周　橋， 陳　釗， 劉存瑞， 時　玲

(云南農業(yè)大學機電工程學院，云南昆明 650201)

視情精準灌溉是節(jié)水農業(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，制定了相應的灌溉指標。長期以來，人們把土壤含水量或大氣相對濕度作為控制農作物灌溉的指標，但這些指標都是反映作物生長環(huán)境的間接指標，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)已成為近年來國內外學者研究的熱門領域[1-3]。其中，以植物水脅迫下聲發(fā)射信號為主要技術指標的精準灌溉顯示出極大的優(yōu)勢和前景，相關理論研究也取得很多進展，但目前相應灌溉系統(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，初步建立一套溫室花卉視情精準灌溉系統(tǒng)并進行灌溉試驗和效果分析，為將來基于聲發(fā)射技術更加成熟的智能化灌溉系統(tǒng)作相關探索和研究。

1　灌溉控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)為以PC機為核心、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)硬件設計

系統(tǒng)硬件是整個灌溉系統(tǒng)的物理基礎，針對系統(tǒng)功能的要求同時考慮精度、分辨率、傳輸速度等技術指標，對硬件進行了優(yōu)化設計，主要分為數(shù)據(jù)檢測設備[10-11]、信號調理設備、信號分析設備以及外圍設備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)是材料受外力或內力作用產生變形或裂紋時，以彈性波的形式釋放出應變能的現(xiàn)象，其中一部分應變能以聲發(fā)射波的形式釋放。AE傳感器就是把這個聲發(fā)射應力波轉換為電信號的一種檢測器(圖2)。

本系統(tǒng)采用美國物理聲學公司(PAC)生產的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)在機械外力作用下的正壓電效應，把機械能轉換為電信號，在結構上，屬于單端輸出式，利用壓電晶體的共振點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的前置放大器內置。4615干旱脅迫檢測儀由信號通道、接口電路、A/D轉換器以及單片機系統(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(MUX)、測量放大器(AMP)、數(shù)據(jù)保持器和A/D轉換器等，它負責將多個現(xiàn)場模擬信號采樣量化為數(shù)字信號，以便送入計算機作進一步分析處理；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：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的質量大約為1 500 g，平均失水約1 g/h，假設要測每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到10%?？紤]以上因索，本系統(tǒng)采用常熟市衡器廠生產的DJ2/500型精密電子天平(圖4)，其串口參數(shù)設置如下：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)傳輸格式用十六進制表示為2B 20 20 20 - - - - - - - 67 20 20 0D 0A(符號“-”為接收到質量的數(shù)據(jù))。

1.2　系統(tǒng)軟件設計

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)設定模塊參數(shù)設定模塊主要包括采集參數(shù)、報警參數(shù)和控制參數(shù)的設定。對于聲發(fā)射信號的檢測，其參數(shù)設定主要包括門檻電壓設置、前置放大倍數(shù)設置、濾波器頻率上下限設置及時間參數(shù)設置。聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)采集及顯示功能主要由美國聲學儀器提供的AEwin軟件實現(xiàn)。PCI-2 AE硬件參數(shù)部分設置界面如圖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)部分設置界面設定如圖7所示。

2　灌溉試驗和效果分析

經綜合考慮，本系統(tǒng)引入作物有限缺水效應理論并繼續(xù)開發(fā)與進一步量化，以充實用于指導農業(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)，即對灌溉始點和灌溉量的確定。作物白天與夜間對水分的供應要求是不一樣的，水分供應[22]主要取決于作物蒸騰作用的強弱。白天，因有光照，作物蒸騰作用較強，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)在一定范圍內顯著相關，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，但要進行呼吸作用，為維持生命活動仍然需要水分供應，此時可按一定的時間間隔進行供水，即受時間變化的控制。為此，系統(tǒng)的水分供應采用了“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，水分供應受聲發(fā)射頻次的變化控制；在t2～t1時段(夜間)內，水分供應受時間變化的控制。t1、t2可由試驗人員根據(jù)需要在灌溉控制設定面板上進行設定和修改，如設t1=0、t2=24，則全為聲發(fā)射控制；如設t1=t2，則全為時變控制。

當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量或收益，或者使缺水造成的減產損失最小，是實行非充分灌溉的關鍵之一，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)灌溉制度的設計過程，是一個將一定灌溉水量在作物各生育階段進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)射與蒸騰速率相關關系，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值時進行灌溉，或者在發(fā)生嚴重水分脅迫，聲發(fā)射與蒸騰速率存在負相關關系時進行灌溉。

在聲發(fā)射控制時段，當每2 s AE事件計數(shù)超過用戶在灌溉控制設定面板上設置的閾值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)時即啟動電磁閥進行灌溉。灌水量確定的基本思想如下：當日因蒸散(蒸騰+蒸發(fā))失去的水量與補充的水量相同，使作物水分的散失與供應基本保持平衡。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)，計算結果作四舍五入處理；W0為當日上次灌溉后的總質量(g)，如當日首次灌溉W0取 00：00 時刻的總質量；W1為當前時刻總質量(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定面板上輸入。

在時控時段內，系統(tǒng)嚴格按照操作員通過灌溉控制設定面板設定的供水時間和灌溉延時時間運行而不管當前的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，第2株(編號B)進行定時控制灌溉。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)基質總質量為1 496 g，B株總質量為1 500 g。2016年3月30日06：00結束，A株連同其培養(yǎng)基質總質量為1 500 g，B株總質量為1 520 g。灌溉控制參數(shù)設定如表1所示。

表1　灌溉控制參數(shù)設定

樣本B按設定的時間間隔和延時時間進行定時灌溉，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)計結果

3　結論

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結合其他生理指標(如冠層蒸騰量等)，進一步對聲發(fā)射信號與植物水分狀況、其他水分生理參數(shù)等因子的關系進行研究，建立人與植物的對話，得出視情精準灌溉理論的數(shù)學模型，構建出基于水脅迫聲發(fā)射的盆栽迷你玫瑰精準灌溉系統(tǒng)。試驗結果表明：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)水效果與經濟效益明顯?；谒{迫聲發(fā)射的盆栽迷你玫瑰精準灌溉系統(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敏感，是一種良好的灌溉控制指標。在執(zhí)行灌溉決策時，開始以聲發(fā)射頻次達到最大值時為依據(jù)進行灌溉，但何時達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，所以需要進一步采集大量數(shù)據(jù)總結研究其規(guī)律，從而為灌溉決策提供理論與技術支持。

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