基于LVDT的植株莖稈直徑變化遠(yuǎn)程無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,農(nóng)業(yè)工程論文

基于LVDT的植株莖稈直徑變化遠(yuǎn)程無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,農(nóng)業(yè)工程論文進(jìn)入21世紀(jì),農(nóng)業(yè)信息技術(shù)在宏觀方面獲得廣泛應(yīng)用的同時,也開場向微觀方向拓展。水資源緊缺日趨嚴(yán)重的現(xiàn)在狀況迫切要求農(nóng)業(yè)灌溉朝著精到準(zhǔn)確灌溉的方向發(fā)展,這就需要合理的灌溉指標(biāo)指導(dǎo)灌溉。準(zhǔn)確地判定和監(jiān)測作物本身水分狀況的方式方法主要有兩種:一是間接估算,即根據(jù)引起作物水分虧缺的環(huán)境因素(如土壤水分、空氣溫濕度等)的測定來估算作物水分狀況。二是直接測定,即根據(jù)測定的作物生理指標(biāo)(如蒸騰速率、葉水勢等)來衡量作物水分狀況。Turner研究以為,利用作物本身的水分狀況作為灌溉根據(jù)比利用土壤水分狀況更可靠。從植物生理學(xué)角度講,植物器官(莖、葉、果實等)體積微變化動態(tài)與其體內(nèi)的水分狀況有關(guān),植株莖稈白天蒸騰失水收縮,夜晚根系吸水膨脹,這就為通過莖直徑微變化診斷植株體內(nèi)的水分狀況提供了可能。這種方式方法具有不毀壞植株組織、合適長期自動監(jiān)測的優(yōu)點,國外一些科技工作者以莖直徑變化作為作物水分狀況的指示指標(biāo),與灌溉自動控制系統(tǒng)相連接,實現(xiàn)了作物水分管理的自動化。國內(nèi)外存在的莖直徑微變化的測量方式方法主要包括非電量電測法、激光測量法、電容測量法及直接測量法等。直接測量法精度較低;電容測量法輸出有非線性;寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大;激光測量的安全性差、成本高、測試精度易受環(huán)境干擾,并且光學(xué)系統(tǒng)保養(yǎng)使用費(fèi)事,不合適普遍推廣。非電量電測法能夠連續(xù)、自動地對被測量進(jìn)行測量和記錄,而且電信號能夠遠(yuǎn)距離傳輸,便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量。國內(nèi)研究人員采用的方式方法:將線性可變差動變壓器(LinearVariableDifferentialTransformer,LVDT)固定在莖稈測量部位,與數(shù)據(jù)采集器相連實現(xiàn)自動記錄;在測量一段時間后,再將數(shù)據(jù)下載至PC機(jī)進(jìn)行分析。臺海江等提出了一種基于LVDT的單片機(jī)與數(shù)據(jù)采集單元結(jié)合測量作物莖稈微變化量的方式方法。以上這類有線測量方式方法固然能保證在一個較長的生育期間連續(xù)測定,但是在溫室或大田環(huán)境下,極易老化的通信電纜使系統(tǒng)的可靠性無法保證,并且會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)部線纜縱橫交織,增加了系統(tǒng)安裝及維護(hù)成本。為此,設(shè)計了一套基于LVDT的植株莖稈直徑變化遠(yuǎn)程無線監(jiān)測系統(tǒng)。其構(gòu)成簡單、方便實用,實現(xiàn)對作物莖稈直徑微變化的無損、長時、遠(yuǎn)程監(jiān)測。1、系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要由觸摸式數(shù)據(jù)采集處理終端、APC系列遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊及其外圍電路、LVDT傳感器及其變送器組成,系統(tǒng)構(gòu)成如此圖1所示。將LVDT傳感器集成到APC300無線數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊內(nèi),構(gòu)成硬件系統(tǒng)的一個個節(jié)點;APC250S無線數(shù)據(jù)接收模塊通過RS232串口與觸摸式數(shù)據(jù)采集、處理終端相連,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、解析及存儲,并最終建立以莖直徑微變化量與土壤含水率的相關(guān)性分析模型。1.1節(jié)點的設(shè)計節(jié)點作為該硬件系統(tǒng)的基本功能單元,構(gòu)造如此圖2所示。其包括數(shù)據(jù)采集單元(LVDT傳感器、變送器)、數(shù)據(jù)處理和控制單元(外圍電路、微處理器、存儲器)、無線通信單元(無線收發(fā)器)和供電單元(電源、降壓穩(wěn)壓模塊)。1.1.1數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)監(jiān)測植株莖稈直徑變化信息的采集和進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。LVDT傳感器用于感悟、獲取莖稈直徑變化的信息,通過變送器將莖直徑位移信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號輸出。1)LVDT線性位移傳感器。LVDT傳感器的優(yōu)點是高精度、高可靠性,能適應(yīng)惡劣環(huán)境,符合本系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)選用低功耗差動變壓器式位移傳感器,主要性能指標(biāo):精度為0.5%F.S.;溫度系數(shù)為0.01~0.03%/℃;應(yīng)用環(huán)境為-10~60℃、0~100%RH;量程為0~10mm;輸出信號4~20mA。結(jié)合LVDT信號變送器可實現(xiàn)信號由位移信號到電信號的轉(zhuǎn)換,且位移量與電流值呈線性對應(yīng)關(guān)系。2)信號調(diào)理芯片AD698。AD698作為LVDT傳感器變送器的重要組成部分,是美國AnalogDevices公司生產(chǎn)的單片式線性位移差分變壓器信號調(diào)理系統(tǒng)。AD698與LVDT配合,能夠高精到準(zhǔn)確和高再現(xiàn)性地將LVDT的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓,再增加幾個外接無源元件來確定激磁頻率和增益,即可將電壓值轉(zhuǎn)換成電流值。1.1.2數(shù)據(jù)處理控制及無線通信單元數(shù)據(jù)處理控制單元負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作,選用超低功耗微處理器協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作,內(nèi)置高精度12bitA\D實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換;無線通信單元負(fù)責(zé)子節(jié)點與主節(jié)點之間的無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。APC300無線數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊內(nèi)置數(shù)據(jù)處理控制單元和無線通信單元。處理器采用8位超低功耗STM8L151G6微處理器,主要性能指標(biāo)為:2kBSRAM、32kBFlash、正常工作下的電流14mA、睡眠形式下的電流1.5A,主要負(fù)責(zé)控制傳感器數(shù)據(jù)采集、無線收發(fā)、電池能量監(jiān)測、丟包概率監(jiān)測及系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度等。無線通信單元采用射頻芯片SI4432,其性能指標(biāo)為:工作在240~960MHz頻段、電流300nA、接收靈敏度-117dB、發(fā)射功率11~20dBm、調(diào)制方式GFSK,具有高集成度、低功耗、多頻段的特點。其內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、64字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO以及可配置的GPIO等。因而,APC300無線數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊功耗極低且集成度極高,1節(jié)普通的鋰亞電池可工作數(shù)年,其體積為22.4mm15.9mm5.0mm,易于模塊集成;可視無障礙無線傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)700m;一個終端能夠接收多個節(jié)點的數(shù)據(jù),實現(xiàn)一收多發(fā)、多點測量。1.1.3供電單元供電單元包括電源模塊及降壓穩(wěn)壓模塊,主要為節(jié)點及無線數(shù)據(jù)接收模塊供電。選擇輸出電壓為24V的可充電鋰亞電池為LVDT傳感器及APC300、APC250S數(shù)據(jù)收發(fā)模塊供電,經(jīng)過可調(diào)降壓穩(wěn)壓模塊將24V電壓轉(zhuǎn)換為12,5,3.6V。該模塊集成了LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器,功耗低、開關(guān)頻率高、輸出紋波小且輸出電壓穩(wěn)定可靠。由于傳感器及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊功耗較低,可連續(xù)工作很長時間,且鋰亞電池體積小,便于集成。1.2外圍電路的設(shè)計將LVDT傳感器接入如此圖3所示的APC300無線數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊的外圍電路中,接入的LVDT傳感器等效于可變電流源,將其并聯(lián)在R1=200精致細(xì)密電阻上,在第5腳數(shù)據(jù)采集端AD2和傳感器電源控制腳AUX之間串聯(lián)精致細(xì)密電阻R2=100k,采集的數(shù)據(jù)是R2兩端電壓U2的數(shù)字量。隨著LVDT位移值的增大,電流逐步增大,U2逐步減小,數(shù)字量也逐步減小。經(jīng)試驗驗證,LVDT傳感器輸出電流I在4~20mA范圍內(nèi)變化時,U2的變化范圍為3.12~0.18V,二者的變化呈負(fù)線性對應(yīng)關(guān)系。因而,建立二者之間的線性函數(shù)模型,通過電壓數(shù)字量的變化來反映位移的變化,實現(xiàn)了對位移值變化的直觀顯示。節(jié)點發(fā)送6個字節(jié)數(shù)據(jù)至APC250S數(shù)據(jù)接收模塊,再經(jīng)RS232串口至觸摸式數(shù)據(jù)采集處理終端,經(jīng)過軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。2、系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化和構(gòu)造化設(shè)計方式方法,便于功能上的擴(kuò)展。上位機(jī)操作界面采用VB.NET語言開發(fā),使用VisualBasic.NETFramework4.0建立人機(jī)界面,主要完成數(shù)據(jù)的解析、顯示、存儲及繪制曲線的功能,包括下面8個模塊。1)登錄模塊:輸入正確的用戶名及密碼方可進(jìn)入該系統(tǒng),自動判定其權(quán)限。2)主加載模塊:程序的主模塊,其菜單欄和工具欄能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)的操作,狀態(tài)欄用于顯示提示信息及用戶權(quán)限等。3)參數(shù)設(shè)置模塊:在接收數(shù)據(jù)之前,通過open方式方法打開串口,并完成對串口號、波特率以及數(shù)據(jù)格式等屬性的設(shè)置,實現(xiàn)對串口的控制和管理。4)時間顯示模塊:調(diào)用Timer控件,顯示運(yùn)行時間,為采集的數(shù)據(jù)提供時間根據(jù)。5)串口數(shù)據(jù)接收模塊:調(diào)用serialport類,將串口接收的數(shù)據(jù)按其原格式進(jìn)行顯示,更新接收窗口數(shù)據(jù)。6)數(shù)據(jù)處理模塊:實現(xiàn)對字符串的接收、顯示并解析,根據(jù)接收字符串的ID判定數(shù)據(jù)來源于哪個節(jié)點,并將字符串及解析值顯示在主界面上。7)數(shù)據(jù)保存模塊:將來自不同節(jié)點的數(shù)據(jù)存入EXCEL表格的不同列內(nèi),完成數(shù)據(jù)的存儲,并能夠有選擇地將具體信息打印出來。8)曲線繪制模塊:調(diào)用來自子節(jié)點的數(shù)據(jù),開創(chuàng)建立嵌入式圖表,實現(xiàn)數(shù)據(jù)隨時間變化的動態(tài)直觀顯示,便于做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘和分析。系統(tǒng)主程序流程圖,如此圖4所示。3、實驗驗證3.1試驗方案相關(guān)文獻(xiàn)表示清楚,處于結(jié)果期的番茄植株木質(zhì)部和韌皮部幾乎停止生長,不再變粗,其莖直徑變化的主要原因在于韌皮部的吸水膨脹及失水收縮,且莖直徑的日變化情況滯后于土壤相對含水率的變化。在晴好天氣下,土壤相對含水率在50%~80%時,番茄莖稈的下節(jié)位直徑變化較上節(jié)位顯著;而在土壤相對含水率低于50%時,番茄莖稈的上節(jié)位直徑變化較下節(jié)位顯著。因而,施行試驗進(jìn)行驗證。試驗于2020年5-7月在北京農(nóng)林科學(xué)院溫室中進(jìn)行,溫室東西走向,坐南朝北,覆蓋聚乙烯薄膜。試驗地土質(zhì)為砂壤土,田間持水率為28%。試驗以小區(qū)試驗方式進(jìn)行,番茄品種為佳粉18,于5月上旬移栽至小區(qū)分4行種植,單行10株,行距55cm,株距40cm。小區(qū)供水方式為漫灌。在番茄植株進(jìn)入結(jié)果期第1輪花序30天之后,隨機(jī)選取4株長勢相近植株,在7月4-10日開場對其做干旱處理試驗。將四套系統(tǒng)分別安裝在番茄植株1、3莖稈的上節(jié)位以及植株2、4莖稈的下節(jié)位,并在試驗?zāi)┢?7月9日中午)為植株1、2各澆水500mL。為方便比擬,以LVDT傳感器安裝初始時刻的莖直徑變化值為準(zhǔn),將莖直徑初始值設(shè)定為1mm,記錄莖直徑相對變化量。節(jié)點布置好之后,將終端放在距離節(jié)點約50m的溫室內(nèi),將數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定為1min。在番茄莖直徑變化監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的同時,每隔12h測定一次土壤相對含水率。采用如下方式方法進(jìn)行測定:用0.1g精度的天平稱取金屬盒質(zhì)量,記作m;用土鉆采取土樣,將其盛于金屬盒內(nèi),稱取金屬盒與濕土質(zhì)量,記作M;在105℃的烘箱內(nèi)將土樣烘6~8h至恒重,然后測定烘干土樣與金屬盒的總質(zhì)量,記作Ms,則土壤相對含水率=(M-Ms)/(M-m)100%。圖5所示為數(shù)據(jù)采集界面,圖6及圖7為采集終端和節(jié)點,圖8為各植株莖稈直徑相對變化量隨時間的變化情況及其與土壤相對含水率的相關(guān)性分析結(jié)果。3.2試驗結(jié)果分析1)在土壤相對含水率高于50%左右時,夾持于下節(jié)位的植株2、4比夾持于上節(jié)位的植株1、3莖稈直徑變化顯著;而在土壤相對含水率低于50%左右時,植株1、3莖直徑變化比植株2、4顯著,這講明處于結(jié)果期的番茄植株下節(jié)位對水敏感。2)在一個干旱周期內(nèi),植株3、4的土壤相對含水率與莖直徑相對變化量相關(guān)性程度高于進(jìn)行灌溉的植株1、2。其原因可能在于,澆水后的植株1、2莖直徑并沒有立即呈現(xiàn)出明顯變化,驗證了植株莖直徑的變化滯后于土壤相對含水率的變化的理論。3)植株1、2在施少量水后莖稈直徑呈恢復(fù)趨勢,但是滯后于土壤相對含水率的升高。這講明番茄植株土壤含水率的變化能夠作為間接估算作物水分狀況的指標(biāo),但是并不能直接反映作物體內(nèi)的水分狀況。4)植株3、4