一種基于無線技術的光合速率測量方法

袁俊杰，劉靜，羅斌，王成，王曉冬，尹宇鶴

（1.北方工業大學機械與材料工程學院，北京100144；2.北京農業信息技術研究中心，北京100097）

光合速率是反映植物光合作用效率的重要指標，是決定作物產量高低和植物生產率的根本因素[1-2]，光合速率測定可為精準農業的實現提供必需的數據支持，因此光合速率測量技術在農業科學領域應用需求廣泛。

目前常見的光合速率測定方法中，基于CO2氣體分析的測定方法最為常用，基于該方法的便攜式光合作用測定系統已經技術成熟，功能齊全，如國內應用較多的LI-COR 公司的LI-6400、ADC 公司的LCA-IV 等[3-4]，但這些產品均為國外公司生產，價格昂貴。而國內同類產品型號較少，功能較為簡單，應用也不廣泛。現有產品中即使國外成熟產品也不能適應所有的測量情況，并對測試的環境條件、操作人員經驗等都提出了嚴格要求，而且由于單臺儀器只能進行單點測量，當需要進行植物光合速率的多點測量、遠程測量以及對測量結果數據進行自動管理和分析時，現有設備已不能滿足要求。ZigBee 協議的無線傳感器網絡，具有低功耗、低成本、低復雜度、高通信效率、高安全性等優點[5]，因此本文根據實際應用需求，設計一種基于ZigBee 無線網絡的光合速率測量系統，以LI-6400 型便攜式光合作用儀為對照，在室內和野外實地分別進行環境參數和作物光合速率測定，分析系統的測量準確性和適用環境，優化與完善系統設計，為實現光合速率的多點無線測量提供依據。

1 光合速率測量原理

1.1 光合速率的測量原理

光合速率（Pn）是指單位時間內單位葉面積（或單位干重）同化CO2的能力，通常測得的光合速率是指凈光合速率[6-7]。本文通過測定密閉氣路空間中一定時間段內的CO2濃度下降量和葉室溫度，進而計算出光合速率。光合速率值可按下式計算：

式中：Pn為光合速率（μmol/(m2·s)）；ΔC 為CO2濃度差（ppm）；Δt 為測定時間（s）；S 為CO2葉片面積（m2）；V 為葉室（包括氣路系統）體積（L）；T 為葉室的溫度（℃）；P 為大氣壓（Mpa）。

1.2 系統工作原理

將葉片密封在帶有透明窗口的葉室內，葉片經過光合作用，室內CO2濃度會降低，用氣泵把葉室空氣抽出讓其流經CO2傳感器，測量后再流回葉室以構成循環密閉氣路。測量項目有光照度、CO2濃度、葉室溫濕度，數據采集端通過無線模塊把數據傳給數據接收端，接收端完成數據處理和界面顯示（圖1）。

圖1 系統原理框圖Fig.1 System Block Diagram

2 系統實現

2.1 系統的硬件實現

基于文獻[8-16]中提到的各種光合速率測量方案，設計了本文測量系統，該測量系統分為數據采集端和數據接收端，下面詳細介紹各模塊。

1）傳感器。CO2傳感器：各種氣體都會吸收光，不同的氣體吸收不同波長的光，比如CO2就對紅外線（波長為4.26 μm）最敏感，所以紅外光透過不同濃度的CO2光強會不同，利用這個原理紅外CO2傳感器可以測量CO2的濃度。采用紅外氣體分析法[17]，選用的傳感器是Telaire 6615 紅外CO2傳感器，它是一種雙通道傳感器，除了CO2測量通道，它還有一個參考通道用于測量信號強度，進而進行周期性的自動校準來保證傳感器的精度。

溫濕度傳感器：采用AMT2001 溫濕度一體型傳感器，具有精度高、一致性好、可靠性高、帶溫度補償、長期穩定性好等優點。

光合有效輻射傳感器：植物的光合反應都集中在波長400-700 nm 范圍內，這一波段的輻射被稱為光合有效輻射，它是植物生命活動、有機物質合成和產量形成的能量來源。采用CM-GH 型光合有效輻射傳感器，其采用光學材料窗口，鋁合金殼體結構，具有使用壽命長、結構堅固、密封性好、穩定性好、測量精度高、抗干擾能力強、傳輸距離長等特點。

2）無線模塊。選用的ZigBee 模塊型號為SZ06，該模塊采用加強型ZigBee 無線技術，具有抗干擾能力強、通信距離遠等優點，可實現多設備間的數據采集和數據傳輸，可以接入模擬量或者開關量，而且可以輸出開關量，采用2.4GDSSS 擴頻技術，具有定時主動上報或上位機查詢功能。

3）電源電路。采集數據端各路傳感器和無線傳輸模塊的工作電壓涉及12 V 和5 V，為了增加數據采集節點的移動性，采用12 V 電池供電，12 V 經過電壓轉換電路分成12 V 和5 V 兩種電源為整個采集節點供電。

4）觸屏模塊。數據接收節點采用與采集節點同樣的ZigBee 無線模塊接收各路傳感器數據， 通過RS485 總線與嵌入式TCP 屏連接，該觸摸屏系統采用ARM 處理器作為數據處理的主控芯片，為實現多路數據處理采用多線程編程， 操作系統采用WINCE 系統，它是嵌入式、移動計算平臺的基礎，是一個開放的、可升級的32 位嵌入式實時操作系統。支持無線設備，具有系統級的可靠性，占用內存體積小，網絡安全性強，支持豐富的多媒體。

5）氣路系統。葉室端的氣體經過氣路被氣泵抽到數據采集端， 氣體流經氣泵后流入非色散紅外CO2傳感器，此時密閉氣路的CO2濃度被采集，接著氣體通過氣路回路流回葉室端以形成密閉氣路系統。

2.2 無線數據傳輸協議的選擇

常見的工作在2.4 GHz 頻段的無線協議有WIFI、Bluetooth、ZigBee、IrDA。WIFI 雖然快但功耗高，主要應用于音視頻圖片傳輸；Bluetooth 速率、功耗中等，傳輸距離很短，所以主要用于藍牙鼠標或耳機；紅外距離短，功耗低，速率也低，主要用于小型移動設備；而ZigBee 技術具有價低廉、可靠性高、效率優越等優點，所以在無線個域網中具有非常廣泛的應用前景[18]。ZigBee 協議分四層結構，其中物理層（PHY）和媒體介質訪問層（MAC）由IEEE82.15.4 定義，而網絡層（NWK）和應用層（APL）由ZigBee 世界聯盟自己制定[19]。

2.3 系統的軟件實現

本系統軟件主要包括以下部分：采集節點采集發送數據（圖2），中心節點接收傳遞數據（圖3），中心節點處理顯示數據（圖4）。程序的關鍵是ZigBee組網部分和數據的組包與解析，以及中心節點的數據處理與顯示，其中數據處理又分為通道處理（電參量向非電量的轉換），腳本處理（運用一定的算法和公式將通道處理過的數據進行二次處理），數據存盤（用腳本程序實現）；所有模塊由數據庫進行數據的統一管理和同步。

圖2 采集節點流程圖Fig.2 Acquisition nodes flowchart

圖3 中心節點流程圖Fig.3 Central node flowchart

圖4 中心節點程序功能框圖Fig.4 Functional block diagram of the central node

3 實驗環境與方法

3.1 實驗環境

實驗地點分別為北京市農林科學院實驗室（簡稱實驗室）和溫室蔬菜實驗基地兩個地方，實驗室可調節環境溫濕度和CO2濃度。過程中用到本裝置和美國Licor 公司LI-6400 型便攜式光合作用儀。實驗對象是環境空氣和長茄葉片。

3.2 傳感器測量數據準確性驗證實驗

系統中用到CO2和溫濕度傳感器，這些傳感器數據的準確性直接影響儀器測量值的準確性，所以首先在實驗室中分別進行了空氣CO2濃度、空氣溫度和空氣濕度的測量實驗。具體設計：1）調節實驗室CO2濃度，分別用本裝置和LI-6400 進行不同水平的CO2濃度測量， 每個范圍的測量不屬于重復測量；2）調節實驗室溫度，進行不同水平的溫度測量；3）調節實驗室濕度，進行不同范圍的濕度測量，且每個范圍的三組數據屬于不同水平的濕度測量。

3.3 儀器測量值準確性驗證實驗

本系統關鍵目標是測量作物光合速率，在保證系統各路傳感器準確工作后，需進行光合速率實測實驗。該項實驗選擇在溫室蔬菜實驗基地進行，分別用本裝置和LI-6400 對長茄葉片進行光合速率測量實驗。時間為上午9:00-12:00 和下午13:00-17:00，每隔十分鐘讀數一次。試驗過程需注意，兩個測量裝置都需要開機預熱，待系統穩定后再開始測量；兩次讀數之間要打開頁夾，待系統穩定后再進行下一次測量。

4 結果與分析

4.1 空氣CO2濃度測定分析

與LI-6400 的測量結果比較， 本系統測定的CO2濃度結果的平均測量偏差為-1.09%（表1），該測量偏差滿足測量精度要求，不足是本裝置測量值只能精確到個位，而LI-6400 能精確到小數點后一位，主要原因是本設計為取得成本和精度之間的平衡，所以沒有選擇精度更高的傳感器。用最小二乘法線性擬合表1 中測量值，發現本裝置CO2測量值和LI-6400 測量值之間存在近似的線性關系（y=0.9075x+45.5605，R2=0.9533），而且擬合系數接近為1，說明本文裝置測量值與LI-6400 測量值存在一致的變化規律。

表1 二氧化碳濃度測量值對比Table 1 Comparison of measured concentrations of carbon dioxide by two systems

4.2 空氣溫度測定分析

溫度測量實驗結果（表2）顯示了兩種裝置在不同溫度水平下的測量偏差，由此可以計算出本裝置溫度測量與LI-6400 的平均測量偏差為-7.68%，測量值偏差稍大。原因分析是兩種裝置的構造不同，局部溫度會有所差異。經最小二乘法線性擬合發現兩種裝置的空氣溫度測量值之間也存在近似的線性關系（y=1.0149x+0.8078，R2=0.9825），說明兩種裝置測量值雖存在偏差，但變化規律一致。每個水平的溫度重復測量了三次，利用EXCEL 對表2 中5-10 ℃范圍的三組（其他范圍內數據做了相同的分析，結果類似，此處不再一一列出）數據進行方差統計分析，得LI-6400 測量值方差為0.117 6，本文裝置測量值方差為0.333 3，雖比LI-6400 偏大，但也在允許的范圍內。

假設不同裝置對測量結果有影響，比較檢驗統計量F 和給定α 水平下的臨界值Fcrit（F=0.0089＜Fcrit=7.7086）得出原假設不成立，即不同裝置對測量結果沒有顯著影響，由此看出，兩種裝置空氣溫度測量值沒有顯著差異。

表2 溫度測量值對比Table 2 Comparison of measured air temperature by two systems

4.3 空氣濕度測定分析

實驗結果（表3）表明兩種裝置在不同濕度水平下的測量結果和每組數據的測量偏差，在測量空氣濕度時， 本裝置相對LI-6400 的平均測量偏差為0.64%，說明測量值非常接近，結果很理想。但最大偏差為16.47%，原因分析是儀器剛進入測量狀態，工作還不穩定，或者由操作不規范等原因導致。對表3 中數據進行最小二乘法線性擬合，發現本裝置與LI-6400 的空氣濕度測量值存在如下關系：

y=1.0055x-0.2611

R2=0.9995

兩種裝置的測量值存在近似的線性關系，表明本文測量系統濕度測量與LI-6400 測量結果很接近，精度能夠滿足使用要求。

表3 濕度測量值對比Table 3 Comparison of measured air humidity by two systems

4.4 光合速率測定結果分析

表4 為作物一天的光合速率測量結果，同樣是拿LI-6400 示值和本裝置示值做對比。測量值較小時，本裝置和LI-6400 的光合速率測量值表現出較好的線性關系，隨著測量值的增大不再成線性關系。而且由表4 數據知，在11-12 點期間本裝置測量值明顯比LI-6400 低。原因分析如下：1）本測量系統是密閉式，當光合速率較大時，密閉系統葉室里的CO2濃度迅速降低，已不是正常環境下的光合速率值，所以測出來的是低CO2濃度下的光合速率，比自然環境下測量值小；2）中午溫度較高時，系統散熱不好導致局部溫度偏高，會導致測量值偏小。

本文認為LI-6400 示值小于5 μmol/(m2·s)的光合速率是低光合水平，對低光合水平下的數據單獨用最小二乘法線性擬合，發現此時，本裝置光合速率測量值和LI-6400 存在如下關系：

y=0.8783x+0.3164

R2=0.8573

結果基本令人滿意,但也存在誤差，分析誤差原因主要為：1）測量系統環境是局部環境，和真實植物生長環境有偏差；2）CO2傳感器測量和溫度傳感器本身有測量誤差；3）兩個裝置一起測量時，葉片測量位置無法做到完全相同，對數據造成影響。

通過分析本裝置測量數據以及與LI-6400 的對比可以看到，所設計測量系統的光合速率測量值與實際測量過程和環境條件是相符的，可以滿足光合速率測量需求。

表4 光合速率測量值對比（μmol/(m2·s)）Table 4 Comparison of measured photosynthetic rates by two systems（μmol/(m2·s)）

5 結論

本文將ZigBee 無線傳輸技術運用于作物光合速率的監測系統中，設計了一種遠程測量系統，實現了環境溫濕度及CO2濃度的實時監測，并自動計算出光合速率。與現有光合速率測量系統相比，本系統具有如下特點：1）成本較低，結構簡單，是一種低成本的無線測量和監控方案；2）采用無線傳感器網絡，布置方便，降低安裝布線成本；3）系統具有通用性和可擴展性，通過增加數據采集端或改變傳感器類型，以及修改觸摸屏終端軟件，可方便的擴展系統功能。該系統非常適用于室內（低光合水平）教學等試驗用場合。目前也存在一些問題，比如夾持葉片不能自動完成，還需人為操作葉室的打開和關閉；光合速率較高時，測量系統測量值偏低，這些問題可在后續設計中通過增加自動化裝置、優化測量流程等措施得到改進和完善。

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