基于NI—DAQmx 的植物電信號檢測系統(tǒng)

武海 田立國 汪建國 李猛 李玉爽

摘要：介紹了針對植物電信號特點設計的基于NI數(shù)據(jù)采集平臺的植物電信號檢測系統(tǒng)。通過DAQmx和Labview實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與顯示，采用小波消噪算法及功率譜估計，用Matlab對所采集數(shù)據(jù)進行信號消噪及頻域分析，完成植物微弱電信號的獲取與時頻域特性分析，成功地提取了植物電信號的特征值。結果表明，應用該系統(tǒng)進行植物電信號的采集與特性分析切實可行。

關鍵詞：植物電信號；DAQmx；檢測系統(tǒng)；消噪；頻域

中圖分類號： TP274；S24文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0326-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-03-15

基金項目：國家“863”計劃（編號：SS2013AA03120；天津職業(yè)技術師范大學研究生創(chuàng)新基金 （編號：YC13-12。

作者簡介：武海（1987—，男，河北張家口人，碩士研究生，從事檢測技術與自動化裝置研究。E-mail：wuhai4321@163com。

植物都在一定環(huán)境中生存，外界環(huán)境的變化會對植物生長過程產生影響，相應地，植物也對外界環(huán)境變化產生應對行為，如含羞草的感震運動、合歡樹葉片的感夜運動等[1-2]。正是由于植物電信號與外界環(huán)境因子之間存在著密切的聯(lián)系，人們可以通過觀察植物電信號的變化來監(jiān)測外界環(huán)境的變化，如檢測地震、酸雨及氣候等，也可以據(jù)此營造植物生長發(fā)育所需的最佳環(huán)境。植物電信號是植物細胞在生命活動中發(fā)出的電磁信號，它的物理規(guī)律和生物學意義的解讀對了解生命的運轉機理具有重要的意義。通過有效的信號檢測及數(shù)據(jù)處理研究，得出對農業(yè)生產實踐有價值的結論，可以實現(xiàn)作物生長條件的合理優(yōu)化配置，促進作物健康生長，對于進一步推動信息化農業(yè)的發(fā)展具有現(xiàn)實意義。植物電信號是一種極其微弱的電信號，其主要特點是噪聲背景和隨機性都比較強，是一種非穩(wěn)態(tài)的時變信號[5]。研究表明，在正常的植物生理活動中，植物電信號幅值為微伏（μV級，在受到外界刺激后可能在瞬間達到毫伏（mV級[6-7]；頻率在 0～30 Hz的頻段，高于30Hz的信號極少，且噪聲對其影響較大，因此對植物電信號采集檢測裝置要求較高。本研究基于NI （National Instrument公司的DAQmx技術，設計1種植物微弱電信號實時檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)植物電信號的檢測并實時顯示信號波形，在準確檢測數(shù)據(jù)的基礎上可進行信號特性處理解析。

1檢測系統(tǒng)的設計

11系統(tǒng)總體設計

選取在實驗室生長狀態(tài)良好的盆栽植物，將引導電極插入植物的莖部或葉部，通過引導電極的電信號經(jīng)低噪聲前置放大、有源濾波、50Hz工頻陷波等硬件信號調理電路處理后接入數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端進行A/D轉換；經(jīng)A/D轉換后的電信號，在Labview軟件環(huán)境下進行軟件信號調理、數(shù)據(jù)處理及波形顯示。植物電信號檢測系統(tǒng)總體框圖見圖1。

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12硬件構成

121引導電極引導電極與植物體接觸時，在植物體表面會有極化電位產生，此極化電位對測量結果會構成嚴重影響，因此應選擇乏極化電極，目前多用鉑金電極、銀-氯化銀電極等[8]。本研究選用鉑絲電極刺入植物，電極尖端直徑為 02 mm，長度為20 mm；參考電極采用試驗用Ag-AgCl電極。

122信號調理模塊引導電極采集來的植物電信號需要經(jīng)信號調理才能夠供數(shù)據(jù)采集卡進行模數(shù)轉換。由于植物電信號自身微弱、低頻等特點，因此需要進行前置放大及必要的濾波處理，本研究采用低噪聲前置放大器將信號放大5倍，低通濾波器截止頻率設為100 Hz，高通濾波設為003 Hz，并加入50 Hz陷波模塊衰減工頻干擾40 dB。

123NI ELVIS II+NI ELVIS II+硬件主要包括工作臺、原型板2個部分。工作臺集成了DAQ卡，模擬輸入通道數(shù)為16，其AI采樣率為500 kS/s（雙通道，16 位分辨率，并且通過USB接口與PC機連接，可實現(xiàn)快速易用的測量、數(shù)據(jù)采集及顯示。原型板還可以搭建自行設計的硬件電路，這為后期硬件調理模塊方面的改進及優(yōu)化提供了便利。

124計算機DELL1545便攜式電腦，CPU主頻2 GHz，內存2 GB，windows XP操作系統(tǒng)。

13軟件設計

檢測系統(tǒng)以Labview 100專業(yè)版為開發(fā)平臺，利用NI公司推出的DAQmx驅動軟件實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)，NI-DAQmx驅動軟件不局限于基本的DAQ驅動，可實現(xiàn)高性能的多線程驅動。虛擬儀器（VI包括前面板和與之相對應的程序框圖。前面板對應著供用戶可視可操作的界面顯示；程序框圖是程序的圖形化源代碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡對信號的模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)處理與顯示。

131硬件自檢及自校準為了實現(xiàn)準確測量，進行信號測量前要對NI ELVIS II+進行自檢及自校準，以便確保硬件正常工作；自校準時要把數(shù)據(jù)采集卡的所有采集通道與待采集信號斷開。此操作在測量與自動化管理器（Measurement & Automation Explorer中進行。

132程序面板設計Labview通過NI-DAQmx應用程序編程接口（API函數(shù)的不同組合編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理顯示任務。通用的測量系統(tǒng)一般包括創(chuàng)建虛擬通道VI、定時VI、啟動任務VI、讀取VI和清除任務VI，該系統(tǒng)采用板卡的AI0+及AI0-兩模擬通道差分輸入模式，以便消除共模干擾的影響。該程序框圖包括數(shù)據(jù)采集、信號調理、數(shù)據(jù)存儲及波形顯示功能。通過DAQ Readvi讀取到信號進行波形顯示并將電信號數(shù)據(jù)存入電子表格文件，以便采用先進算法對其進行消噪處理及信號特性分析；同時將信號引入軟件信號調理部分進行處理，再將處理過的信號存入另一電子表格文件。前后2次的記錄數(shù)據(jù)文件都存入計算機，供后期數(shù)據(jù)處理及分析用，系統(tǒng)程序框圖如圖2所示。endprint

133前面板設計前面板包括波形圖顯示控件、數(shù)據(jù)文件保存路徑顯示控件及1個停止按鈕，系統(tǒng)前面板如圖3所示。[FL]

21試驗前期準備

植物選取實驗室生長2個月的盆栽蘆薈，且其生長狀況良好。試驗用屏蔽箱用雙層銅網(wǎng)自制，并與硬件信號調理共地連接。正負電極分別插入蘆薈同一葉片中，2個電極相距1 cm左右[9]。參考電極與屏蔽箱共地。將正負電極接入信號調理裝置，該系統(tǒng)裝置主要實現(xiàn)植物電信號的放大與濾波處理，之后傳給數(shù)據(jù)采集卡進行模數(shù)轉換，轉換后的信號通過USB接口引入計算機，采用Labview軟件進行處理分析。系統(tǒng)構建完成后，上電運行，待系統(tǒng)工作05 h后再進行數(shù)據(jù)記錄。

22試驗結果

在溫度為25 ℃、相對濕度為60%、已被屏蔽植物生長箱中，使用檢測測量系統(tǒng)對盆栽蘆薈進行電信號采集與測量。采集到的植物電原始信號波形如圖4所示。

23結果分析

將采集到的原始植物電信號數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab軟件處理，進

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行小波域閾值降噪濾波。本研究采用db3小波基函數(shù)對信號進行5層降噪處理，采用ddencmp函數(shù)獲取降噪閾值，采用wdencmp函數(shù)對信號進行降噪及壓縮，并列出植物電信號的一些基本特征。未消噪及消噪后的信號經(jīng)matlab處理結果如圖5所示。為進一步了解植物電信號的頻域特性，還對消噪后的信號進行頻域分析，采用pyulear函數(shù)進行信號的功率譜估計，所得功率譜圖如圖6所示。根據(jù)所采集數(shù)據(jù)及消噪處理后的數(shù)據(jù)，求得信號的幾項基本特征見表1。

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由圖5可以看出小波消噪的明顯效果，蘆薈葉片電信號在1 s內有數(shù)次較大波動，表明含有動作電波及變異電波，幾次大的信號波動范圍集中在4 mV以下，考慮前置放大器的作用（放大5倍，可推斷波動幅值在數(shù)百μV。

圖6表示信號頻域特性，可見蘆薈葉片電信號的頻率較低，功率譜主要分布在0～40 Hz范圍內，而在0～20 Hz左右范圍最為集中且功率較強，表明該信號是一種低頻信號。

由表1看出，蘆薈葉片的電信號幅值為540 μV左右（運放增益為5，均值及標準差都處于10-4數(shù)量級，說明幅值處于數(shù)百μV；方差處于10-7數(shù)量級，說明幅值距均值起伏不大，為μV量級。

3結論

本研究應用NI-DAQmx的高效信號采集能力，設計了植物電信號檢測系統(tǒng)，所采集數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab處理得到明確的信號特性值。試驗結果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了植物電信號的采集與特性分析，其運行穩(wěn)定可靠、操作簡便、改動升級便捷且成本低廉。虛擬儀器技術必將在微弱信號檢測研究方面起到重要作用。

將植物電信號與植物生長環(huán)境信息相結合，建立植物電信號與環(huán)境因子間關系模型，從而為環(huán)境參數(shù)調控提供依據(jù)并建立植物生長的最適宜環(huán)境；將其與自動控制技術相結合可用于未來植物智能化自動控制管理系統(tǒng)中，可以促進我國農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

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