趨勢(shì)是一致的，例如試驗(yàn)中朝天椒葉片厚度的半天變化規(guī)律與張穎萍[6]研究的植物水分蒸騰速度的變化曲線較為相似。

3 小結(jié)

為進(jìn)行精量灌溉，提出結(jié)合傳統(tǒng)的以空氣、土壤的溫濕度為參數(shù)的灌溉系統(tǒng)，增加被測(cè)對(duì)象植物的葉片厚度作為反饋控制參數(shù)的新型智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。對(duì)植物葉片厚度的測(cè)量可用接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N方法，研制出四通道微米級(jí)電感測(cè)微儀，可同時(shí)進(jìn)行四路測(cè)量。

應(yīng)用接觸式電感測(cè)量?jī)x對(duì)朝天椒葉片厚度進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，總結(jié)其一日內(nèi)的葉片厚度變化規(guī)律，一日內(nèi)葉片厚度最厚的時(shí)間是在中午，夜間變化較為平緩。對(duì)于非接觸式測(cè)量可在今后的工作中繼續(xù)進(jìn)行研究，從而完善植物葉片厚度的測(cè)量方法，解決接觸式測(cè)量方法進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)時(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)葉片自然生長(zhǎng)的影響。

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收稿日期：2012-07-10

基金項(xiàng)目：浙江省教育廳科研項(xiàng)目（Y201018379）

作者簡(jiǎn)介：高曉紅（1979-），女，黑龍江集賢人，講師，碩士，主要從事精密檢測(cè)及儀器儀表和農(nóng)業(yè)灌溉制度的研究工作，（電話）13456163693

（電子信箱）hong34981@hotmail.com。