丁紅星，李敏通，郭交，韓文霆

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西　楊凌712100)

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君子蘭電信號與含水率的關(guān)系*

丁紅星，李敏通，郭交，韓文霆

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌712100)

以盆栽君子蘭為材料，采用生物機(jī)能采集系統(tǒng)和水分傳感器，測定君子蘭的電信號及其含水率，研究君子蘭的生理電信號與含水率之間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)含水率較低時(shí)，君子蘭的電信號平穩(wěn)，處于沉寂狀態(tài)；隨著含水率增加，君子蘭的電信號興奮度增強(qiáng)，處于活躍狀態(tài)；含水率為18.8%時(shí)，君子蘭的電信號興奮度最強(qiáng)，活躍狀態(tài)最明顯；含水率繼續(xù)增加，君子蘭的電信號興奮度減弱，繼而逐漸恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。本研究建立了植物電信號與含水率的可視性對話，以期為君子蘭生長的智能化灌溉提供參考。

君子蘭；植物電信號；含水率；時(shí)域分析；功率譜分析

隨著生物電子技術(shù)的發(fā)展，對植物生長狀態(tài)的判斷方式已經(jīng)從單一的、傳統(tǒng)的研究植物生理狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯恐参锏碾娢恍盘柵c環(huán)境因子的關(guān)系[1～2]。植物電信號是一種非平穩(wěn)的時(shí)變電信號，當(dāng)植物處于不同的生長時(shí)期，不同的時(shí)間和不同的生長環(huán)境時(shí)，植物的反應(yīng)靈敏度皆不一樣，產(chǎn)生的波形幅度也不相同，因此任一環(huán)境因素的變化如：光照、光強(qiáng)、溫度、濕度、氣壓等，都將改變植物電信號的波形[3～7]。干旱或者水分過于充裕都會(huì)使植株體液理化性質(zhì)發(fā)生改變，同時(shí)植物細(xì)胞內(nèi)部體液濃度也發(fā)生相對增大或減小的變化，植物電信號也必然隨之產(chǎn)生改變，因此探究植物電信號與含水率的關(guān)系，建立二者之間的可視性對話，對植物干旱診斷具有重要的指導(dǎo)意義[8～10]。

本文以君子蘭(ClivaminiataRegel)為材料，針對不同含水率狀況下的君子蘭微弱的電信號進(jìn)行跟蹤測定，并利用時(shí)域分析、功率譜分析的方法對獲取的電信號進(jìn)行分析，研究君子蘭電信號與含水率之間的變化規(guī)律，建立二者之間的可視性對話，為設(shè)施農(nóng)業(yè)的植物智能化管理提供參考。

1　材料與方法

1.1測試材料與儀器

選取盆栽君子蘭為信號采集對象，試驗(yàn)中信號采集器為BL-420F生物機(jī)能采集器，含水率測定儀器為MP-406水分傳感器和MPM-160水分測量儀。

1.2測試方法與步驟

測試方法在自然光照、常溫環(huán)境下對君子蘭的電信號進(jìn)行測取，測取時(shí)間為2014年3月10日至4月10日，每天上午10點(diǎn)至11點(diǎn)，下午3點(diǎn)至4點(diǎn)各測取一組數(shù)據(jù)，整理分析測取的數(shù)據(jù)，對不同測取時(shí)間相同含水率的數(shù)據(jù)求平均值；使用水分傳感器對君子蘭的培育水分實(shí)時(shí)精確測試，使用生物機(jī)能試驗(yàn)系統(tǒng)測取相應(yīng)水分下的君子蘭生理電信號。查閱資料得知，君子蘭在含水率為17%～28%范圍內(nèi)皆可自然生長[16]，研究中對君子蘭在含水率為16.9%～31.0%變化范圍內(nèi)設(shè)置梯度測試試驗(yàn)。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，應(yīng)將測試對象盆栽君子蘭、生物機(jī)能采集器、水分傳感器一同放置于自制噪聲屏蔽網(wǎng)中。試驗(yàn)裝置布置如圖1所示。

圖1　生物機(jī)能測試系統(tǒng)

試驗(yàn)步驟提前1h將水分測量儀插入植株培養(yǎng)深度為15cm的土層，將信號輸出刺激導(dǎo)線也提前插入植株內(nèi)，使植物適應(yīng)，避免由于電極刺入產(chǎn)生動(dòng)作電波，出現(xiàn)跳躍式波形圖；將生物信號采集設(shè)備通過USB與電腦相連接；打開電腦端控制軟件，設(shè)置采樣類型為細(xì)胞動(dòng)作電位細(xì)胞，采樣率為5Hz、低通濾波10Hz，增益200mv，接通信號采集器電源，點(diǎn)擊軟件端開始按鈕開始植物電信號。

1.3生理電信號分析方法

對采集到的植物信號進(jìn)行初步處理，以獲得真實(shí)的植物電信號。在其基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理分析，對君子蘭生理電信號與培育含水率之間的關(guān)系進(jìn)行探究。

1.3.1時(shí)域分析

采用時(shí)域分析法[14]，獲取信號的某些時(shí)域特征值如幅值，方差，均方值等可以通過時(shí)域分析得到。本研究利用Matlab軟件將采集到的數(shù)據(jù)，通過分析做出植物電信號隨時(shí)間變化的波形圖，并通過數(shù)據(jù)處理獲取信號幅值的最大值、最小值、峰峰值等特征值。通過這些植物電信號的統(tǒng)計(jì)參數(shù)闡明植物電信號的基本特征。

1.3.2功率譜分析

植物電信號是一種隨時(shí)間而變化的離散信號，其能量是無限的，在時(shí)域中的波形也是永遠(yuǎn)存在且變化的，因此采用通常的時(shí)域分析方法來描述電信號的特征時(shí)，采集到的信息不夠全面，而通過功率譜估計(jì)將植物電信號的時(shí)域分析進(jìn)一步變換為植物信號能量隨頻率變化的譜圖，該譜圖表征了信號的頻率特性，因此利用功率譜分析可以更直觀地分析植物電信號的頻譜分布狀態(tài)和它的波動(dòng)變化。通過研究得知，當(dāng)植物電信號處于一種特定生命狀態(tài)時(shí)，植物電信號在植物生長中具有特定的功率譜分布規(guī)律，而當(dāng)植物生命活動(dòng)受到外界脅迫或者外界干擾時(shí)，植物信號功率譜分布狀況也隨外界干擾發(fā)生改變。在本次試驗(yàn)中主要用自功率譜法[8]對君子蘭電信號進(jìn)行功率譜分析。

2　結(jié)果與分析

2.1君子蘭電信號時(shí)域特征分析

在含水率16.9%～31.0%范圍內(nèi)，測取了18組不同含水率狀況下的君子蘭電信號數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過時(shí)域處理得到君子蘭電信號隨時(shí)間變化的時(shí)域分析圖譜。當(dāng)含水率為16.9%時(shí)，君子蘭電信號無明顯的動(dòng)作電波，總體上信號電波趨于平穩(wěn)(圖2)；當(dāng)含水率為17.2%時(shí)，君子蘭電信號起伏波動(dòng)，幅值稍微增大，電壓幅值均小于0μv，主要在-20～0μv之間波動(dòng)(圖3)；當(dāng)含水率為18.8%時(shí)， 君子蘭電信號起伏波動(dòng)，有明顯動(dòng)作電波且集中，0～50s范圍、100～250s范圍出現(xiàn)明顯的動(dòng)作電波，且電壓幅值在-30～10μv之間波動(dòng)(圖4)；當(dāng)含水率為19.1%時(shí)，君子蘭電信號起伏波動(dòng)，波動(dòng)范圍較之含水率18.8%幅值變小，但具有明顯動(dòng)作電波(圖5)；含水率在29.1%時(shí)，君子蘭電信號波動(dòng)不大，與之前含水率電壓幅值相比較，幅值明顯減小(圖6)；含水率為31.0%時(shí)，君子蘭電信號與其他含水率狀況下的君子蘭電信號相比較，該含水率狀況下電信號波動(dòng)幾乎趨于平穩(wěn)，與含水率為16.9%時(shí)的波形圖相似(圖7)。

圖2　含水率16.9%君子蘭電信號時(shí)域圖Fig.2　Signal time & domain chart with 16.9% moisture content

圖3　含水率17.2%君子蘭電信號時(shí)域圖Fig.3　Signal time & domain chart with 17.2% moisture content

圖4含水率18.8%君子蘭電信號時(shí)域圖

Fig.4Signal time & domain chart with 18.8% moisture content

圖5含水率19.1%君子蘭電信號時(shí)域圖

Fig.5Signal time & domain chart with 19.1 % moisture content

圖6含水率29.1%君子蘭電信號時(shí)域圖

Fig.6Signal time & domain chart with 29.1% moisture content

圖7含水率31.0%君子蘭電信號時(shí)域圖

Fig.7Signal time & domain chart with 31.0% moisture content

動(dòng)作電波是植物生理活動(dòng)活躍的一種表征[11～12]，而本文從時(shí)域分析圖中分析發(fā)現(xiàn)，在含水率為16.9%時(shí)，君子蘭電信號波形平穩(wěn)，幾乎沒有動(dòng)作電波，因此在含水率為16.9%時(shí)植物生理活動(dòng)沉寂；在含水率為17.2%、18.8%、19.1%時(shí)，在時(shí)域圖中可以找到明顯的動(dòng)作電波，且隨著含水率增加，動(dòng)作電波次數(shù)增多，所以植物的興奮度增加，并且在含水率為18.8%時(shí)，君子蘭電信號興奮度最為強(qiáng)烈；含水率繼續(xù)增加，君子蘭電信號中的動(dòng)作電波也相應(yīng)減少，含水率為31.0%時(shí)君子蘭電信號幾乎沒有動(dòng)作電波，恢復(fù)沉寂狀態(tài)。因此從整個(gè)梯度的時(shí)域圖形分析，君子蘭電信號隨含水率增加，興奮度先增強(qiáng)，后減小，初步證明君子蘭電信號與含水率之間存在一定的關(guān)系，含水率的變化通過君子蘭電信號波形變化得到反映。

2.2君子蘭電信號特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

由表1可知，隨著含水率的增大，君子蘭電信號電壓的最大值總體上呈現(xiàn)先增大后減小的變化過程，在含水率為18.8%時(shí)，達(dá)到最大值17.55μv，隨著含水率增加，電信號電壓最大值減小；君子蘭電信號電壓均值在-7.941 6～6.368 5μv之間波動(dòng)，但在含水率低于17.2%和含水率高于28.8%時(shí)，其均值低于-7.5μv，并且在含水率為31%時(shí)，電壓均值低至-7.941 6μv；當(dāng)含水率發(fā)生變化時(shí)，君子蘭電信號最大值及均值也隨之發(fā)生變化。

2.3不同含水率條件下君子蘭電信號功率譜分析

隨著含水率的變化，君子蘭的電信號功率也隨之變化。當(dāng)含水率從16.9%開始增加時(shí)，君子蘭電信號波動(dòng)幅值開始增大，信號頻率范圍增大，波形明顯(圖8)，在含水率為18.8%時(shí)，波動(dòng)幅值增至900w/Hz，頻率范圍也由開始的0.4Hz增至0.8Hz，信號波形起伏明顯(圖10)；當(dāng)含水率大于18.8%時(shí)，君子蘭電信號波動(dòng)幅值開始減小，信號頻率范圍也減小，波形開始減弱，在含水率為

31.0%時(shí)，波動(dòng)幅值急劇減小至50w/Hz，信號頻率低于0.1Hz，波形幾乎消失(圖13)。

表1　不同含水率下君子蘭電信號統(tǒng)計(jì)參數(shù)

圖8含水率16.9%君子蘭電信號功率譜圖

Fig.8Power spectra of electrical signal with 16.9% moisture content

圖9含水率17.2%君子蘭電信號功率譜圖

Fig.9Power spectra of electrical signal with 17.2% moisture content

植物電信號功率譜是對植物電信號單位頻率功率能量的反映，單位頻率功率能量越大，則植物在該狀態(tài)下越活躍；反之，植物電信號則為沉寂。通過功率譜分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率為16.9%時(shí)，該狀態(tài)下的君子蘭電信號功率幅值低于50w/Hz，功率能量低，同時(shí)信號頻率范圍僅為0～0.2Hz(圖8)；含水率增加，君子蘭電信號功率能量增加，頻率范圍增加，含水率為17.2%時(shí)，功率能量較于16.9%明顯增大，達(dá)到200w/Hz，頻率范圍達(dá)到0～0.4Hz(圖9)；含水率為18.8%時(shí)，達(dá)到峰值，功率能量達(dá)到900w/Hz，頻率范圍增寬至0.8Hz(圖10)；含水率繼續(xù)增加，君子蘭電信號功率能量逐漸降低，頻率范圍開始回縮，含水率為24.5%時(shí)，功率能量幅值降低，范圍與含水率18.8%相比較，頻率在0.2～0.4Hz范圍內(nèi)，電信號功率能量急劇減弱；當(dāng)含水率為31.0%時(shí)，與18.8%相比較，該狀態(tài)幾乎沒有功率能量(圖13)。因此在功率譜分析中發(fā)現(xiàn)，電信號功率能量隨含水率增加而增加，在含水率為18.8%時(shí)，達(dá)到峰值，隨后，含水率增加，植物電信號功率能量減弱。

圖10含水率18.8%君子蘭電信號功率譜圖

Fig.10Power spectra of electrical signal with 18.8% moisture content

圖11含水率19.1%君子蘭電信號功率譜圖

Fig.11Power spectra of electrical signal with 19.1% moisture content

圖12含水率28.8%君子蘭電信號功率譜圖

Fig.12Power spectra of electrical signal with 28.8% moisture content

圖13含水率31.0%君子蘭電信號功率譜圖

Fig.13Power spectra of electrical signal with 31.0% moisture content

3　結(jié)論與討論

君子蘭電信號時(shí)域特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表明，君子蘭正常生長時(shí)的含水率大約為18.8%左右，含水率增加，君子蘭電信號的最大值和幅值迅速上升，在含水率為18.8%時(shí)，各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)達(dá)到最大值，含水率大于18.8%時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)基本恢復(fù)原狀。

君子蘭電信號功率譜密度圖分析表明，君子蘭電信號頻率集中在0.5Hz以內(nèi)，含水率增加，君子蘭電信號頻率范圍由0～0.2Hz變化為0～0.5Hz，電信號幅值迅速升高，在含水率為18.8%時(shí)，電信號頻率范圍最大，幅值最高，當(dāng)含水率大于18.8%時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)基本恢復(fù)原狀。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著含水率增加，植物電信號興奮度增強(qiáng)，處于活躍狀態(tài)；含水率為18.8%時(shí)，植物電信號興奮度最強(qiáng)，活躍狀態(tài)最明顯；含水率繼續(xù)增加，植物電信號興奮度減弱，繼而逐漸恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。

已有研究表明，君子蘭生理電信號是一種微弱信號，值在10～150μv之間，其生理電信號功率譜主要分布在小于5Hz這一頻段[14～15]。本研究中，分析發(fā)現(xiàn)君子蘭生理電信號其真實(shí)信號幅值在-30～20μv之間波動(dòng)，峰峰值變化區(qū)間為7～46μv，君子蘭電信號功率譜頻段分布于0～1Hz范圍內(nèi)。

不同時(shí)期的君子蘭對于水的敏感度皆不相同，因此在以后的試驗(yàn)中，應(yīng)該分別測取不同生長時(shí)期的君子蘭的電信號，從而建立更加全面的君子蘭電信號與土壤含水率的變化關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)君子蘭不同培育時(shí)期的水分需求的精準(zhǔn)調(diào)控。研究建立了植物電信號與含水率的可視性對話，以期為設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化灌溉提供參考。

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The Relationship between Electrical Signal and Moisture Content of Clivia miniata

DING Hong-xing，LI Min-tong，GUO Jiao，HAN Wen-ting

(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Northwest A&F University,Yangling Shanxi 712100,P.R.China)

With pottedCliviaminiataas materials，and by using biological function acquisition system and water sensor，the relationship between electronical signal and its moisture content was studied.The results showed that the electronical signal ofCliviaminiatawas in a smooth and quiet state when the moisture rate was low，while it became active when the moisture content gradually increased.The signal was the strongest when the moisture content was 18.8%，and it was in the most active state.After that，the signal was gradually decreased until back to its stable state.In this study，a visual dialogue of electrical signals and moisture content was established，and it could provide a reference for intelligent irrigation ofCliviaminiata.

Cliviaminiata;plant electrical signal;moisture content;time & domain analysis;power spectrum analysis

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.03.013

2015-11-03

西北農(nóng)林科技大學(xué)人才專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(Z111021302)。

丁紅星(1991-)，男，碩士研究生，主要從事信號檢測與分析研究。E-mail:726177827@qq.com

簡介：李敏通(1968-)，男，副教授，主要從事信號檢測與分析研究。E-mail:lmtyd@nwsuaf.edu.cn

S 682.1+3

A

1672-8246(2016)03-0075-06