專利名稱：基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在自然界條件下，由于不同的地理位置和氣候條件以及人類活動(dòng)等多方面原因， 造成了對植物的種種不良環(huán)境，以至超出了植物正常生長、發(fā)育所能忍受的范圍，致使植物 受到傷害甚至死亡，這些對植物產(chǎn)生傷害的環(huán)境稱為逆境(stress)或脅迫。植物在生長過 程中常遭受多種環(huán)境脅迫，包括異常的溫度、缺少水分、不利的土壤化學(xué)和物理?xiàng)l件等。但 由于病害脅迫所引起的植物生長和作物產(chǎn)量的減少日趨嚴(yán)重，從而引起國內(nèi)外學(xué)者的普遍 關(guān)注。水與一切生命活動(dòng)緊密相關(guān)，植物的生命活動(dòng)只有在一定的細(xì)胞水分無病害狀態(tài) 下才能進(jìn)行。由病害脅迫和水分虧缺造成的作物產(chǎn)量的減少超過了所有其它脅迫的總和， 水資源狀況和作物病害防治水平已成為評價(jià)一個(gè)國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)發(fā)展的重要指 標(biāo)。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成為我國種植業(yè)的一大支柱產(chǎn)業(yè)。但由于精準(zhǔn) 農(nóng)業(yè)作物的病害脅迫逐年加重，常使投入產(chǎn)出不成比例，經(jīng)濟(jì)效益降低，已成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)持 續(xù)發(fā)展的一大障礙。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，我國每年發(fā)生的病蟲草害面積達(dá)2. 36億hm2次，每年因 此而損失糧食15%左右，棉花20% -25%，果品蔬菜25%以上。每年用于病蟲草害防治的 農(nóng)藥量約23萬噸，占世界總量的1/10。我國目前農(nóng)藥的年生產(chǎn)和進(jìn)口量已超過100萬噸， 盲目大量濫施農(nóng)藥，造成污染農(nóng)產(chǎn)品、污染土壤、污染水體的事情普遍存在；并且土壤中農(nóng) 藥殘留量驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前受農(nóng)藥污染的耕地面積已超過1300-1600萬hm2。所以， 發(fā)展視情精準(zhǔn)病害防治尤為重要。以往的病害脅迫評價(jià)指標(biāo)大體可分為三種類型，一類是以土壤為對象，這是傳統(tǒng) 上常采用的，屬于間接指標(biāo)；第二類以環(huán)境為對象，通過環(huán)境條件的變化估計(jì)作物的病害程 度、需水量，也屬間接指標(biāo)；第三類直接以作物為對象，這類指標(biāo)受到越來越多的關(guān)注，只有 它們才能把控制作物水分平衡的土壤因子和大氣因子整合起來。因此以作物本身為對象的 水分虧缺和病害判斷越來越受到眾多學(xué)者的推崇。為了尋求敏感的植物病害脅迫信息，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。人們從 不同方面入手，尋找評價(jià)植物是否缺水和出現(xiàn)病害的指標(biāo)，從而對植物水分和病害脅迫進(jìn) 行檢測。例如，從葉面蒸騰減少來判斷植株缺水程度(作物水分虧缺指數(shù)CWSI = 1-T/TP)； 通過測莖液流速來計(jì)算蒸騰量從而反映植物的水分狀況；又如，干旱造成的植株體液濃度 變化可導(dǎo)致植物體的導(dǎo)電率及其電阻變化，通過測量植株生理電阻的變化研討了植株的虧 水程度，但是采用這種方法需將電阻傳感插針刺入植株莖桿，這樣多少會(huì)對植物體造成傷 害并影響測試精度。隨著科學(xué)技術(shù)尤其是生物技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)了作物在遭受病害脅迫時(shí)會(huì)發(fā)出悲鳴，而利用聲發(fā)射技術(shù)(Acoustic Emission簡稱AE)可以檢測得到作物的受病害脅迫程度；換句話說，就是當(dāng)作物受到病害脅迫時(shí)，這種悲鳴的程度即作物受病害脅迫的 程度可通過聲發(fā)射傳感器檢測得到。因此，利用聲發(fā)射技術(shù)、研究作物病害脅迫規(guī)律并以此 作為視情防治灌溉的依據(jù)，建立最優(yōu)防治策略。植物由于缺水或病害脅迫而形成木質(zhì)部導(dǎo)管的氣栓塞，張力會(huì)突然釋放而產(chǎn)生沖 擊波，即植物的“聲發(fā)射”現(xiàn)象。已有研究表明植物病害情況與水分脅迫有密切的關(guān)系，在溫 室和生長實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的水分脅迫與接種秧苗病害程度的相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明與無水脅迫作用下 的秧苗相比較，水分脅迫作用下的秧苗針葉出現(xiàn)了輕微的萎黃病癥，一定水平的水脅迫可 加重紅松的枯梢疾病，降低紅松的水脅迫程度可減少枯梢病菌感染幼芽枯萎導(dǎo)致的損失， 接種的秧苗比無脅迫秧苗的針葉壞死部分更多，離接種點(diǎn)更遠(yuǎn)。有關(guān)資料也表明環(huán)境條件 會(huì)對木質(zhì)植物疾病的發(fā)生率和嚴(yán)重程度產(chǎn)生影響。對于許多樹種，水壓均與許多病原體的 疾病加重有關(guān)。當(dāng)然也有報(bào)道水壓可能對一些木質(zhì)植物疾病的發(fā)展產(chǎn)生不確定的或消極影 響。這些報(bào)道說明作物出現(xiàn)病害時(shí)，肯定也存在水分脅迫情況，當(dāng)水脅迫持續(xù)時(shí)會(huì)引 起作物病害。故木質(zhì)部氣穴現(xiàn)象(xylem cavitations)可作為一個(gè)特殊的植物響應(yīng)用于植 物病害脅迫狀態(tài)的監(jiān)測。由于農(nóng)田環(huán)境中通常存在低頻噪聲干擾，把聲發(fā)射的測試頻率范 圍移到超音頻段，使聲發(fā)射法更簡便可行。聲發(fā)射檢測的目的是盡早地發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射源和盡可能多地得到聲發(fā)射源的信息。目 前，常用的聲發(fā)射信號(hào)的處理方法有特征參量法和波形分析法。從理論上講，波形分析方法 能夠提供比參數(shù)分析更多的信息量，但是由于超聲波信號(hào)在植物木質(zhì)部中衰減速度快、波 形畸變嚴(yán)重，在到達(dá)傳感器之前在傳播介質(zhì)中發(fā)生了多次反射、折射，導(dǎo)致信號(hào)源的相位、 幅值、頻率在波形的恢復(fù)、重構(gòu)、分析產(chǎn)生極大的誤差，故在實(shí)際檢測系統(tǒng)中多采用參數(shù)分 析法。參數(shù)分析法是分析聲發(fā)射信號(hào)最普遍的方法，它是基于諧振式AE傳感器輸出信 號(hào)的參數(shù)來獲取有關(guān)AE源的信息。常用參數(shù)有振鈴數(shù)、能量、事件、上升時(shí)間、脈沖持續(xù)時(shí) 間和幅度分布等。這些參數(shù)從不同角度反映了聲發(fā)射事件的特征，可以確定聲發(fā)射源的強(qiáng) 度和活動(dòng)程度。以此為基本思想，通過聲發(fā)射傳感器采集作物在病害脅迫下發(fā)出的超聲信號(hào)，來 探索作物病害脅迫聲學(xué)特性的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，并以此作為視情精準(zhǔn)防治灌溉的主要技術(shù) 指標(biāo)，適當(dāng)結(jié)合考慮其它生理指標(biāo)，如冠層蒸騰量、溫度濕度等，進(jìn)一步對聲發(fā)射信號(hào)與植 物病害狀況、其它水分生理參數(shù)、土壤及氣象因素、作物生長發(fā)育階段、作物種類及品種等 因子的關(guān)系進(jìn)行定量研究，進(jìn)一步研究作物在病害脅迫下聲發(fā)射的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。為視情 精準(zhǔn)防治灌溉提供理論依據(jù)，進(jìn)行微機(jī)自動(dòng)化視情精準(zhǔn)防治灌溉系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)開發(fā)， 提高作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病 害視情防治模擬模型系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)智能控制來檢測作物病害脅迫聲發(fā)射的變化 規(guī)律從而得到作物病害脅迫的程度，并利用聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行初步的聲源識(shí)別和定位。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)，包括聲發(fā)射傳感器、電子天平、計(jì)算機(jī)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、繼電器、電磁閥及環(huán)境參數(shù)傳感器構(gòu)成，其特征在 于(1)作物植株置于電子天平上，電子天平通過RS-232接口連接計(jì)算機(jī)；(2)在作物植株主徑上安裝兩路聲發(fā)射傳感器，該聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射采集 卡將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)PCI接口輸入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對作物病害脅迫聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分 析，建立了聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，提出作物病害脅迫聲發(fā)射源為點(diǎn)聲源，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào) 在莖稈傳輸衰減過程利用兩路聲發(fā)射傳感器對聲源進(jìn)行識(shí)別和定位；(3)環(huán)境參數(shù)傳感器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接計(jì)算機(jī)，上位機(jī)對信息進(jìn)行處理，做出 控制策略，并通過控制貯水器的繼電器及電磁閥通過管路灌溉作物植株。而且，所述的聲發(fā)射傳感器與作物植株主徑之間置有利于聲發(fā)射信號(hào)傳導(dǎo)、提高 傳感器的靈敏度及檢測精度的硅膠。而且，所述聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為S(t) = A1eacos(2f π it+ θ ) Φ[l-u (t~tr) ] +A2e_ecos (2f π 2t+ θ )*[u(t-tr)]其中fl、f2為聲發(fā)射信號(hào)初始和反射的頻率，tr為上升時(shí)間，其余參數(shù)為根據(jù)實(shí) 測數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的待求參數(shù)。而且，所述的聲發(fā)射傳感器為R15型聲發(fā)射傳感器，選取兩路聲發(fā)射傳感器可以 對病害脅迫聲源進(jìn)行初步定位；所述的計(jì)算機(jī)為基于labWindows/CVT的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，電磁 閥采用JD11SA-6型，繼電器選用小型中間繼電器JRX-13F型。而且，所述環(huán)境參數(shù)傳感器包括溫度、濕度、光照和C02濃度傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是1、本系統(tǒng)裝置通過聲發(fā)射傳感器檢測作物受病害脅迫發(fā)出的超聲信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成 微弱的電信號(hào)，然后通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾噪和放大，輸入給聲發(fā)射采集板，經(jīng)PCI輸入 計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，結(jié)合其他檢測參數(shù)，做出病害防治控制策略；最后，利用無線傳感網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行藥物灌溉等處理。這種方式不會(huì)對植株造成傷害，測試精度較高。2、本系統(tǒng)裝置利用了電子天平來檢測植株葉面蒸騰而產(chǎn)生的缺水程度，通過測莖 液流速來計(jì)算蒸騰量從而反映植物的水分狀況及病害情況，與聲發(fā)射傳感器共同保證植株 病害脅迫的檢測精度。3、本系統(tǒng)發(fā)明依據(jù)作物受病害脅迫發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)和蒸騰變化信號(hào)、溫濕度信 號(hào)等實(shí)施智能的視情防治精確噴灌和滴灌，并根據(jù)作物不同生長時(shí)期所需土壤水分的不 同、病害程度不同，通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定和適當(dāng)調(diào)整作物的供藥水效率和供藥水時(shí)間，實(shí)現(xiàn) 作物的蒸騰量和對作物的噴藥量或滴灌量的平衡，在保證作物生長的土壤水分適當(dāng)?shù)耐瑫r(shí) 又實(shí)現(xiàn)了節(jié)水防治病害的目的。4、本系統(tǒng)發(fā)明依據(jù)健康植株和病害植株的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻分析，對病害脅迫聲源 進(jìn)行識(shí)別和定位，以利于精準(zhǔn)防治。5、本發(fā)明以軟件為核心，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)通訊、數(shù)據(jù)處 理、現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示與報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、圖形顯示與分析、控制計(jì)算與控制 輸出，以及完善的在線幫助、打印、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。具有良好的圖形化、交互式虛擬儀器面板，操作簡單，使用方便，測試集成度高，既大大增強(qiáng)了儀器功能又降低了成本。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接框圖；圖3為本發(fā)明健康植株的聲發(fā)射頻次圖；圖4為本發(fā)明9月1日到6日病害脅迫植株聲發(fā)射頻次圖。圖5為本發(fā)明單日聲發(fā)射頻次圖；圖6為本發(fā)明9月7日到12日病害脅迫植株聲發(fā)射頻次圖；圖7為本發(fā)明9月13日到18日病害脅迫植株聲發(fā)射頻次圖；圖8為本發(fā)明9月19日到25日病害脅迫植株聲發(fā)射頻次圖；圖9為本發(fā)明各參量日平均統(tǒng)計(jì)曲線；其中，圖9-1為聲發(fā)射信號(hào)日平均幅值、圖9-2為聲發(fā)射信號(hào)日平均反射頻率、圖 9-3為聲發(fā)射信號(hào)日平均初始頻率、圖9-4為聲發(fā)射信號(hào)日平均持續(xù)時(shí)間。圖10本發(fā)明聲發(fā)射信號(hào)模型及頻譜圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步詳述，但不限于本實(shí)施例所敘述的具體結(jié)構(gòu)。一種基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)，作物植株2通過盆 架3置于電子天平4上，該電子天平為具有數(shù)字量輸出的電子天平，可檢測作物的蒸騰及 其蒸騰速率T (Transpiration)，測量數(shù)據(jù)通過RS-232總線與計(jì)算機(jī)相連。在作物植株主 徑上安裝兩路聲發(fā)射傳感器1，該聲發(fā)射傳感器為美國PAC公司生產(chǎn)的R15型聲發(fā)射傳感 器，可測量作物受病害脅迫發(fā)出的超聲信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，然后通過信 號(hào)放大器放大、輸入給聲發(fā)射采集板，并通過計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)進(jìn)行處理。溫度、濕度、光照和 C02濃度等參數(shù)通過不同的環(huán)境參數(shù)傳感器采集后，送入微控制器，處理后經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò) 發(fā)送到監(jiān)控中心，在上位機(jī)進(jìn)行分析處理，并制定出病害防治最優(yōu)控制策略，由控制器發(fā)出 施藥和灌溉信號(hào)，采用繼電器控制貯水器連接作物植株管路上的電磁閥，該電磁閥通過接 收繼電器的信號(hào)實(shí)施作物植株的滴灌、噴灌等動(dòng)作。為了提高傳感器的靈敏度及檢測的精度，在聲發(fā)射傳感器與作物植株之間置有硅 膠(沒有標(biāo)號(hào))。本實(shí)施例中采用的計(jì)算機(jī)為基于labWindows/CVT的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，電磁閥采用 JD11SA-6型，線圈交流電壓為220V，動(dòng)作電流為1. 5A，驅(qū)動(dòng)電路中繼電器選用小型中間繼 電器JRX-13F型。實(shí)驗(yàn)時(shí)選用作物材料為兩顆生理狀況和植株大小都十分相近的溫室盆栽番茄，一顆健康而另一顆剛剛感染晚疫病，兩顆植株高度約為560mm，莖部直徑約為8mm，栽培基質(zhì) 為以土壤、灰分和腐殖質(zhì)按3 1 1配制。另外配鐵架臺(tái)兩個(gè)，便于固定傳感器探頭。為 防止盆內(nèi)土壤表面的水分蒸發(fā)，用塑料薄膜將花盆底與表面封嚴(yán)。對兩棵番茄植株進(jìn)行連 續(xù)的聲發(fā)射檢測。溫室采用玻璃棚頂，透光性能良好；濕度適宜。
在對病害脅迫產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的檢測方面，以一天24小時(shí)為一個(gè)周期，各參數(shù)均為24小時(shí)不間斷連續(xù)采集，觀察植株在不同的病害狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)的變化情況。采用R15型聲發(fā)射傳感器分別固定于兩棵番茄植株的莖部占整體高度的1/3至 2/3處，檢測聲發(fā)射信息，從而間接反應(yīng)植物病害脅迫狀況，以研究植物病害脅迫狀況時(shí)的 變化規(guī)律。R15型聲發(fā)射傳感器接收探頭為圓柱體，信號(hào)接收面為直徑18mm，在探頭與莖部 之間涂上硅酮脂，作為超聲波導(dǎo)聲劑以增強(qiáng)信號(hào)的傳輸并減少局部脫水。試驗(yàn)前以及試驗(yàn)中做好完備的試驗(yàn)記錄，包括試驗(yàn)時(shí)番茄的基本生長情況，測定 的莖直徑及探頭位置，植株加傳感器探頭后重量的變化，試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)間，試驗(yàn)過程中 由于異常情況(如斷電或環(huán)境噪音等)引起信號(hào)的變化等。將溫度、濕度、光照、C02濃度傳感器放置在與植株相同的水平位置上，并且避免陽 光直射傳感器，以免損傷元器件。電子天平放置在水平、平穩(wěn)的基座上，將電子天平與計(jì)算 機(jī)RS232串口相連，然后將整株盆栽番茄放到天平稱盤中，預(yù)熱30分鐘后開始檢測。為防止土壤表面的水分蒸發(fā)造成蒸騰量測量的誤差，用保鮮薄膜將花盆底與表面 封嚴(yán)，使得水分消耗只與番茄植株的蒸騰量有關(guān)。將聲發(fā)射探頭夾在莖部，固定夾子時(shí)要 注意力度，太松會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)傳導(dǎo)不暢，或者由于松動(dòng)產(chǎn)生大量噪聲信號(hào)；太緊則會(huì)損 傷植株莖部組織，同樣不利于聲發(fā)射信號(hào)的檢測。電子天平應(yīng)在探頭夾緊后開始采集記錄 數(shù)據(jù)，以防止探頭添加前后發(fā)生重量變化。確認(rèn)所有連接線連接完好，打開穩(wěn)壓電源和計(jì)算 機(jī)，運(yùn)行信號(hào)檢測程序，設(shè)置監(jiān)測參數(shù)，開始試驗(yàn)。通過對健康植株聲發(fā)射信號(hào)的連續(xù)檢測表明，健康植株每日的聲發(fā)射情況基本相 同，植株的聲發(fā)射現(xiàn)象按照一定的生理周期規(guī)律發(fā)生，其每日聲發(fā)射情況如圖3所示。由圖3健康植株的聲發(fā)射頻次圖可以看出，聲發(fā)射信號(hào)一般從上午7:00左右開 始，晚上20:00以后停止，在一日內(nèi)通常會(huì)出現(xiàn)兩次高峰值，稱為“雙峰區(qū)”。一般來說，隨著 作物蒸騰作用的增強(qiáng)，其聲發(fā)射頻次及信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)逐漸增強(qiáng)。作物在體內(nèi)水分充分恢復(fù) 的條件下，從晚上20 00到次日凌晨7 00，基本上不會(huì)再有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，作物處于生理 活動(dòng)的低潮(休眠)期。通過對病害脅迫的植株聲發(fā)射信號(hào)的連續(xù)檢測表明，染病的植株的聲發(fā)射現(xiàn)象并 不像健康植株那樣按照一定的生理周期規(guī)律發(fā)生，而是會(huì)發(fā)生畸變。由圖4可以看出，1日到6日，植株剛剛?cè)静〉某跗冢仓甑穆暟l(fā)射情況和健康植株 基本相同，植株的聲發(fā)射現(xiàn)象也是按照一定的生理周期規(guī)律發(fā)生，白天會(huì)出現(xiàn)“雙峰區(qū)”，晚 上聲發(fā)射基本停止。這時(shí)的葉片還沒有出現(xiàn)病態(tài)癥狀。但7日和8日，聲發(fā)射狀況發(fā)生了畸變，如圖5，晚上19點(diǎn)鐘左右，聲發(fā)射頻次突然 激增到正常頻次的幾倍。之后的9日到12日聲發(fā)射頻次恢復(fù)正常范圍，但頻次有所降低， 晚上聲發(fā)射也基本停止，如圖6所示。這時(shí)，葉片開始出現(xiàn)染病癥狀，有暗綠色圓形病斑出 現(xiàn)。由圖7可知，13日到18日，病態(tài)植株的聲發(fā)射頻次開始變得低于正常頻次，白天聲發(fā)射開始出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，夜晚也開始產(chǎn)生聲發(fā)射。這時(shí)植株葉片上的病斑進(jìn)一步擴(kuò)大，并逐 漸連成片。在圖8上可以看出，19日到25日，植株的聲發(fā)射變得非常零亂，毫無規(guī)律。25日到30日的聲發(fā)射情況也是一樣。這時(shí)，植株葉片已經(jīng)布滿病斑，植株已經(jīng)接近死亡。
為了進(jìn)一步分析植物病害脅迫下聲發(fā)射信號(hào)的特征，對聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了建模和頻域分析。應(yīng)用PCI-2數(shù)據(jù)采集卡、前置放大器和R15傳感器構(gòu)建了二通道聲發(fā)射信號(hào)采集 系統(tǒng)，對聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集，利用上位機(jī)軟件系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件并經(jīng)分析處理求得各次 測量信號(hào)的有關(guān)參數(shù)。由于植物在生長期內(nèi)不斷發(fā)展變化，各參數(shù)只能反映事件變化的隨 機(jī)性，為此在一定時(shí)期內(nèi)將每日測量信號(hào)各參數(shù)取平均值，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖9-1至9-4是 以番茄為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行的各次實(shí)驗(yàn)記錄的按日平均值。由圖9-1聲發(fā)射信號(hào)的平均幅值可知，番茄作物的病害脅迫聲發(fā)射信號(hào)平均幅值 主要集中在50 57dB之間，每日數(shù)值相差不大，基本上比較穩(wěn)定。而每次聲發(fā)射事件的實(shí) 際幅值也在40 90dB之內(nèi)。由圖9-2發(fā)射信號(hào)的反射頻率平均值可知，番茄作物的病害和水分脅迫聲發(fā)射信 號(hào)反射頻率的平均值主要集中在30 SOKHz之內(nèi)，實(shí)際每個(gè)聲發(fā)射事件的反射頻率為0 300KHz之間，而其中的大部分是在40 200KH之內(nèi)。由圖9-3聲發(fā)射信號(hào)的初始頻率平均值可知，番茄作物的病害和水分脅迫聲發(fā)射 信號(hào)初始頻率的平均值主要集中在200 600KHz之間，初始頻率的頻帶較寬。大部分是在 40 300KHz之間。并且每日初始頻率波動(dòng)幅度較大。由圖9-4聲發(fā)射信號(hào)的平均持續(xù)時(shí)間值可知，番茄作物的病害和水分脅迫聲發(fā)射 信號(hào)平均持續(xù)時(shí)間值主要集中在50 200ms之間，只有9月28日超過了這個(gè)數(shù)值，可能為 信號(hào)受到干擾所致。此外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，番茄作物的病害和水分脅迫聲發(fā)射信號(hào)平均計(jì)數(shù)值主要集 中在4 10次左右，實(shí)際觀測數(shù)據(jù)可知，一般情況下，每次聲發(fā)射事件會(huì)產(chǎn)生1 30次左 右的聲發(fā)射計(jì)數(shù)。上升時(shí)間平均值主要集中在0 20ms的時(shí)間范圍內(nèi)，常見的上升時(shí)間為 0 50ms范圍內(nèi)。說明聲發(fā)射事件的衰減過程相似，上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間很短。盡管在植物體內(nèi)傳播的聲發(fā)射信號(hào)由于導(dǎo)管纖維、木質(zhì)部、組織器官、水分等多種 成分的存在，而使信號(hào)發(fā)生畸變，傳感器所獲得的信號(hào)已非源信號(hào)，但根據(jù)多次測量結(jié)果和 分析處理，我們發(fā)現(xiàn)作物聲發(fā)射信號(hào)各統(tǒng)計(jì)均值比較平穩(wěn)，有一定的變化規(guī)律，可從中提取 特征參數(shù)并以此來構(gòu)建信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型由于實(shí)驗(yàn)所用R15型AE傳感器是諧振式、高靈敏度型的，測頻范圍為50_200KHz， 在150kHz附近.其靈敏度最大。因此它類似于一個(gè)窄帶濾波器，其輸出信號(hào)基本是一個(gè)窄 帶信號(hào)。由于聲發(fā)射信號(hào)在植物體內(nèi)傳播時(shí)衰減的速度很快，聲發(fā)射信號(hào)可近似地看成是 一個(gè)衰減的正弦波。數(shù)學(xué)模型可簡化為S(t) = A1eacos(2f π it+ θ ) *[l_u (t_tr) ]+A2e-0cos (2f π 2t+ θ )*[u(t_tr)]其中fl、f2為聲發(fā)射信號(hào)初始和反射的頻率，tr為上升時(shí)間，其余為待求參數(shù)。由 圖9可知，各參量統(tǒng)計(jì)均值在一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，故可將某一次測量結(jié)果均值帶入模型， 以此來分析聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻特征，取平均值也可降低噪聲的影響。應(yīng)用Excel，將采集所得各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中，并根據(jù)公式將參數(shù)在其所 有采樣點(diǎn)上取平均，得出計(jì)數(shù)次數(shù)count、上升時(shí)間tr、持續(xù)時(shí)間td、幅值A(chǔ)MP、閾值THR、 起始頻率Π、反射頻率f2等。
以第一個(gè)過閾值點(diǎn)作為聲發(fā)射信號(hào)時(shí)間起點(diǎn)，并利用上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間這幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的幅值即可確定各參數(shù)。通過將參數(shù)代入，聯(lián)立求解，可得出Α1、Α2、α，β。S(t)即構(gòu)造的聲發(fā)射源信號(hào)，對其進(jìn)行譜分析，可了解聲發(fā)射信號(hào)的頻率特征和 分布情況，其結(jié)果如圖10。通過對植物病害脅迫聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)分析，獲得了不同檢測時(shí)間聲發(fā)射信號(hào)各 參數(shù)如振鈴計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、反射頻率等的統(tǒng)計(jì)分布情況。針對此聲發(fā)射信號(hào)特點(diǎn)，提出了 聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，將實(shí)測數(shù)據(jù)處理后代入模型，進(jìn)行時(shí)頻分析，從中獲取超聲發(fā)射信 號(hào)。通過頻譜分析，揭示出聲發(fā)射源信號(hào)的特征和它的動(dòng)態(tài)特性。由于聲發(fā)射信號(hào)在木質(zhì)部傳輸過程中會(huì)發(fā)生衰減，高頻信號(hào)衰減快，低頻信號(hào)衰 減慢，故離聲源較近的檢測點(diǎn)高頻成分多一些，離聲源較遠(yuǎn)的檢測點(diǎn)低頻成分多一些，對 兩路聲發(fā)射信號(hào)分別進(jìn)行時(shí)頻分析，分析對比超聲發(fā)射信號(hào)頻率分布即可大致估計(jì)聲源位 置。對于作物尤其是番茄莖桿較細(xì)，只要知道聲源信號(hào)在莖桿的位置即可，故利用兩路聲發(fā) 射信號(hào)時(shí)差、頻譜分布、幅值大小，結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)在木質(zhì)部的傳輸速率，進(jìn)行對比和必要 的計(jì)算，即可確定聲源位置。再觀察結(jié)合作物外觀近早發(fā)現(xiàn)病害和缺水情況，為病害防治和 及時(shí)灌溉提供依據(jù)。對健康和病害植株同時(shí)檢測，將健康和不同病害狀況的植株的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí) 頻分析，獲得其頻譜分布，進(jìn)行對比分析，從而得知病害脅迫聲發(fā)射信號(hào)不同病害情況下的 的分布規(guī)律，為病害防治提供依據(jù)。同時(shí)由于不同位置檢測的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)弱不同，衰減程 度不同，致使頻率成分含量也會(huì)發(fā)生變化，利用這些特征可以更好的對聲源進(jìn)行識(shí)別和定 位。
權(quán)利要求
一種基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)，包括聲發(fā)射傳感器、電子天平、計(jì)算機(jī)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、繼電器、電磁閥及環(huán)境參數(shù)傳感器構(gòu)成，其特征在于(1)作物植株置于電子天平上，電子天平通過RS-232接口連接計(jì)算機(jī)；(2)在作物植株主徑上安裝兩路聲發(fā)射傳感器，該聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射采集卡將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)PCI接口輸入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對作物病害脅迫聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，提出作物病害脅迫聲發(fā)射源為點(diǎn)聲源，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)在莖稈傳輸衰減過程利用兩路聲發(fā)射傳感器對聲源進(jìn)行識(shí)別和定位；(3)環(huán)境參數(shù)傳感器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接計(jì)算機(jī)，上位機(jī)對信息進(jìn)行處理，做出控制策略，并通過控制貯水器的繼電器及電磁閥通過管路灌溉作物植株。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)，其 特征在于所述的聲發(fā)射傳感器與作物植株主徑之間置有利于聲發(fā)射信號(hào)傳導(dǎo)、提高傳感 器的靈敏度及檢測精度的硅膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)，其 特征在于所述聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為S(t) = Aietacos(2f π it+ θ )*[l-u(t-tr)]+A2et0cos(2f 3i2t+ θ )*[u(t_tr)]其中fl、f2為聲發(fā)射信號(hào)初始和反射的頻率，tr為上升時(shí)間，其余參數(shù)為根據(jù)實(shí)測數(shù) 據(jù)推導(dǎo)出的待求參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)，其 特征在于所述的聲發(fā)射傳感器為R15型聲發(fā)射傳感器，選取兩路聲發(fā)射傳感器可以對病 害脅迫聲源進(jìn)行初步定位；所述的計(jì)算機(jī)為基于labWindows/CVT的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，電磁閥采 用JD11SA-6型，繼電器選用小型中間繼電器JRX-13F型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)，其 特征在于所述環(huán)境參數(shù)傳感器包括溫度、濕度、光照和C02濃度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于作物聲發(fā)射機(jī)理的作物病害視情防治模擬模型系統(tǒng)，在作物植株主徑上安裝聲發(fā)射傳感器，該聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射采集卡將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)PCI接口輸入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對作物病害脅迫聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，提出作物病害脅迫聲發(fā)射源為點(diǎn)聲源，并進(jìn)行頻域分析，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)在莖稈傳輸衰減過程利用兩路聲發(fā)射傳感器對聲源進(jìn)行識(shí)別和定位；溫濕度、光照等傳感器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接計(jì)算機(jī)，并通過控制貯水器的繼電器及電磁閥通過管路灌溉作物植株。本發(fā)明提出了聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，通過時(shí)頻分析，給出了植物病害脅迫下聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻特征，應(yīng)用小波技術(shù)進(jìn)行超聲頻率信號(hào)提取。
文檔編號(hào)G01N29/14GK101846656SQ20101013771
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者李金山, 楊世鳳, 王秀清 申請人:天津科技大學(xué)