摘要：应用精密测量方法对朝天椒（Capsicum annuum）叶片厚度进行监测，寻找其变化规律。提出接触式测量和非接触式测量两种测量方法，并应用接触式测量方法对朝天椒进行叶片厚度对应时间的监测，总结其一日内的水分变化规律。由于叶片厚度可以反映植物的水分含量，所以其变化规律可作为智能节水灌溉控制系统的一个直接反馈参数，从而结合空气、土壤的温湿度等间接参数建立灌溉制度，为实现农业精量灌溉打下基础。
关键词：精密测量；朝天椒（Capsicum annuum）；叶片厚度；精量灌溉
中图分类号：TH79；S641.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）21-4884-03
Study on the Variation of Chili Leaf in Precision Irrigation Systems
GAO Xiao-hong
（Mechanical & Electrical Engineering Department， Ningbo Dahongying University， Ningbo 315175， Zhejiang， China）
Abstract： The dimension of chili leaf thickness was monitored and its variation was found by industrial precision measurement.There are two types of measurement methods，namely，contact measurement and non-contact measurement. Applicating contact measurement method to monitor the chili leaf thickness corresponding time. The variation of leaf moisture was summarized in one day. Because leaf thickness could reflect plant water content， dimensional changes of the law could be looked on as a direct feedback control parameters in intelligent water-saving irrigation control system. Then combining with the other indirect parameters of temperature and humidity of air and soil to achieve precision irrigation.
Key words： precision measurement； Capsicum annuum； leaf thickness； water-saving irrigation
水资源短缺是我国目前亟待解决的问题，其中农业用水量占总用水量的73.4%。农业灌溉中有2/3的灌溉面积仍为粗放的灌溉方式，灌溉水的利用率仅有40%～45%，急需提升节水农业技术的高科技含量，建立适合国情的节水农业技术体系，加快由传统粗放型农业向现代化精准型农业转型。
目前，节水灌溉系统中多是以土壤、空气的温湿度作为反馈控制变量，但是在整体灌溉系统中植物是被控对象，使该控制系统不能构成真正的闭环控制系统。所以，针对当前植物节水灌溉非闭环控制问题，依据植物本身的几何参数（例如植物的叶片厚度）与其水分含量之间存在直接且精确的对应关系，提出对植物的形态进行非破坏性的高精度监测，从而实现闭环微灌溉智能控制系统。结合外界空气、土壤的温湿度等参数实现精量灌溉，实现最优化的节水灌溉，对丰富节水灌溉理论与技术、形成农业新产品具有重要意义[1，2]。实现闭环精量灌溉智能控制系统的关键问题就是植物叶片厚度的测量方法，选择叶片表面没有绒毛、较为平滑而且不是特别薄具有一定厚度的植物——朝天椒（Capsicum annuum）作为研究对象，提出接触式和非接触式两种测量方案，并应用接触式测量方案进行实际监测试验。
1 测量方案的设计
智能节水灌溉系统关键技术是植物叶片厚度的测量方法。首先要考虑测量精度能否实现，其次由于被测对象是生长的叶子，为较特殊的生物材料，所以要对其进行柔性测量。可考虑对叶片厚度分别进行接触式测量和非接触式测量[3，4]。
1.1 非接触式测量方案
在对植物叶片进行非接触式测量中，主要考虑用光学测量方法或图像处理方法来实现。在保证精度的前提下，可采用激光式双反射型非接触式叶片厚度测量仪。为实现精准测量，可用两只激光式发射型测头对植物叶片进行对射差动式测量，具体结构如图1。
其中，两只测头的位置距离固定不动，也就是A是固定值，测头1测量叶片厚度距其距离为x，测头2测量叶片厚度距其距离为y，那么，植物叶片厚度H=A-（x+y），从而可知被测植物的叶片厚度，而且不会对植物叶片的自然生长产生影响。
非接触式测量方案可不直接接触被测叶片，没有测量接触点，对叶片不产生测量力的作用，如若长期进行监测不会影响植物叶片的自然生长，但在实际工程中和实验室外干扰较大，不易实现精准测量。
1.2 接触式测量方案
接触测量的测量力有可能对植物组织和生长状态产生影响或破坏，所以要对植物叶片所能承受的测量力进行研究，在保证测量精度的同时，尽量减小测量力对植物正常生长的影响[5]。
由于电感测微仪具有分辨力较高、稳定性好、对工作环境要求不高、抗干扰能力强、结构简单可靠、输出阻抗小、示值误差小、输出功率大等优点，所以应用差动电感式传感器的测量原理对植物叶片厚度进行测量。电感传感器有很多种，为实现测量，经过多方面考虑，最终选用旁向式电感测头，为中原量仪厂生产的DGC-6PG/A型螺旋管型自感测头，测头部分就是一个差动螺管传感机构。应用该传感器并对其进行如图2所示的改造，在测头的下面制作了一个固定的可以升降的机械平台。 电感测微仪主要由数据采样、单片机控制和显示3部分组成。在对国外同类产品进行分析时发现，检测电路的各分立元件电路都可以用一块通用性较好的集成电路芯片取代。电感测微仪的原理如图3。这是可以多通道同时进行测量的电感测微仪，而且能够对测量数据进行定时存储与读取，其电路系统如图4。
接触式测量系统的软件根据需要分为A/D数据的采集、数据的统计采样处理、数据的存储、系统的显示功能、功能按键的处理、软件抗干扰设计这几部分。
2 接触式电感测微仪监测实例
用所研制的电感测微仪对朝天椒叶片厚度进行测量，每隔22 min或23 min采集一次数据，所获数据包括时间和植物叶片厚度。对获得的原始数据进行存储，建立数据库。对监测数据去除明显有误的数据后，进行分析处理，取平均值，获得一日内叶片厚度对应时间的变化规律曲线如图5。
从图5可知，一日内叶片厚度的变化趋势可分为3段，其中6∶30到17∶30时间段为峰值区，其拟合曲线如图6所示，标准方差为2.374，相关系数为0.997。
夜晚时间段，厚度变化非常平缓，00∶00到6∶30基本变化在1 μm左右，有下降趋势，17∶30到00∶00基本变化在2 μm左右，也呈下降趋势，所以可将叶片厚度看作是一个基本不变的量。综上所述，植物叶片厚度在一天之内的生长规律模型为：
y=a 00∶00-6∶301.276×10-8 x7-2.103×10-6 x6+1.343×10-4 x5-4.09×10-3 x4+0.058 07 x3-0.311 9 x2+0.801 3 x+195 6∶30-17∶30b 17∶30-00∶00
其中，a、b为常数；x为取样时间点，取值为1，2，3，…，40，5对应7∶50，10对应9∶10，15对应10∶30，20对应11∶50，25对应13∶10，30对应14∶30，35对应15∶50，40对应17∶10。
由于植物每天都会生长，所以即使同一测点每一天中的同一时间植物叶片厚度也不一样，也就是说前一天8∶00的叶片厚度与后一天8∶00的叶片厚度是不一样的。从已获得的数据来看，测量植物叶片厚度得到的植物生长规律与植物某些生理规律的变化趋势是一致的，例如试验中朝天椒叶片厚度的半天变化规律与张颖萍[6]研究的植物水分蒸腾速度的变化曲线较为相似。
3 小结
为进行精量灌溉，提出结合传统的以空气、土壤的温湿度为参数的灌溉系统，增加被测对象植物的叶片厚度作为反馈控制参数的新型智能节水灌溉系统。对植物叶片厚度的测量可用接触式测量和非接触式测量两种方法，研制出四通道微米级电感测微仪，可同时进行四路测量。
应用接触式电感测量仪对朝天椒叶片厚度进行长期监测，总结其一日内的叶片厚度变化规律，一日内叶片厚度最厚的时间是在中午，夜间变化较为平缓。对于非接触式测量可在今后的工作中继续进行研究，从而完善植物叶片厚度的测量方法，解决接触式测量方法进行长期监测时测点对叶片自然生长的影响。
参考文献：
[1] MARSAL J， ST？魻CKLE C O. Use of CropSyst as a decision support system for scheduling regulated deficit irrigation in a pear orchard[J]. Irrigation Science，2012，30（2）：139-147.
[2] 韩安太，何 勇，陈志强，等. 基于无线传感器网络的茶园分布式灌溉控制系统[J]. 农业机械学报，2011，42（9）：173-180.
[3] 龚道枝，雷志栋，郝卫平.基于果树需水信号的精量灌溉控制理论与技术[J].灌溉排水学报，2009，28（4）：6-9.
[4] 李东升，高晓红，张文卓，等.植物叶片厚度和果径精密测量传感器的设计[J].传感器技术，2004，23（12）：43-46.
[5] 张莲洁，李东升，白 帆.植物叶片弹性模量的测量[J].林业机械与木工设备，2004，32（5）：14-16.
[6] 张颖萍. 植物水势在线无创伤自动监测技术研究[D].杭州：浙江大学，2003.
收稿日期：2012-07-10
基金项目：浙江省教育厅科研项目（Y201018379）
作者简介：高晓红（1979-），女，黑龙江集贤人，讲师，硕士，主要从事精密检测及仪器仪表和农业灌溉制度的研究工作，（电话）13456163693
（电子信箱）hong34981@hotmail.com。