基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统，其主要技术特点是置于电子天平上的作物植株主径上安装一声发射传感器，该声发射传感器依次连接到信号调理器、ＰＣＩ数据采集卡和计算机系统，电子天平通过ＰＣＩ控制总线与计算机相连，作物视情灌溉系统由计算机自动控制。本发明专利技术依据作物受水胁迫发出的悲鸣信号和蒸腾变化信号实施智能的视情精确喷灌和滴灌，并根据作物不同生长时期所需土壤水分的不同，通过计算机软件设定和适当调整作物的供水效率和供水时间，保证了作物生长的土壤水分适当又达到了节水的目的，有效保障了作物能够在最佳的土壤水分条件下生长。

Visual irrigation system based on acoustic emission characteristics of crop water stress

The invention relates to an automatic irrigation system of crop water stress detection based on acoustic emission characteristics, the main technical characteristics of crop plants were placed in the electronic balance on the main diameter of the installation of an acoustic emission sensor, the acoustic emission sensor are connected to a signal conditioner, data acquisition card and PCI computer systems, electronic balance is controlled by PCI the bus is connected to the computer, the condition irrigation system of crop is automatically controlled by computer. The invention is based on crop water stress. Transpiration signal emitted by the signal and the implementation condition of precise intelligent sprinkler irrigation and drip irrigation, and according to different crop growth period for the different soil moisture, through the computer software settings and adjust the water supply efficiency of crops and water supply, ensure the proper soil moisture and crop growth reached the purpose of saving water, the effective protection of the crops can be grown in under optimal soil moisture conditions.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于农业生物
，尤其是一种基于作物水胁迫声发射特性 检测的视情灌溉系统。
技术介绍
近年来，农业工厂化技术发展很快，据90年代不完全统计，全世界温室 面积60万公顷。我国的设施农业发展很快。1996 — 99年设施蔬菜、花卉栽培 面积增加了近l倍。精准农业也呈现出诱人的发展前景。与此相适应，各种灌 溉技术也得到了快速发展。视情精准灌溉已成为节水的重要措施和提高节水 效率的重要途径之一。对作物水分状况进行准确、快速、可靠的评价是有效进行视情精准灌溉 的理论基础。作物吸水和散失水分的过程是作物本身不同的器官和它所在环 境的相互作用、反馈影响的结果，受土壤一一植物一一大气连续体(简称 SPAC)各个环节的综合作用。以往的水分评价指标大体可分为三种类型。一 类是以土壤为对象，这是传统上常采用的，属于间接指标；第二类以环境为 对象，通过环境条件的变化估计作物需水量，也属间接指标。第三类直接以 作物为对象，这类指标受到越来越多的关注。因为，人们逐渐认识到，归根 到底，作物本身应该是需否灌溉的最佳指示物，因为只有它们能把控制作物 水分平衡的土壤因子和大气因子整合起来。以土壤为对象时多采用土壤水势 或土壤相对含水量，其优点是比较稳定，受环境影响小。但其毕竟是反映作 物生长环境的间接指标，且反映比较迟钝、滞后，精度低。因为(1).作物、 品种及生长状况对土壤水分的反应有很大差异。(2).以土壤水分测定深度和 作物根系深度存在不确定性。(3).根系分布和土壤水分是不均匀的，使取样 的难度增大。(4).少量的降水或灌溉产生的局部灌水对整个根区水分亏缺的 判断带来困难。然而，近几年植物水分生理研究的最新进展让我们开始从一个前所未有 的视点重新审视植物本身，我们忽然发现，植物其实一直以自己的"语言"在 时刻向我们传达着缺水的信号，即所谓的"会说话的植物(The speaking plant)",只是这种声音以前被我们忽略了。植物的"语言"是指发生在植物水流通路上由于缺水而造成水流断裂时发出的爆裂声，或成为"尖叫 声"(screaming),即植物的"声发射"现象。声发射(AE)是指物体在形变或受外界作用时，因迅速释放(弹性)能 量而产生瞬态应力波的一种物理现象。依据内聚力理论，植物内的水是在张 力(负压)下输导的。土壤干燥时，张力增加到超过某些极限时，水分子间的 内聚力或对导管壁的附着力失效，水柱的连续体被破坏，发生断裂或抽空， 这就是植物木质部的空穴现象。出现空穴的同时，张力会突然释放而产生冲 击波，并伴有声发射信号的产生。声发射是表征植物水胁迫的指标之一。导 管中出现"空穴"后，开始只是充有稀薄的水蒸气，近似于真空状态，但很快， 空气就会从周围渗入，直至空穴中的压力接近大气压，导管中形成了"气栓 塞"，水流通路被阻断，水流被迫侧向绕行，输水的截面积减小，输水阻力显 著增加。Milburn和Johnson (1966)首次利用一个改进的听筒听取了水柱断裂时 产生的"卡塔"声，察觉到蓖麻的叶柄在加大水分胁迫下逐次产生空穴。1983 年，Tyree和Dixon对北美雪松(77mya occ/^wtofe L.)进行研究时，把声发射 的测试频率范围移到超声频段，这就避免了通常存在的低频噪声干扰，使声 发射法更简便可行。此项技术应用后，研究进展较快，大量的文献对这一极 具吸引力的植物生理响应进行了进一步研究。已有的研究结果表明，声发射指标极有可能作为一个特殊的植物响应来 用于自动灌溉系统的开发。但是，尽管声发射的产生是植物对水分状况较敏 感的响应，但在广泛地应用其进行灌溉计划之前，还应进一步研究植物在水 胁迫下声发射的机理，及发生、发展规律。如声发射信号与植物水分状况、 其它水分生理参数、土壤及大气水分胁迫、气象因素、作物生长发育阶段、 作物种类及品种等因子的关系研究必须从定性上升到定量，细化的多因子数 量模型必须建立，对声发射信号的分析与处理方法还有待改进等等.以此为基本思想，通过声发射传感器采集作物在水胁迫下发出的超声信 号，来探索作物水胁迫声学特性的发生、发展规律，并以此作为视情精准灌 溉的主要技术指标，适当结合考虑其它生理指标，如冠层蒸腾量等，进一步 研究作物在水胁迫下声发射的发生、发展规律。在以往研究基础上，进一步 对声发射信号与植物水分状况、其它水分生理参数、土壤及大气水分胁迫、 气象因素、作物生长发育阶段、作物种类及品种等因子的关系进行定量研究， 建立细化的多因子数量模型，发展作物水分关系理论，建立人与植物的对话， 为视情精准灌溉提供理论依据，进行微机自动化视情精准灌溉系统的软硬件 系统开发，提高作物优质、高产、高效生产水平。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种检测作物蒸腾量的变 化速率和声发射的变化关系从而得到作物水胁迫的程度，通过计算机智能控 制的基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统。实现本专利技术的技术方案是一种基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统，包括计算机系统 及灌溉装置，灌溉装置由贮水器、管路构成，其特征在于置于电子天平上 的作物植株主径上安装一声发射传感器，该声发射传感器通过PCI控制总线 依次连接信号放大器、PCI数据采集卡和计算机系统，PCI数据采集卡通过 PCI控制总线采用继电器控制贮水器连接作物植株管路上的电磁阀，该电子 天平通过PCI控制总线连接计算机，贮水器通过管路灌溉作物植株。 而且，所述的声发射传感器与作物植株之间置有硅酮胶。 而且，PCI数据采集卡采用继电器控制管路中的电磁阀的灌溉延时时间 可按下面的数学模型计算T — 3600x(W。-W,) _ 2xl06Q式中T——灌溉延时时间(s)，计算结果作四舍五入处理-, Wo——当日上次灌溉后的总重量(g)，如为本日第一次灌溉，Wo取零点 时刻的总重量；Wj——当前时刻总重量(g); Q——滴头流量(m3/h);W0、 W,由电子天平读数得到，而滴头流量由用户在灌溉控制设定面板上 输入。而且，所述的声发射传感器为R15型声发射传感器，所述的计算机为基 于LabWindows/CVI的计算机系统，电磁阀采用JD11SA-6型，继电器选用小 型中间继电器JRX-13F型。本专利技术的优点和积极效果是1.通过声发射传感器检测作物受水胁迫发出的超声信号，并转换成微弱 的电信号，然后通过信号放大器放大，输入给数据采集(DAQ)板，最后通 过计算机测控系统进行灌溉等处理。这种方式不会对植株造成伤害，测试精 度较高；本装置也利用了电子天平来检测植株叶面蒸腾而产生的缺水程度， 通过测茎液流速来计算蒸腾量从而反映植物的水分状况，与声发射传感器共 同保证植株水胁迫的检测精度。2.本专利技术依据作物受水胁迫发出的悲鸣(声发射)信号和蒸腾变化信 号实施智能的视情精确喷灌和滴灌，并根据作物不同生长时期所需土壤水分 的不同，通过计算机软件设定和适当调整作物的供水效率和供水时间，可实 现作物的蒸腾量和对作物的喷水量或滴灌量的平衡，确保了土壤的水分保持 在适合于作物生长的环境条件下，即保证了作物生长的土壤水分适当又达到 了节水的目的，又有效保障作物能够在最佳的土壤水分条件下生长。3. 本专利技术以软件为核心，硬件设备有所减少，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统，包括计算机系统及灌溉装置，灌溉装置由贮水器、管路构成，其特征在于：置于电子天平上的作物植株主径上安装一声发射传感器，该声发射传感器通过ＰＣＩ控制总线依次连接信号放大器、ＰＣＩ数据采集卡和计算机系统，ＰＣＩ数据采集卡通过ＰＣＩ控制总线采用继电器控制贮水器连接作物植株管路上的电磁阀，该电子天平通过ＰＣＩ控制总线连接计算机，贮水器通过管路灌溉作物植株。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世凤，郭亚萌，赵继民，南忠良，陈宁，李建良，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]