鄭勇東，趙全明，張 馨，薛緒掌，張鐘莉莉，汪淑娟

(1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；3.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；4.昆明理工大學(xué)，昆明 650093)

0 引 言

植物蒸散量包括土壤蒸發(fā)量和植物蒸騰量，在土壤-植物-大氣(SPAC)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，蒸散作為植物水文循環(huán)中的重要組成部分，與植物的各項(xiàng)生理活動(dòng)和生物產(chǎn)量的形成有著密切的聯(lián)系，對(duì)植物的影響貫穿于整個(gè)生長周期[1,2]。蒸散量的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于植物耗水規(guī)律的探索、灌溉模型的建立和生理參數(shù)的計(jì)算均有著重要的意義。

目前對(duì)于植物蒸散耗水量的計(jì)算方法主要包括水平衡法、紅外遙感法、空氣動(dòng)力學(xué)法、波文比-能量平衡法和蒸滲儀法等[1,3-5]。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中更多選擇蒸滲儀法來直接測(cè)定植物的蒸散量[6]。該方法主要通過蒸滲儀來測(cè)量植物的蒸散量，其依據(jù)水量平衡原理，通過單位時(shí)間內(nèi)植株-土壤整體質(zhì)量的變化來直接反映水分的蒸散[7]。稱重式蒸滲儀有直接稱重式、杠桿式、位移式等不同的結(jié)構(gòu)類型，但其主要用于大田作物蒸散的測(cè)定，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝成本高等問題，極大限制了應(yīng)用范圍[7-10]。近幾年針對(duì)盆栽植物的連續(xù)稱重技術(shù)在國外被廣泛應(yīng)用，通過在線監(jiān)測(cè)植物整個(gè)生長周期的重量變化，快速識(shí)別植物對(duì)外部環(huán)境條件的響應(yīng)[11]。基于植物的稱重?cái)?shù)據(jù)和大氣土壤環(huán)境數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步計(jì)算植物的蒸散速率、生長速率、水分利用率和氣孔導(dǎo)通度等其他生理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)植物生長、生理等生命信息的無損、快速和準(zhǔn)確獲取[12-15]。生產(chǎn)應(yīng)用方面荷蘭Paskal 公司采用無線稱重單元觀察和分析植物生長速率、蒸散速率，通過分析溫室環(huán)境對(duì)植物的影響來優(yōu)化植物生長環(huán)境，Ridder、Priva也有類似的水培稱重系統(tǒng)解決方案[16]。國內(nèi)在進(jìn)行盆栽植物耗水實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般借助于商業(yè)電子秤定期進(jìn)行稱重并手抄記錄，測(cè)量時(shí)需要來回搬運(yùn)，增加了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的工作量和系統(tǒng)測(cè)量誤差[17]。現(xiàn)有專用于測(cè)定盆栽植物蒸散量設(shè)備很少，均為單點(diǎn)式測(cè)量，通訊方式多為有線，對(duì)于多點(diǎn)式測(cè)量時(shí)，盆栽密集度增高，布線量明顯上升，給現(xiàn)場(chǎng)工作帶來很大不便；功耗普遍較大，采用電源線進(jìn)行供電，對(duì)于未接通電源場(chǎng)景的應(yīng)用有局限性；結(jié)構(gòu)上不靈活，可移動(dòng)性差，有待進(jìn)一步改進(jìn)[18,19]。

針對(duì)上述問題，本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸三方面入手，開發(fā)了一套基于Lora無線技術(shù)的多路盆栽植物蒸散測(cè)量系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)多路盆栽植物整個(gè)生長周期的連續(xù)稱重，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盆栽植物的蒸散量。將搭建的無線稱重系統(tǒng)與大氣傳感器共同組建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)盆栽生菜的耗水特性和環(huán)境相關(guān)性展開分析，驗(yàn)證了設(shè)備的適用性和可靠性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

無線稱重系統(tǒng)采取上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由工業(yè)平板電腦和各個(gè)獨(dú)立的稱重單元組成，兩者通過無線方式進(jìn)行通訊。系統(tǒng)設(shè)定采樣周期后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性喚醒采集數(shù)據(jù)并上傳至電腦端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 稱重系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Weighing system architecture diagram

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

稱重結(jié)構(gòu)可分為支撐式和懸掛式兩種，考慮到設(shè)備應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性和靈活性，能夠抵抗部分的外界干擾，也可方便移動(dòng)，本文最終選用支撐式稱重單元結(jié)構(gòu)。秤體結(jié)構(gòu)使用AutoCAD 2007設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)見圖2。稱重單元主要由秤蓋、上部支架、下部支架、壓力傳感器和腳杯五部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，能夠抵抗一定程度的外部干擾，組裝后也可以方便搬移。

1-秤蓋；2-上支架；3-下支架；4-腳杯；5-數(shù)據(jù)采集板；6-屏幕顯示窗口；7-稱重傳感器；8-水平儀圖2 稱重結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Weighing structure model diagram

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)見圖3，包括主控制器、電源、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信模塊六個(gè)部分。其中主控制器部分負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)部件的正常運(yùn)行，電源部分將輸入的電壓轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需的工作電壓，數(shù)據(jù)采集用來采集重量信息，數(shù)據(jù)顯示用來顯示系統(tǒng)信息、實(shí)時(shí)時(shí)間和物體重量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)和備份采集的重量和時(shí)間信息，通信模塊負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)和工業(yè)平板電腦之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure diagram

3.1 稱重傳感器選型

由于采用的是支撐式稱重結(jié)構(gòu)，故選用壓力式稱重傳感器。稱重傳感器宜工作在其量程的30%～70%，而對(duì)于一般小型盆栽植物總重量在12 kg左右，所以額定量程應(yīng)選為20 kg[7]。綜合考慮傳感器的精度和抗蠕變、溫漂等特性，本文最終選用HBM公司的PW15AH(20 kg)六線制單點(diǎn)式壓阻傳感器，最大分度數(shù)3 000，靈敏度2.0±0.2 mV/V,非線性誤差0.016 6%，溫度對(duì)靈敏度的影響0.017 5%，具有準(zhǔn)確度高、線性好、穩(wěn)定等特點(diǎn)。

3.2 主控制器

控制器部分選用STM32的低功耗系列 L431CCT6設(shè)計(jì)，只需要極少的外圍器件即可搭建最小系統(tǒng)。該芯片基于Contex-M4內(nèi)核，片內(nèi)集成256 kB的Flash以及64 kB的RAM，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)80 MHz。外設(shè)資源豐富，共有38個(gè)I/O引腳可供外部使用，包括3個(gè)SPI，3個(gè)I2C，1個(gè)CAN，3個(gè)U(S)ART，1個(gè)低功耗LPUART和RTC，全速工作時(shí)工作電流僅為6.72 mA。

3.3 稱重?cái)?shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分選用海芯科技公司的HX712電子秤專用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)集成128增益的低噪聲放大器和24位A/D轉(zhuǎn)換器，無需外部時(shí)鐘振蕩器，可為壓力傳感器供電。芯片通過兩根串口線與控制器通信，無需芯片內(nèi)部寄存器編程，時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)可直接配置輸入通道和數(shù)據(jù)輸出速率。片內(nèi)集成傳感器電源MOS開關(guān)，可在芯片斷電時(shí)關(guān)閉傳感器電源，減少功耗，工作電流僅為1 mA。電路原理圖見圖4，其中R8、R9用于減少傳感器的工作電流，R10、R11與C12、C15、C16構(gòu)成芯片模擬信號(hào)的前端輸入濾波，濾除高頻干擾。

圖4 壓力傳感器采樣電路圖Fig.4 Pressure sensor sampling circuit diagram

3.4 無線數(shù)據(jù)通信

無線通信方式選用低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)中的Lora技術(shù)，該技術(shù)融合了擴(kuò)頻通信、數(shù)字信號(hào)處理和糾錯(cuò)編碼技術(shù)，具有功耗低、成本低、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于電池供電的遠(yuǎn)距離、小數(shù)據(jù)量發(fā)送的設(shè)備[20-22]。安美通科技公司的APC340模塊以SX1278為核心設(shè)計(jì)，采用Lora擴(kuò)頻調(diào)制方式，有多個(gè)頻道選擇，可在線修改收發(fā)速率，發(fā)射功率等參數(shù)。模塊采用透明傳輸方式，能夠適應(yīng)不同的用戶協(xié)議，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一和一對(duì)多的組網(wǎng)通信。模塊通過UART 與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一次最多可以傳輸256字節(jié)的數(shù)據(jù)，支持四種工作模式，各模式之間可以任意切換，睡眠模式下待機(jī)電流僅為2.5 uA，最大通信距離可達(dá)3 000 m。綜合考慮，設(shè)定系統(tǒng)工作頻率為435 MHz，帶寬125 kHz，擴(kuò)頻因子9，空中速率4.56 kbps，發(fā)射功率100 mW。

3.5 數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)顯示部分采用SSD1306控制器的0.91寸OLED，選用SPI接口與主控制器通信。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分采用NOR Flash類型的W25Q64，存儲(chǔ)空間為8 MB，支持字節(jié)和扇區(qū)寫入，與主機(jī)通過SPI接口通信。Flash的前3個(gè)扇區(qū)用來存儲(chǔ)系統(tǒng)的參數(shù)，包括系統(tǒng)零點(diǎn)、線性系數(shù)、扇區(qū)號(hào)，從第4扇區(qū)開始存儲(chǔ)時(shí)間和重量信息。

3.6 電源部分

電源部分選用TI公司的TPS61221升壓芯片，整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)使用兩節(jié)堿性電池供電，通過電源芯片將干電池提供的3 V電壓升壓至3.3 V，對(duì)射頻部分和主電路部分采用獨(dú)立供電，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整個(gè)電路通過0R的電阻將模擬地與數(shù)字地分開，以減少兩個(gè)部分的干擾。

制作焊接電路板，將稱重單元和采集節(jié)點(diǎn)連接，系統(tǒng)實(shí)物見圖5。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Material object diagram of system

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為采集節(jié)點(diǎn)和電腦軟件兩個(gè)部分。

4.1 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)的軟件部分使用STM32 CubeMX5.1.0和Keil5.24.1工具聯(lián)合開發(fā)，簡(jiǎn)化開發(fā)流程，提高代碼的可視性。主要內(nèi)容包括硬件初始化、數(shù)據(jù)采集與處理、OLED顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸五個(gè)部分，軟件設(shè)計(jì)流程見圖6。

圖6 采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.6 Software flow diagram of acquisition node

4.1.1 主程序設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)上電以后對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化設(shè)置，并從Flash中讀取系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)撥碼開關(guān)選定工作模式。在數(shù)據(jù)采集模式下使用自定義協(xié)議，采集節(jié)點(diǎn)通過RTC中斷定期喚醒完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示，在向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)后將進(jìn)入低功耗模式。在修改參數(shù)模式下，遵循Modbus-RTU協(xié)議，工業(yè)平板電腦向節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，節(jié)點(diǎn)通過串口解析命令并執(zhí)行相關(guān)功能碼的具體操作，最后向主機(jī)做出應(yīng)答。

4.1.2 稱重?cái)?shù)據(jù)處理

為了消除外界干擾，提高數(shù)據(jù)采集的精度，采用中位值平均濾波對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并加入了零點(diǎn)跟蹤，在給定的最大漂移量?jī)?nèi)系統(tǒng)自動(dòng)更新零點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理流程見圖7。中位值平均濾波部分系統(tǒng)依次采集12個(gè)值，去除12個(gè)值中的最大值和最小值，并對(duì)剩余的10個(gè)值求算術(shù)平均值，將該值作為一次采樣值，如式(1)所示：

(1)

式中：xmax為12個(gè)采樣值中的最大值；xmin為12個(gè)采樣值中的最小值。

圖7 稱重?cái)?shù)據(jù)處理流程圖Fig.7 Weighing data processing flow diagram

4.1.3 系統(tǒng)通訊協(xié)議

在數(shù)據(jù)采集模式下，系統(tǒng)采用30個(gè)字節(jié)的自定義協(xié)議幀，協(xié)議幀結(jié)構(gòu)見圖8。

固定標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)ID設(shè)備號(hào)數(shù)據(jù)域固定標(biāo)識(shí)校驗(yàn)域3Bytes1Byte7Bytes16Bytes1Byte2Bytes

圖8 自定義協(xié)議幀
Fig.8 Structure of the custom protocol

在參數(shù)修改模式下，系統(tǒng)采用Modbus-RTU協(xié)議，協(xié)議幀結(jié)構(gòu)見圖9。

地址域功能碼數(shù)據(jù)域差錯(cuò)校驗(yàn)1Byte1ByteN·Bytes2Bytes

圖9 Modbus-RTU協(xié)議幀結(jié)構(gòu)
Fig.9 Structure of the Modbus-RTU protocol

4.2 電腦軟件設(shè)計(jì)

電腦軟件部分使用VS2010開發(fā)工具，選用C#設(shè)計(jì)編寫，分為系統(tǒng)顯示，修改參數(shù)和數(shù)據(jù)查詢?nèi)齻€(gè)部分，軟件通過USB網(wǎng)關(guān)接收節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)顯示將各個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在界面上，保存為Excel文件，并以折線圖的方式展示；修改參數(shù)可以選定通道，設(shè)置節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)和傳感器線性值等參數(shù)；數(shù)據(jù)查詢可以查看各盆植物歷史重量的變化趨勢(shì)。軟件界面見圖10。

圖10 軟件界面Fig.10 Software interface

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 稱重傳感器性能測(cè)試

5.1.1 稱重傳感器標(biāo)定

壓力傳感器輸出電壓值和加載重量之間的線性關(guān)系：

(2)

式中：V1為空載電壓；V2為加載電壓；K為傳感器線性系數(shù)；W為重量值。

通過2、4、6、8 kg的砝碼對(duì)壓力傳感器的輸入(重量)和輸出(電壓采樣值)進(jìn)行擬合，擬合后測(cè)量精度可達(dá)1 g，擬合結(jié)果見圖11。

圖11 線性擬合Fig.11 Linear fit

5.1.2 長期穩(wěn)定性測(cè)試

對(duì)于應(yīng)變式壓力傳感器，在長時(shí)間外力作用下傳感器內(nèi)部的應(yīng)變片會(huì)發(fā)生蠕變，導(dǎo)致在固定壓力下傳感器的輸出會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，從而影響測(cè)量精度。為了檢測(cè)由于壓力傳感器的蠕變特性所引起的系統(tǒng)誤差，本文在系統(tǒng)連續(xù)15 d在線稱重的情況下，選取3.5、8和10 kg三組砝碼每天對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖12。從圖中可以看出連續(xù)15 d在線稱重，三組砝碼測(cè)得的系統(tǒng)誤差均在1 g以內(nèi)。對(duì)于盆栽作物整個(gè)生長周期的連續(xù)在線稱重，系統(tǒng)可以保持較高的測(cè)量精度。

圖12 穩(wěn)定性測(cè)試Fig.12 Stability test

5.1.3 溫漂特性測(cè)試

壓阻式壓力傳感器是基于惠更斯電橋?qū)毫D(zhuǎn)換為電信號(hào)，受應(yīng)用場(chǎng)景溫度的變化，電橋輸入與輸出無法保持理想的線性關(guān)系，傳感器會(huì)產(chǎn)生溫度漂移，造成測(cè)量誤差。本文使用北京切克試驗(yàn)設(shè)備有限公司的高低溫交變濕熱實(shí)驗(yàn)箱，測(cè)量了-10～50 ℃溫度變化范圍內(nèi)的系統(tǒng)誤差，結(jié)果見圖13。從圖中可以看出在0～30 ℃溫度變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)的最大誤差不超過1 g，在-10、40和50 ℃時(shí)系統(tǒng)誤差最大為4 g。因此對(duì)于一般盆栽作物的生長環(huán)境，系統(tǒng)可以保持較高的測(cè)量精度。

圖13 溫度特性測(cè)試Fig.13 Temperature characteristic test

5.1.4 功耗測(cè)試

節(jié)點(diǎn)正常工作狀態(tài)下發(fā)射信號(hào)的最大電流為56 mA，休眠狀態(tài)下的最大電流為70 uA。采用兩節(jié)容量為15 000 mAh的堿性電池供電，采樣間隔為5 min，工作時(shí)間可達(dá)120 d以上，能夠?qū)崿F(xiàn)植物整個(gè)生長周期的監(jiān)測(cè)。

5.2 盆栽生菜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)于2018年12月4日至2019年1月15日在北京市農(nóng)林科學(xué)院小湯山基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行，以波士頓奶油生菜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)生菜的整個(gè)生長周期進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)用盆直徑34 cm，盆高30 cm，盆內(nèi)種植1棵生菜，8盆生菜南北朝向排成一列依次放在溫室地面，各盆之間間隔20 cm，每棵生菜由1根滴箭灌溉，平均每隔5 d灌水一次，整個(gè)生長周期共灌水8次。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖14。

圖14 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.14 Field diagram of experiment

盆栽植物的重量信息通過無線稱重系統(tǒng)測(cè)量，從南到北依次對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的8個(gè)測(cè)量通道，系統(tǒng)采樣間隔為5 min。環(huán)境信息通過Decagon公司的EM50數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集，采樣間隔同樣設(shè)置為5 min。采集器采集的指標(biāo)為空氣溫濕度、太陽總輻射、土壤溫度、濕度和電導(dǎo)率，其中空氣溫濕度通過SHT75傳感器測(cè)定，太陽總輻射量通過PYR傳感器測(cè)定，土壤三參數(shù)通過GS3傳感器測(cè)定。

5.2.1 蒸散量

植物的日蒸散量可以通過當(dāng)日零點(diǎn)(W1)和次日零點(diǎn)(W2)的稱重傳感器讀數(shù)差值進(jìn)行計(jì)算，如式(3)所示。

ETd=W1-W2

(3)

式中：ETd為每日蒸散量，g；W1為當(dāng)日00∶00前后兩個(gè)采樣時(shí)刻重量的平均值，g；W2為次日00∶00前后兩個(gè)采樣時(shí)刻重量的平均值，g。

選取1月4日(晴天)和1月7日(陰天)兩盆生菜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此時(shí)植株已經(jīng)基本成型，蒸散作用相對(duì)較強(qiáng)，由于兩天間隔較短，生理差異可以忽略。兩盆生菜全天重量的動(dòng)態(tài)變化曲線見圖15，從圖15中可以清晰看出晴天的蒸散量要明顯大于陰天，兩天生菜的重量均在11∶00到17∶00期間呈現(xiàn)出清晰的下降趨勢(shì)，植物的蒸散主要發(fā)生在這段時(shí)間。上述分析表明該設(shè)備可以詳細(xì)記錄盆栽生菜全天的重量變化信息，呈現(xiàn)出全天各個(gè)時(shí)段蒸散強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

圖15 日重量變化Fig.15 Daily weight variety

整個(gè)生長周期生菜日蒸散量的變化曲線見圖16(a)，前期(前12 d)的平均日蒸散量分別為44.67和39.92 g，中后期(12 d以后)的平均日蒸散量分別為60.84和48.32 g，中后期的日蒸散速率要高于前期的日蒸散速率。整個(gè)生長期生菜的累積日蒸散量圖見16(b)，兩盆生菜的累積日蒸散量分別為2.422和1.977 kg，累積速率總體上呈現(xiàn)出了先增加后減少的趨勢(shì)。根據(jù)重量數(shù)據(jù)計(jì)算的生菜日蒸散量和累積日蒸散量，能夠清楚展現(xiàn)出生菜在不同生長時(shí)期對(duì)水分的需求量，描述植物在整個(gè)生長周期的耗水特性。

圖16 蒸散量變化Fig.16 Evapotranspiration variety

5.2.2 環(huán)境相關(guān)性分析

選取2018.12.25到2019.1.2連續(xù)9 d的稱重?cái)?shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，環(huán)境因素主要考慮空氣溫濕度、太陽輻射量對(duì)生菜蒸散速率的影響。飽和水汽壓差常用來描述空氣的干燥程度，其影響著植物氣孔的閉合，對(duì)植物的生理活動(dòng)有重要的影響，可由空氣溫度和濕度估算[23]。

(4)

式中：VPD為飽和水汽壓差，kPa；RH為相對(duì)空氣濕度，%；t為空氣溫度，℃；0.611為0 ℃時(shí)的飽和水氣壓，kPa。

飽和水汽壓和太陽輻射量的變化曲線見圖17(a)，從早上開棚后開始逐漸增高，中午達(dá)到峰值后又逐步下降。兩盆生菜重量變化曲線見圖17(b)，兩盆生菜重量的變化趨勢(shì)一致，圖中箭頭所指的兩個(gè)重量突變點(diǎn)表示進(jìn)行了灌溉。盆栽土壤含水量變化曲線見圖17(c)，在灌溉操作后土壤含水率呈現(xiàn)出了清晰的上升趨勢(shì)。小時(shí)蒸散速率變化曲線見圖17(d)，單天內(nèi)呈現(xiàn)出先增加后減少的峰值曲線變化趨勢(shì)。對(duì)比圖17(a)和圖17(d)可以看出蒸散速率的變化趨勢(shì)與太陽輻射量和飽和水氣壓差的變化趨勢(shì)一致，蒸散作用主要發(fā)生在白天。每日開棚后溫室內(nèi)太陽輻射量增加，飽和水氣壓差增加，生菜氣孔導(dǎo)通度增大，生菜的蒸散速率也逐漸上升，在12∶00-14∶00點(diǎn)間達(dá)到峰值，下午變化相反。對(duì)比圖17(c)和圖17(d)，在灌水后土壤含水率上升，土壤中可供生菜利用的水分增加，根通量增大，生菜的蒸散速率明顯升高。

圖17 周期數(shù)據(jù)Fig.17 Periodic data

基于上述的變化趨勢(shì)，選取2018.12.25到2019.1.15的數(shù)據(jù)，將日蒸散量與太陽輻射量、飽和水汽壓差進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖18。分析結(jié)果均呈正相關(guān)，與太陽總輻射的R2=0.86，與大氣飽和水汽壓的R2=0.78。蒸散速率與環(huán)境相關(guān)程度的順序是太陽總輻射>大氣飽和水汽壓，與現(xiàn)有的研究基本一致[24]。

圖18 相關(guān)性分析Fig.18 Correlation analysis

6 結(jié) 語

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盆栽植物在整個(gè)生長過程中的蒸散變化，本文針對(duì)現(xiàn)有研究中所存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一套測(cè)定多路盆栽植物蒸散量的裝置，研究結(jié)論如下。

(1)使用STM32L低功耗系列設(shè)計(jì)了一套基于Lora無線技術(shù)的多路盆栽植物蒸散測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)定8路盆栽植物，且方便進(jìn)行擴(kuò)展，能夠?qū)崿F(xiàn)植物的遠(yuǎn)程在線稱重。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、功耗低等特點(diǎn)，能夠滿足一般小型盆栽植物蒸散量測(cè)量的需求。

(2)基于無線稱重系統(tǒng)和環(huán)境傳感器對(duì)盆栽生菜整個(gè)生長周期內(nèi)的耗水規(guī)律進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了設(shè)備的可行性。生菜每日的蒸散主要在11∶00-17∶00之間，整個(gè)生長期日蒸散速率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，中后期要高于前期。經(jīng)相關(guān)性分析，生菜的日蒸散量與太陽輻射量、大氣飽和水汽壓有著密切的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有研究基本一致，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和可靠性，能夠應(yīng)用到實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，為數(shù)字化農(nóng)業(yè)提供技術(shù)與裝備支撐。