基于熱擴散探針的便攜式植物液流監測儀研究

張 菊 江朝暉 李 博 吳文輝 高 健

(1.安徽農業大學信息與計算機學院， 合肥 230036； 2.國際竹藤中心， 北京 100102)

0 引言

植物液流(Sap flow)是指植物體內由于葉片的蒸騰作用引起的植物體失水，從而導致水分通過植物木質部從根部運輸到葉片的過程[1]。它是土壤-植物-大氣連續體水流路徑中一個關鍵的鏈接，承接了龐大的地下根系所吸收、匯集的土壤水，決定了整個樹冠的蒸騰量，可反映植物體內的水分傳輸狀況和植物對水分的利用特征及其對環境的響應[2]，同時也是驗證、修正蒸騰模型、根系吸水模型的重要參數[3]。因此，植物液流量成為分析樹木耗水特性、研究樹木水分傳輸機理的關鍵指標之一[4]?，F有的檢測方法主要有熱脈沖法、熱平衡法、熱擴散法和激光熱脈沖法[5]。其中，熱脈沖式液流計價格過于昂貴，且對液流的響應滯后；熱平衡法的測量系統對液流瞬時變化的響應不同步，其測量精度有待提高；激光熱脈沖法尚處于研究測試階段[6]。而Granier探針在熱脈沖法的基礎上改造的熱擴散法成本低、能耗低、易用、安裝簡單，具有長期測量潛力[7-9]，更適于開展大量的野外監測，可以不破壞植物自然生長條件和正常生長狀況，連續測定植物液流。

目前，用于檢測植物液流的儀器和方法分為商業化儀器和探針+恒流加熱+數采儀組合的模塊化儀器，一般需要市電供應，而野外供電較為困難；儀器尚未配備無線通信模塊，用戶無法實時了解儀器的工作狀況；儀器體積大、成本高，不利于規?；褂茫煌瑫r，儀器只能獲得存儲探針間的測量電壓，需要先導出數據再轉換成液流量。

本文設計一款便攜式熱擴散邊材液流探針(Thermal dissipation sap flow velocity probe,TDP)植物液流儀。設計低噪聲、高增益的精密放大電路，以提高采集性能，減小體積并降低價格；采用SD卡存儲數據，并通過USB讀取和遠程無線發送數據，以解決偏遠密林通信困難與及時獲取監測數據的矛盾；采用太陽能電池板+蓄電池供電模式，以適應野外監測。

1 系統設計

熱擴散法液流檢測的基本原理是將一對TDP探針(熱電偶)上下排列插入待測植物的邊材，其中下探針為參考端，上探針通過加熱產生恒定熱量，由于植物蒸騰作用隨著晝夜、天氣等變化，導致液流帶走上探針的熱量發生改變，因此與下探針的電壓差隨之變化，通過測量探針間電壓差即可估算液流量[10]。

樹干液流密度Jsi計算公式[11-12]為

Jsi=a(Vmax/Vi-1)b

(1)

式中Vmax——液流為0時的最大電壓差

Vi——i時刻測定的電壓差

a、b——方程參數，與植物種類相關

根據上述原理，設計的便攜式TDP液流儀由5部分組成，如圖1所示，分別為TDP探針、恒流源加熱模塊、信號放大模塊、數據采集顯示存儲發送模塊、供電模塊。

圖1 便攜式TDP液流儀結構框圖Fig.1 Structure diagram of portable TDP sap flow meter

經恒流源加熱的TDP探針輸出微弱電壓信號，經過精密放大后傳給主控微處理器，通過迭代運算和公式運算得出液流密度，然后將數據進行顯示、SD卡存儲并通過USB讀取、GPRS遠程發送到數據庫，同時在監測到電源電壓小于預設工作電壓時，向手機端發送警報信息。

1.1 TDP探針

完整的 Granier 探針系統包括2個傳感器探針(含針頭)、加熱電阻絲和T型熱電偶(銅鎳合金)。針頭為圓柱形中空，直徑2 mm，不同直徑的樹干或莖需采用不同長度的探針，常見的探針長度有20、30、50 mm等。本文主要針對樹干或莖直徑較小的植物，如毛竹、細樹等，因此采用自制的長10 mm TDP探針進行試驗，外層緊密纏繞加熱電阻絲，然后再套上鋁管。熱電偶將溫度信號轉換成熱電動勢信號，再通過電氣儀表(二次儀表)將電動勢轉換成被測介質的溫度。熱電偶緊貼于針頭內壁中間位置，與內壁絕緣，端頭連接測量兩個探針溫度差異的信號線。上、下探針的熱電偶末端連接，持續給上探針提供120 mA的電流。下探針作為對照探針不加熱，用于測量樹干的溫度[13-16]。

1.2 恒流源加熱模塊

為了實現上探針的持續、穩定加熱，采用LM317穩壓芯片對加熱模塊進行穩壓處理，形成恒流源電路。恒流源是一種常用的能夠向負載提供恒定電流的電路模塊，被廣泛應用于各種測量與控制系統中。LM317是應用最為廣泛的電源集成電路之一，不僅具有固定式三端穩壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調的特點，還具有調壓范圍寬、穩壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優點。

以雙探針為例，恒流源加熱電路如圖2所示。上探針加熱電阻為10 Ω，加熱電流為120 mA[15]，則兩根探針串聯的端電壓為2.4 V，根據公式

圖2 恒流源加熱電路Fig.2 Constant current source heating circuit

Vout=1.25(1+R2/R1)

(2)

式中Vout——輸出電壓R1——可變電阻

R2——穩壓器LM317第1、2腳間的電阻

可知，通過調節電位器R2即可獲得需要的穩定電壓和恒定電流。

1.3 信號放大模塊

TDP輸出的信號為0.1 mV級電壓差，幅值較低且易受干擾，而主控模塊的AD采集通道精度為12位，范圍為0～3.3 V，為了達到采集范圍，同時更好地提高系統的抗干擾能力，采用3級信號放大電路，如圖3所示。第1級采用低成本、高共模抑制比的單片儀表放大器AD620差分放大，第2、3級采用低噪聲、低輸入偏置電流的雙極性運放OP07反相放大，組成低噪聲、高增益的精密放大電路[17]。其中，AD620和OP07的增益分別為

圖3 信號放大電路Fig.3 Signal amplification circuit

G=49.4/RG+1

(3)

A=-Rf/Ri

(4)

式中G——AD620的增益

RG——AD620的外接電阻

A——反相放大電路的增益

Rf——反相放大電路的反饋電阻

Ri——反相放大電路的輸入電阻

3級放大電路的總增益為3 000倍，AD620的增益設為20，即RG=2.6 kΩ，第2級反相放大增益為15，第3級反相放大增益為10，即Rf1=15 kΩ,Rf2=10 kΩ，Ri=1 kΩ。

1.4 數據采集顯示存儲發送模塊

主控芯片采集數據后對數據進行運算、顯示、存儲、發送等處理。采用STM32作為主控芯片，STM32是基于Cortex-M3的32位處理器，主頻可達到72 MHz，內置512 KB的FLASH和64 KB的SRAM，內嵌3個12位的AD轉換器，可進行多路模擬信號采集，具有功耗低、價格低、性能高、資源豐富的特點。為了使主控芯片斷電后繼續計算實時時間，采用實時時鐘電路。

采用低功耗OLED顯示屏。SD卡采用SDIO接口和FATFS文件系統，并用GL827讀卡芯片實現USB下載功能。數據遠程傳輸及電量不足報警采用GPRS模式。

1.5 供電模塊

通過太陽能控制器得到5 V和12 V兩路電源。各模塊供電部分包括：5 V電源給GPRS模塊供電，給正、負電源轉換部分供電，通過AMS1117-3.3模塊降壓至3.3 V給主控芯片、OLED、SD卡供電；12 V電源通過DC/DC變換芯片XL6009穩壓至12 V給恒流源加熱模塊供電。其中正、負電源轉換部分中輸入的5 V電源通過DC/DC變換芯片XL6007轉換為9 V電源，再通過三端集成穩壓器LM7805、LM7905為信號放大電路提供±5 V電源。電量監測部分主要由分壓電路實現，如果電壓低于事先設置的閾值則及時通過AT指令發送短信給用戶，以便及時處理，包括更換電池、人工充電等。

2 軟件設計

2.1 液流計算方法

為減少誤差，提高數據準確性，將式(1)中的Vi由當前值改為T時間內的平均值，通過不斷比較迭代求得每天的測量電壓最大值。以單探針為例，液流密度計算方法如圖4所示。主要步驟如下：

圖4 液流量計算流程圖Fig.4 Flow chart of sap flow calculation

(1)初始化，設置電壓最大值Vmax=0，設置時間段T，求取T時間內的電壓平均值，創建三維數組。

(2)判斷日期是否發生改變，若沒有發生變化，求取T時間內的平均值Vi，將平均值Vi與當前最大值Vmax進行比較，如果Vi>Vmax，將Vi作為當前最大值Vmax并保存，否則不改變當前最大值Vmax；同時將該實時時間、Vi存入三維數組。

(3)若日期發生變化，根據式(1)計算液流密度，將獲得的平均值Vi和液流密度Jsi存儲到SD卡中，并通過GPRS發送到數據庫，將最大值Vmax置零，數組清零。

2.2 通信軟件

GPRS傳輸設計中使用安信可A9模塊作為socket客戶端，遠程服務器作為socket服務器端，采用JAVA語言編寫網絡服務，建立數據庫并與遠程服務器連接。

主控模塊與GPRS模塊間通過串口發送AT指令，使GPRS模塊完成初始化、查詢網絡、設置網絡信息、建立連接和發送數據；本系統選用TDP面向連接協議進行網絡通信，服務器IP為自申請的IP地址，端口號設定為8888。當數據發送完成后，通過指令查詢服務端確定信息接收完成，并等待下一次數據發送。最后遠程服務器完成數據接收，數據庫連接，使用SQL語言按照數據屬性填充數據庫表格[18]。

GPRS模塊在電源電壓低于閾值時發送短信給手機端報警，通信流程如圖5所示。

圖5 通信流程圖Fig.5 Flow chart of communication

3 試驗結果與分析

3.1 性能測試

本文設計的液流儀實物如圖6所示。終端部分的尺寸為95 mm×90 mm×40 mm，質量約280 g，便于攜帶和使用。采用低頻信號發生器模擬輸入，在0～50 Hz頻率范圍內，檢測誤差小于實際值的0.1%，模擬電壓分辨率小于30 μV，測量線性度和穩定性良好。顯示、存儲、讀取、傳輸和報警等功能正常、性能穩定。對功耗進行定量測試，以雙探針監測為例，平均功耗小于2 W，采用12 V 20 A·h的鉛酸蓄電池，在沒有光照的情況下可連續工作7 d，在有光照的情況下可實現長期連續工作。

圖6 液流儀實物圖Fig.6 Physical photograph of sap flow meter

3.2 液流監測

分別在安徽省涇縣的毛竹林和安徽農業大學校內的小海棠樹上進行實際液流監測和對比試驗。

在毛竹上安裝TDP探針[19]，探針安裝示意圖如圖7所示。具體步驟如下：

圖7 探針安裝示意圖Fig.7 Sketches of probe installation

(1)在毛竹壁厚較大(壁厚大于10 mm)的立竹基部(地上約20 cm處)的垂直竹壁上鉆2個直徑2.5 mm的孔，沿毛竹莖桿方向2孔間距10 cm。

(2)TDP探針外面涂抹1層導熱硅膠，上探針(3根外接線)安裝于上方孔，下探針(1根外接線)安裝于下方孔。注意上探針安裝過程要輕柔，以旋轉式插入孔中，下探針可以直接插入。

(3)上探針的加熱線連接恒流源(120 mA)加熱模塊。

(4)上、下探針的2根數據線接入終端，上探針接信號放大模塊正極，下探針接信號放大模塊負極。

(5)TDP探針安裝好后需要用硬塑料板包裹加以保護，再外包防輻射膜和遮雨膜以避免外界環境(溫度、光照、降雨等) 對探針溫差信號的影響。

2019年12月在涇縣毛竹林試驗基地選取2根毛竹進行試驗，每根毛竹安裝上、下2組探針，上方使用本文設計的植物液流儀進行監測，下方使用Delta-T 型數據采集儀(DL2e，英國)進行監測。每30 s采集一次電壓，每10 min對20個數據求平均值作為當前電壓。式(1)中參數a、b按照文獻[17-19]選取，即a=306.5，b=1.746。圖8為部分試驗結果，包括本文設計儀器和對照儀器在2根毛竹上獲得的電壓差及液流密度。

圖8 毛竹液流監測試驗數據Fig.8 Test data of moso bamboo sap flow monitoring

電壓差及液流密度通過GPRS傳送到后臺數據庫，數據庫片段如圖9所示。

圖9 數據庫片段 Fig.9 Part of database

2019年6—7月，在安徽農業大學校園內選擇樹干較細的海棠樹進行單探針監測試驗(圖10)。在液流密度計算時，式(1)中參數a、b按照文獻[20]選取，即a=119，b=1.23。其他處理與毛竹監測相同，不再贅述。部分試驗結果如圖11所示。

圖10 海棠樹液流監測試驗Fig.10 Test of crabapple tree sap flow monitoring

圖11 海棠樹液流監測試驗數據Fig.11 Test data of crabapple tree sap flow monitoring

3.3 結果分析

LAGERGREN等[21]總結了樹干液流量和蒸騰關系的研究成果, 指出在正常情況下一天的蒸騰量與液流量幾乎相等, 因而在日時間尺度上, 可以用樹干液流量表示蒸騰量。

如圖8、11所示，植物蒸騰耗水的過程表現出周期性的變化特征。電壓差曲線呈現白天低、夜晚高，而液流量正好相反，這是由于光照強度越強，氣孔就張開或擴大，蒸騰作用就越強。白天光照充足，蒸騰作用越強，帶走上探針的熱量越多，與參考端的電壓差越?。煌砩蠜]有光照，植物氣孔閉合或是縮小，植物的蒸騰作用變弱，帶走上探針的熱量變少，與參考端的電壓差趨于最大值。因此本試驗結果符合文獻[22-23]的研究結論：一天中各種樹木的液流變化曲線呈單峰型、雙峰型或多峰型，即早晨和傍晚低，中午前后達高峰，夜間蒸騰停止，液流速率急劇降低，但并不為0。

圖8同時給出了本文設計儀器與標準設備的監測結果，經過對比可以看出，毛竹電壓差在0.30～0.60 mV之間，液流密度在0～150 g/(m2·s)之間，兩者變化趨勢相同，同樣呈現白天高、夜晚低的變化規律。由于探針安裝位置不同，本文設計儀器和對照設備的監測結果不可能完全相同。為了定量比較，采用相關系數進行評價。

對于毛竹1，本文設計儀器和對照設備所得電壓差的相關系數CV1=0.927 9，液流密度的相關系

數CJ1=0.893 5；對于毛竹2，兩者電壓差的相關系數CV2=0.863 6，液流密度的相關系數CJ2=0.788 2。結果表明本文設計儀器的監測結果可信度較高。

由圖11可以看出，小海棠樹的電壓差為0.25～0.40 mV，液流密度為0～55 g/(m2·s)，都呈現明顯的周期規律，與文獻[22]研究相符。由于種類不同、季節不同，海棠樹和毛竹的監測結果不便定量比較。

4 結論

(1)設計了基于熱擴散原理的便攜式植物液流監測儀。設計的低噪聲、高增益的精密放大電路提高了數據采集的性能，采用迭代算法能夠及時獲得液流密度。設計了SD卡存儲和GPRS通信兩種數據傳輸方案，采用低功耗設計和太陽能供電。

(2)設計的液流儀體積小巧，易于攜帶和使用，且成本低、功耗小，利用太陽能供電可實現長期連續工作。

(3)對毛竹、小海棠樹等植物的監測及對比試驗表明，本文設計的液流儀所測液流密度與前人研究結果一致，且與對照儀器的各項相關系數均不小于0.788 2，屬于顯著相關，結果準確可信。本文設計的液流儀性價比高，通道易于擴展，適用于植物蒸騰耗水規律研究及相關應用。