作物缺水检测仪的设计—毕设论文(编辑修改稿)

作物缺水检测仪的设计—毕设论文(编辑修改稿)内容摘要：

的最佳度量。 主要应用在研究气孔的活动及作物光合作用等生理活动过程中，通过研究土壤水势和叶水势之间的数量变化关系来判断水分在作物生产系统中运输的方向与速率。 土壤水势的降低，叶水势的恢复变慢。 当叶水势不能得到恢复时，就会出现作物永久萎蔫。 此时的叶水势和土壤水势可作为防止作物叶片发生萎蔫的临界阈值，是作物水分状况基本的度量天津 职业技术师范大学 20xx 届 本科生 毕业设计 6 指标。 鲍一丹等结合叶片电特性 (电容 )与叶水势对玉米植株进行了缺水度的实验。 张文丽等研究发现 ,叶水势为 是光合速率和蒸腾速率敏感的临界点 ,可认为叶水势 是提高玉米光合速率和水分利用效率的重要阈值之一。 植物生理电特性信号，作物因缺水而导致细胞液浓度的增加，进而导致植物 电特性的变化。 日本 Keolntaboal 测量西红柿叶片表面电位，在光照时叶片表面电位比黑暗时高，认为光合活动可以从叶片表面电位反映出来。 白广存等对植物生理信息采集处理系统进行了研究，选用微电极传感器，实现了植物电位信号的多点采集。 近期研究表明：水分、养分、光照、温度、湿度等因素的变化都会引起植株局部电位（ LEP）的变化。 干旱造成的植株体液浓度增高，可反映在电导率增高，电阻下降，因此张世芳等人通过测量植株生理电阻的变化研讨了植株的亏水程度。 但是采用这种方法需将电阻传感插针刺入植株茎杆，这样多少会对植物体 造成伤害并影响测试精度同时存在信号不敏感、误差及变异很大 ,难以正确反映作物的实际需水信息。 其它指标：利用声发射技术 AE（ Acoustic Emission），可以检测得到作物的受水胁迫程度。 1993 年，米兰大学植物学家劳恩戈还肯定植物确能发出“喝水”的“劈啪声”借助现代仪器完全可变成相应的术语。 河北农业大学杨世风、霍晓静等首次在国内采用了以茎部声发射信号作为农作物需水信息的新方法，并以温室大面积栽培作物番茄为对象，进行了声发射信息自动监测与灌溉控制效果试验，开展了番茄茎部声发射信息与其他参数关系的探索性研 究。 还有人尝试利用电导、电容、射线吸收等测定计算叶片及其他组织的含水量。 本课题的研究目标及内容 本课题所研究的作物缺水检测仪 是为实现精准灌溉而设计的，主要目标是为精准灌溉的实施提供较为精确的作物缺水信息，从而指导节水灌溉活动，达到提高水资源利用率的效果。 该作物生长缺水信息检测系统通过非接触式红外测温方法测量作物冠层温度，采用 SHT71 温湿度传感器 测量大气中的温湿度 ， 通过冠层温度 — 气温差 计算得出作物缺水指标 (CWSI)，从而反映出作物生长的缺水状况，指导灌溉。 本课题的研究主要为系统的硬件与软件设计，研 究工作有以下几个方面： (1)系统总体方案设计：根据系统功能要求并且考虑系统的稳定性及准确性，采用模块化设计方法，以方便系统的调试和后期开发。 (2)系统硬件设计：主要包括嵌入式芯片的选择、传感器的选择；传感器采集电路的设计与搭建，电源电路的设计等。 (3)系统软件设计：主要包括各种传感器信息的采集，数据的显示、处理与存储，人机界面的设计等。 天津 职业技术师范大学 20xx 届 本科生 毕业设计 7 本章小结 本章首先介绍了研究本课题的 背景、目的与意义，接着重点介绍了国内外关于本课题的研究现状与发展，最后对本课题的研究目标与内容进行了简要概述。 天津 职业技术师范大学 20xx 届 本科生 毕业设计 8 2 基 于冠层温度的作物缺水信息检测技术 基于冠层温度的作物缺水指标研究进展 冠层温度信息可以很好地反映作物的水分状况。 自 20 世纪 70 年代以来，基于冠层温度的作物缺水指标的研究经历了三个阶段，即单纯研究冠层温度本身变化特征的第一阶段，以冠层能量平衡原理为基础的作物水分胁迫指数的第二阶段和考虑冠层和土壤的复合温度的水分亏缺指数的第三阶段。 指标的发展也由使用手持式红外辐射仪扩大到使用航空和卫星遥感信息。 这一类指标在点和区域尺度上均可应用。 加强这一类指标的研究对于我国北方地区农作物的有效灌溉和区域水资源的管理都有 重要意义。 半干旱地区农作物特别是冬小麦经常遭受水分胁迫的影响，为了制定实时补充灌溉 计划和管理策略需要对水分胁迫的影响进行定量化表面温度是联系地表和大气之间能量交换，藕合组成开放表面 (exposed Surface)能量平衡的辐射、传导和对流传输过程的关键变量。 因此，表面温度的测定常被作为表面通量模式的输入项 (Kustas 和Norman 1997)，或被作为监测作物水分胁迫的指示器 (Idso,1981)，该指标的测定在自然和环境科学领域具有广泛的应用。 作物冠层温度是指作物不同高度茎、叶表面温度的平均值。 应用 作物冠层温度监测其水分胁迫的研究已有 30 多年的历史(Tnaner,1963。 Jackson,1982。 Idso,1982)，作物叶片和空气温度差异是监测植物水分胁迫的一个常用指标。 在过去 30 多年，对冠层温度指标作为监测作物水分胁迫指示器的应用进行了大量的研究 (Jackson,1982。 Idso,1982)。 植物水分胁迫的发生，取决于大气的蒸发需求 (evaporation demand)和土壤水分有效性 2 个方面。 蒸发需求可由水汽压差的大小来描述，而蒸发需求的供给程度则依赖于土壤水分状况和相对叶面积。 植物冠层温 度和水分胁迫是密切相关的，并受环境和植物因子的影响，对于后者主要是通过气孔的关闭来响应环境的影响。 假设土壤湿度减少到一定程度后，引起气孔关闭使蒸腾耗热减少，导致冠层温度升高且高于气温 (。 Pearcy 等 ,1971)。 基于研究Tanner(1963)提出了“应用叶温可以估算水分状况”的假设，并采用直接接触式传感器测定叶温，因而存在观测值的整代表性差的问题，如将冠层作为一个整体，通过遥感其发出的热辐射解决这些问题。 大量实验和理论研究表明应用植物冠层温度可获得土壤和植物特征信息 (Tanner,1963。 Jaekson 等 1982:Idso 等 1986)。 植物冠层温度与土壤含水量 (Jackson 等 1977a。 Jaekson， 1982)，植物水分胁迫 (Jackson 等 1977b。 Idso 等 1978)和植物蒸散率 (Idso等 1977a:Jaekson等 1983)密切相关。 Idso等 (1981)和 Jackson等 (1981)天津 职业技术师范大学 20xx 届 本科生 毕业设计 9 提出了具有重要意义的 IdsoJackson 作物水分胁迫指数 (CWS 工 )。 基于冠层温度的CWSI 与土壤含水量、土壤基质势 (soil water matrix potential)土壤 含盐量、植物水势、叶扩散阻力和光合作用密切相关 (Jackson198。 7dIs。 等 1986)。 在我国华北平原地区，作物水分胁迫指数理论模式与其它一些反映作物水分状况的指标，包括叶水势、叶片气孔阻力、叶片最大净光合速率以及土壤水分含量之间的关系，结果表明理论模式与上述这些指标关系良好，表明其很好的反映了作物的水分胁迫特征 (袁国富，罗毅等20xx)。 这些研究结果促进了 CWSI 的应用，例如制定农田灌溉计划，预测作物产量和监测植物疾病 (Jackson 等 1977b:ldso 等 1977b。 刘瑞文 ,1992)。 作物叶片 和空气温度差异是监测植物水分胁迫的一个常用指标而在部分植被覆盖 条件下大多数手持机载或基于卫星的红外传感器测定的是土壤和植物的混合平均温度，测定叶温比较困难，因此阻碍了 CWSI 由农田尺度向区域尺度转换应用。 Shaa等 (1986)提出基于冠层温度来估算蒸散的方法，且蒸散与气温差日测定值有关。 Patel(20xx)采用不同种植日期法，研究了利用遥测冠层温度指标来估算作物水分状况的效果，并且对雨养木豆最终水分胁迫进行定量化。 冠气温差随时间变化的差异清楚地描述了木豆对土壤水分有效性的不同反应。 冠气温差与土壤湿度、作物 根区土壤含水量和蒸散量呈显著相关关系 (P≤ )。 同时发现作物产量与生殖生长期间的冠气温差和胁迫度日 (stress degree day， SDD)呈显著负相关关系。 在生殖生长阶段，大豆利用水总量随 SDD 的增加而降低。 在大豆的花期单株植物的种子产量与 SDD 之间的密切关系，清楚地表明了利用冠层温度资料来描述水分胁迫对雨养木豆影响的应用潜力。 我国关于冠层温度反映作物水分亏缺的研究基本上还停留在研究冠层温度本身的变化特点上 (董振国，。 王宏， 1992。 刘恩民， 20xx)，利用遥感测定冠层温度监测土壤水分状况的研究 较少 (卢志光等， 1993。 蔡焕杰等， 1994)。 到目前为止，我国对于基于冠层温度的作物水分亏缺诊断研究显得零星、单薄，没有形成广泛的连续的研究，并且尤其缺乏基于这种指标的应用研究。 然而，在许多具有发展潜力的应用中，表面温度的测定很难达到其所要求的准确度、分辨率和稳定性。 比如热电偶这样的温度探头，对表面温度的测定依据于热量平衡原理，通过传导和对流方式进行热量传输，其问题是要求与被测物体表面紧密接触，这将影响到接触处的表面能量平衡，因此也进一步影响到温度 (Fuchs， 1990)。 并且由于物体表面温度梯度非常明显 ，直接用温度计测量表面温度是非常困难的 (张仁华， 1992)，这种温度探头存在测定抽样面积较小的问题，而在环境条件下期望获得的测定值能够代表整体温度的空间非均匀效果。 而且，这种温度探头本身受辐射能量交换的影响，造成探头温度与其周围被测物体表面温度不同。 红外测温引起人们极大的兴趣，其通过非接触式的表面温度测定避免上述问题，成为许多表面温度测定应用中首选方法。 的确，在植被冠层内不同叶片间存在一定的天津 职业技术师范大学 20xx 届 本科生 毕业设计 10 温度范围，使用红外测温法 (infrared thermometry)遥测表面温度常是唯一可行的方法和途径 (Baker， 20xx)，但该方法仍存在测量的绝对精度受限的问题。 使用手持式红外测温仪观测冠层表面温度时受仪器本身、环境因子和植物因素等多方面的影响(Pennington 等 ,1989。 Gardner 等 ,1992)。 缺水指标 CWSI 缺水指标 CWSI(Crop Water Stress Index) 是反映作物水分状况的一种综合指标 , 其变化范围在 0～ 1之间，若 CWSI=0， 则水分充足 , 作物发生潜在蒸腾；若 CWSI=1，则作物水分严重亏缺。 CWSI 随作物水分的消耗而增大。 CWSI 的表达式为： pEECW SI  1 （ 21） 式中， E和 Ep 分别为作物实际和潜在蒸腾速率。 缺水指标 CWSI 的计算方法可以分为能量平衡法和图解法，其中图解法比较常用。 (1)能量平衡法 能量平衡法是根据能量平衡方程首先计算 蒸腾速率 E 和 Ep，然后由式 21 计算CWSI 值。 能量平衡法 计算公式如下： )/1( )/1()/1(afafpaf rrr rrrrrrCWSI   （ 22） 其中， AFAF TT ee  ** （ 23） 式中： r—— 湿度常数（ Pa/℃）； rf和 rfp —— 分别为实际和潜在蒸腾时的气孔扩散阻力 (s/m)； ra —— 空气动力阻力 (s/m)； *Fe 、 *Ae —— 分别为 TF和 TA 对应的饱和水汽压 （ Pa）。 经验常数 rf 和 rfp 与作物种类有关， ra 与风速及叶子尺寸有关。 实际计算时，上述公式主要未知数是叶面温度 TF。 (2)图解法 图解法计算缺水指标 CWSI 示意图 如图 21 所示： 天津 职业技术师范大学 20xx 届 本科生 毕业设计 11 图 21图解法计算缺水指标 CWSI示意图 图中横座标为空气饱和差 （ 即饱和水汽压与实际水汽压之差 , 是空气湿度的一种表示方法 ） ,纵座标为叶气温差。 直线 AB为作物停止蒸腾时的叶气温差 , 称为上基线 直线 ； CD 为作物发生潜在蒸腾时叶气温差与空气饱和差之间的关系 , 称为下基线。 当上、下基线确定后 , 由实测的叶气温差  T 和空气饱和差  e 可得到图中的 N点 , 对应的缺水指标 ： CWSI=NS/MS。 这种方法虽然叫做图解法 , 但实际计算时并不需要作图。 求得下基线方程后 , 由实测空气饱和差代人下基线方程得到相应叶气温差  T1 ， 再由实测叶气温差  T 和上基线对应的叶 气温差  T2 ，即可计算缺水指标 CWSI，计算公式如下： 121TT TTCWS I   （ 24） 由此可知 , 采用图解法计 算缺水指标时 ,首先需要确定下基线和上基线 , 当上、下基线确定后 , 缺水指标 CWSI 的计算比较简单。 红外测温原理及特点 黑体辐射与红外测温原理 一切温度高于绝对零度的物体都在 不停地向周围空间发出红外辐射能量。 物体的红外辐射能量的大小及其 波长的分布 —— 与它的表面温度有着十分密切的关系。 因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 天津 职业技术师范大学 20xx 届 本科生 毕业设计 12 黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的。