精量灌溉系統中朝天椒葉片厚度的變化規律

摘要：應用精密測量方法對朝天椒（Capsicum annuum）葉片厚度進行監測，尋找其變化規律。提出接觸式測量和非接觸式測量兩種測量方法，并應用接觸式測量方法對朝天椒進行葉片厚度對應時間的監測，總結其一日內的水分變化規律。由于葉片厚度可以反映植物的水分含量，所以其變化規律可作為智能節水灌溉控制系統的一個直接反饋參數，從而結合空氣、土壤的溫濕度等間接參數建立灌溉制度，為實現農業精量灌溉打下基礎。

關鍵詞：精密測量；朝天椒（Capsicum annuum）；葉片厚度；精量灌溉

中圖分類號：TH79；S641.3 文獻標識碼：A 文章編號：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

水資源短缺是我國目前亟待解決的問題，其中農業用水量占總用水量的73.4%。農業灌溉中有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%，急需提升節水農業技術的高科技含量，建立適合國情的節水農業技術體系，加快由傳統粗放型農業向現代化精準型農業轉型。

目前，節水灌溉系統中多是以土壤、空氣的溫濕度作為反饋控制變量，但是在整體灌溉系統中植物是被控對象，使該控制系統不能構成真正的閉環控制系統。所以，針對當前植物節水灌溉非閉環控制問題，依據植物本身的幾何參數（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應關系，提出對植物的形態進行非破壞性的高精度監測，從而實現閉環微灌溉智能控制系統。結合外界空氣、土壤的溫濕度等參數實現精量灌溉，實現最優化的節水灌溉，對豐富節水灌溉理論與技術、形成農業新產品具有重要意義[1，2]。實現閉環精量灌溉智能控制系統的關鍵問題就是植物葉片厚度的測量方法，選擇葉片表面沒有絨毛、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）作為研究對象，提出接觸式和非接觸式兩種測量方案，并應用接觸式測量方案進行實際監測試驗。

1 測量方案的設計

智能節水灌溉系統關鍵技術是植物葉片厚度的測量方法。首先要考慮測量精度能否實現，其次由于被測對象是生長的葉子，為較特殊的生物材料，所以要對其進行柔性測量。可考慮對葉片厚度分別進行接觸式測量和非接觸式測量[3，4]。

1.1 非接觸式測量方案

在對植物葉片進行非接觸式測量中，主要考慮用光學測量方法或圖像處理方法來實現。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量儀。為實現精準測量，可用兩只激光式發射型測頭對植物葉片進行對射差動式測量，具體結構如圖1。

其中，兩只測頭的位置距離固定不動，也就是A是固定值，測頭1測量葉片厚度距其距離為x，測頭2測量葉片厚度距其距離為y，那么，植物葉片厚度H=A-（x+y），從而可知被測植物的葉片厚度，而且不會對植物葉片的自然生長產生影響。

非接觸式測量方案可不直接接觸被測葉片，沒有測量接觸點，對葉片不產生測量力的作用，如若長期進行監測不會影響植物葉片的自然生長，但在實際工程中和實驗室外干擾較大，不易實現精準測量。

1.2 接觸式測量方案

接觸測量的測量力有可能對植物組織和生長狀態產生影響或破壞，所以要對植物葉片所能承受的測量力進行研究，在保證測量精度的同時，盡量減小測量力對植物正常生長的影響[5]。

由于電感測微儀具有分辨力較高、穩定性好、對工作環境要求不高、抗干擾能力強、結構簡單可靠、輸出阻抗小、示值誤差小、輸出功率大等優點，所以應用差動電感式傳感器的測量原理對植物葉片厚度進行測量。電感傳感器有很多種，為實現測量，經過多方面考慮，最終選用旁向式電感測頭，為中原量儀廠生產的DGC-6PG/A型螺旋管型自感測頭，測頭部分就是一個差動螺管傳感機構。應用該傳感器并對其進行如圖2所示的改造，在測頭的下面制作了一個固定的可以升降的機械平臺。

電感測微儀主要由數據采樣、單片機控制和顯示3部分組成。在對國外同類產品進行分析時發現，檢測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。電感測微儀的原理如圖3。這是可以多通道同時進行測量的電感測微儀，而且能夠對測量數據進行定時存儲與讀取，其電路系統如圖4。

接觸式測量系統的軟件根據需要分為A/D數據的采集、數據的統計采樣處理、數據的存儲、系統的顯示功能、功能按鍵的處理、軟件抗干擾設計這幾部分。

2 接觸式電感測微儀監測實例

用所研制的電感測微儀對朝天椒葉片厚度進行測量，每隔22 min或23 min采集一次數據，所獲數據包括時間和植物葉片厚度。對獲得的原始數據進行存儲，建立數據庫。對監測數據去除明顯有誤的數據后，進行分析處理，取平均值，獲得一日內葉片厚度對應時間的變化規律曲線如圖5。

從圖5可知，一日內葉片厚度的變化趨勢可分為3段，其中6∶30到17∶30時間段為峰值區，其擬合曲線如圖6所示，標準方差為2.374，相關系數為0.997。

夜晚時間段，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，17∶30到00∶00基本變化在2 μm左右，也呈下降趨勢，所以可將葉片厚度看作是一個基本不變的量。綜上所述，植物葉片厚度在一天之內的生長規律模型為：

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；x為取樣時間點，取值為1，2，3，…，40，5對應7∶50，10對應9∶10，15對應10∶30，20對應11∶50，25對應13∶10，30對應14∶30，35對應15∶50，40對應17∶10。

由于植物每天都會生長，所以即使同一測點每一天中的同一時間植物葉片厚度也不一樣，也就是說前一天8∶00的葉片厚度與后一天8∶00的葉片厚度是不一樣的。從已獲得的數據來看，測量植物葉片厚度得到的植物生長規律與植物某些生理規律的變化趨勢是一致的，例如試驗中朝天椒葉片厚度的半天變化規律與張穎萍[6]研究的植物水分蒸騰速度的變化曲線較為相似。

3 小結

為進行精量灌溉，提出結合傳統的以空氣、土壤的溫濕度為參數的灌溉系統，增加被測對象植物的葉片厚度作為反饋控制參數的新型智能節水灌溉系統。對植物葉片厚度的測量可用接觸式測量和非接觸式測量兩種方法，研制出四通道微米級電感測微儀，可同時進行四路測量。

應用接觸式電感測量儀對朝天椒葉片厚度進行長期監測，總結其一日內的葉片厚度變化規律，一日內葉片厚度最厚的時間是在中午，夜間變化較為平緩。對于非接觸式測量可在今后的工作中繼續進行研究，從而完善植物葉片厚度的測量方法，解決接觸式測量方法進行長期監測時測點對葉片自然生長的影響。

參考文獻：

[1] MARSAL J， ST？魻CKLE C O. Use of CropSyst as a decision support system for scheduling regulated deficit irrigation in a pear orchard[J]. Irrigation Science，2012，30（2）：139-147.

[2] 韓安太，何 勇，陳志強，等. 基于無線傳感器網絡的茶園分布式灌溉控制系統[J]. 農業機械學報，2011，42（9）：173-180.

[3] 龔道枝，雷志棟，郝衛平.基于果樹需水信號的精量灌溉控制理論與技術[J].灌溉排水學報，2009，28（4）：6-9.

[4] 李東升，高曉紅，張文卓，等.植物葉片厚度和果徑精密測量傳感器的設計[J].傳感器技術，2004，23（12）：43-46.

[5] 張蓮潔，李東升，白 帆.植物葉片彈性模量的測量[J].林業機械與木工設備，2004，32（5）：14-16.

[6] 張穎萍. 植物水勢在線無創傷自動監測技術研究[D].杭州：浙江大學，2003.

收稿日期：2012-07-10

基金項目：浙江省教育廳科研項目（Y201018379）

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

（電子信箱）hong34981@hotmail.com。