基于Labview的植物微信息獲取

吳云鵬 呂丹桔 秦明明 秦志一 張雁

摘要 為獲取植物體應(yīng)激反應(yīng)過程設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)方法。該方法以Labview虛擬儀器為平臺(tái)，利用紅光探頭獲取植物微信息，并以海芋為檢測(cè)對(duì)象，通過對(duì)其做破損實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)該植物的應(yīng)激微信息數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可有效檢測(cè)因外界刺激引起植物自身反應(yīng)的過程，能夠用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)情況。

關(guān)鍵詞 Labview；紅光探頭；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；植物微信息

中圖分類號(hào) S-058 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）11-362-05

Lambert-Beer定律（郎伯比爾定律）是說明物質(zhì)對(duì)單色光吸收的強(qiáng)弱與吸光物質(zhì)的濃度和物質(zhì)厚度間的關(guān)系的定律，是光吸收的基本定律[1]。郎伯比爾定律目前廣泛用于一些醫(yī)療設(shè)備上，如人們發(fā)明的一些測(cè)脈搏儀和測(cè)血氧飽和度儀器。測(cè)脈搏儀是利用紅外光照射手指，并將透射手指的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為容易測(cè)量的微電信息（電流），再依據(jù)郎伯比爾定律測(cè)量其微電信息的變化次數(shù)來(lái)確定脈搏次數(shù)。測(cè)血氧儀是根據(jù)郎伯比爾定律建立含電流值的數(shù)學(xué)模型公式，原理也是將透射的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為容易測(cè)量的物理量（電流），再利用模型公式計(jì)算血氧飽和度[2]。

當(dāng)一定頻率的紅光照射到被分析的有機(jī)物質(zhì)上，可以引起分子中價(jià)電子的躍遷，一部分光將被吸收。筆者利用透射式紅光探頭照射植物莖部為獲取植物體的應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)行了一些破損實(shí)驗(yàn)。使用紅光探頭照射植物莖部，紅光到達(dá)莖部后， 一部分被植物體內(nèi)有機(jī)物和其他少量礦物質(zhì)等物質(zhì)所吸收， 少量被反射后，剩下的透過葉片被光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電信號(hào)[3-4]。由于植物在不同因素下其體內(nèi)有機(jī)物、礦物質(zhì)等物質(zhì)活動(dòng)速率和含量會(huì)有變化，據(jù)此可以得到變化的微電子信息，然后通過放大電路進(jìn)行放大，最后由數(shù)據(jù)采集卡采集處理后傳給上位機(jī)Labview軟件進(jìn)行分析處理顯示。該研究設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)獲取植物的微信息。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以NI 的Labview虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)為核心， 實(shí)時(shí)采集并顯示測(cè)試結(jié)果（包括微信號(hào)波形、周期、頻率、峰峰值等）。系統(tǒng)由硬件電路、數(shù)據(jù)采集卡和Labview程序3部分組成。

植物體的微信息可以通過光電轉(zhuǎn)換獲取，但植物微信息是低頻微弱的生理信號(hào)。因此必需經(jīng)過放大和后級(jí)濾波以滿足采集的要求，模擬電路主要完成對(duì)這些信號(hào)的濾波、放大等工作[5]。

Labview平臺(tái)獲取模擬信號(hào)主要通過使用數(shù)據(jù)采集卡，基于Labview的虛擬儀器程序首先需要完成植物波信號(hào)的進(jìn)一步處理， 如濾波、計(jì)算、顯示等以改善信號(hào)的質(zhì)量。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)主要完成植物微信號(hào)的獲取、放大、濾波等調(diào)理工作， 還應(yīng)考慮與計(jì)算數(shù)據(jù)采集卡采集速率和上位機(jī)Labview程序匹配問題。植物微信息的獲取是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用上位機(jī)進(jìn)行測(cè)量和顯示的裝置。該設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置放大濾波。硬件系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)Labview應(yīng)用程序、電源等部分。即向光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)提供的電源，可以是5～9 V的交流或直流的穩(wěn)壓電源。

2.1 信號(hào)采集電路

此電路主要運(yùn)用光電傳感器即將非電量（紅光）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成，它可以將接收到的紅光按一定的線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量（電壓）輸出[6]。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路如圖2所示。

2.2 放大電路

此電路主要作用是信號(hào)處理即處理光電傳感器采集到的低頻信號(hào)的模擬電路（包括放大、濾波、整形等）。該研究運(yùn)用LM358放大電路，LM358內(nèi)部包括2個(gè)獨(dú)立、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)，放大電路如圖3所示。運(yùn)用U2將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由R7和R8的比值決定，根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)[5-8]，可得：

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

Labview軟件完成的主要功能包括：①正確配置數(shù)據(jù)采集卡的各個(gè)參數(shù)；②在前面板實(shí)時(shí)顯示植物體微信息波形；③對(duì)于噪聲進(jìn)行判斷濾除；④計(jì)算微信號(hào)峰峰值、頻率、幅值等；⑤前面板用戶交互（UI），包括參數(shù)輸入、時(shí)間顯示等。

該設(shè)計(jì)以Labview為軟件開發(fā)平臺(tái)，借助虛擬儀器處理數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：信號(hào)采集、信號(hào)處理和信息顯示。軟件設(shè)計(jì)為2個(gè)通道CH1和CH2，此次實(shí)驗(yàn)采用的通道CH1偶和值為直流。軟件系統(tǒng)流程圖如圖4所示，通過上位機(jī)Labview程序設(shè)定采樣率為200KSample/s，采樣長(zhǎng)度設(shè)置為500，此參數(shù)與觸發(fā)位置有關(guān)，代表了從觸發(fā)位置開始之后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，通道量程設(shè)置為20VPP。設(shè)置好觸發(fā)參數(shù)后啟動(dòng)采集，延遲0.5 s觸發(fā)一次，觸發(fā)后要查看采集標(biāo)志位并判斷采集是否完成，如果采集完成則讀取數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在硬盤里。程序設(shè)置為每次掃描讀取2 000個(gè)樣本，根據(jù)程序的掃描時(shí)間為500 ms執(zhí)行一次循環(huán)，1 s循環(huán)2次即1 s讀取2次，每次讀取2 000個(gè)樣本值，下一次掃描的樣本值會(huì)覆蓋原來(lái)的值。

3.2 基于nextkit數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)中使用的數(shù)據(jù)采集卡是泛華測(cè)控研發(fā)的nextkit數(shù)據(jù)采集卡，由Labview2012進(jìn)行編程和開發(fā)。該產(chǎn)品具有雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器功能和8種常用儀器功能，并提供軟件與二次開發(fā)DLL。本設(shè)計(jì)是采用二次開發(fā)DLL實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷改變采樣率等應(yīng)用易于實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)計(jì)的紅外光探頭采集信號(hào)，用上位機(jī)中的Labview軟件可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和處理。

3.3 Labview程序設(shè)計(jì)

植物微信息獲取系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用Labview程序編程，Labview程序又稱虛擬儀器，虛擬儀器由程序框圖和與程序框圖相對(duì)應(yīng)的前面板2部分組成。植物微信息獲取結(jié)果顯示的程序如圖5所示，程序框圖對(duì)應(yīng)的前面板如圖6所示[9]。

如圖6，程序功能為每次讀取并計(jì)算這2 000個(gè)樣本的平均值并存儲(chǔ)下來(lái)。左邊顯示屏（植物波形圖）表示每0.5 s讀取2 000個(gè)樣本值，并將2 000個(gè)樣本值全部顯示出來(lái)。右邊顯示屏（植物波形圖表）表示每0.5 s讀取2 000個(gè)樣本的算術(shù)平均值，每一個(gè)平均值代表的時(shí)間是0.5 s，圖中植物波形200代表時(shí)間為200×0.5=100 s。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為觀察一些有關(guān)植物體對(duì)外界刺激的應(yīng)激反應(yīng)，該研究通過對(duì)植物的葉子和莖部做破損實(shí)驗(yàn)得到大量數(shù)據(jù)，并分析處理得到植物波信號(hào)，如圖7所示，圖中每個(gè)點(diǎn)代表0.5 s。在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄下環(huán)境溫濕度及植物相關(guān)信息。實(shí)驗(yàn)時(shí)間是2014年10月4日，以下5組實(shí)驗(yàn)的環(huán)境和檢測(cè)因素如表1所示。

4.1 紅光受損檢測(cè)-半葉受損檢測(cè)

如圖7所示，圖中黑線橫坐標(biāo)為剪斷半葉的時(shí)間，明顯看到在黑線（剪斷半葉）以后光電轉(zhuǎn)化值先由一個(gè)平滑的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙隣顟B(tài)，在橫坐標(biāo)接近1 000（500 s）的位置轉(zhuǎn)為平滑，又在接近2 000（1 000 s）的位置曲線轉(zhuǎn)為上升狀態(tài)，在接近4 000（2 000 s）的位置曲線轉(zhuǎn)為平滑，植物的微信息趨于穩(wěn)定。從切斷點(diǎn)處往后可以看出波形有明顯的跳動(dòng)，這說明植物體內(nèi)的有機(jī)物活動(dòng)發(fā)生明顯變化，這就是植物受刺激后的應(yīng)激反應(yīng)，這些可以從植物波信號(hào)中反映出來(lái)。

4.2 紅光受損檢測(cè)-半葉受損后的全葉受損檢測(cè)

如圖8所示，實(shí)驗(yàn)4.2是在實(shí)驗(yàn)4.1的基礎(chǔ)上完成的實(shí)驗(yàn)（4.1、4.2、4.3在同一莖上完成的實(shí)驗(yàn)），圖中黑線橫坐標(biāo)為剪斷葉子的時(shí)刻。從圖8可以看出，剪斷前與剪斷后對(duì)比無(wú)明顯變化。

4.3 紅光檢測(cè)-半葉全葉受損后的莖受損檢測(cè)

如圖9所示，圖中黑線橫坐標(biāo)為剪斷葉子的時(shí)間，從圖中可看出剪斷前與剪斷后并明顯變化。

實(shí)驗(yàn)4.3是在實(shí)驗(yàn)4.1和4.2的基礎(chǔ)上完成的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)4.2和4.3中，從獲取的植物體內(nèi)微信息的變化看出，植物在受損后，光電轉(zhuǎn)化值無(wú)明顯變化，說明在相同莖葉植物體受損后，再對(duì)其莖葉進(jìn)行受損，從植物體的莖部獲取的微信息是無(wú)變化的，植物本身不再進(jìn)行自修復(fù)過程。

4.4 紅光授損檢測(cè)-全葉受損檢測(cè)

如圖10所示，圖中黑線橫坐標(biāo)為剪斷半葉的時(shí)刻，從圖中可以看出，在剪斷全葉后植物的光電轉(zhuǎn)換值由平滑狀態(tài)變?yōu)樯仙隣顟B(tài)，在橫坐標(biāo)接近6 000（3 000 s）的位置轉(zhuǎn)為平滑跳動(dòng)。與實(shí)驗(yàn)4.2和4.3相比較，實(shí)驗(yàn)4.4有明顯的變化。在切斷點(diǎn)的1 000的位置開始，明顯可看出波的跳動(dòng)很大。

4.5 紅光檢測(cè)-全葉加莖受損檢測(cè)

如圖11所示，圖中黑線橫坐標(biāo)為剪斷莖部的時(shí)刻，從圖中可以看出在剪斷莖部后光電轉(zhuǎn)化值由平滑狀態(tài)變?yōu)樯仙隣顟B(tài)，在橫坐標(biāo)接近4 000（2 000 s）的位置，曲線漸漸變?yōu)槠椒€(wěn)。

實(shí)驗(yàn)4.4和4.5都是獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)即在不同莖上做的實(shí)驗(yàn)。與實(shí)驗(yàn)4.2和4.3相比較，實(shí)驗(yàn)4.4和4.5是有明顯變化的。在實(shí)驗(yàn)4.1、4.4和4.5中，從獲取的植物體內(nèi)微信息的變化看出，植物在受損后，在莖部獲取微信號(hào)，光電轉(zhuǎn)化值會(huì)有明顯變化，在經(jīng)過一段時(shí)間修復(fù)后，光電轉(zhuǎn)化值又趨于平穩(wěn)，說明了植物體內(nèi)有機(jī)物等的變化，植物自修復(fù)有一個(gè)時(shí)間限制，經(jīng)過時(shí)間限制后，自修復(fù)停止。在實(shí)驗(yàn)4.1、4.4和4.5中，在切斷點(diǎn)處可以看出波形有明顯的跳動(dòng)，它反應(yīng)了植物體內(nèi)有機(jī)物、礦物質(zhì)等的活動(dòng)速率，說明植物體內(nèi)的一些物質(zhì)的活動(dòng)明顯加快，這就是植物體受刺激后，其波信號(hào)發(fā)生的變化。植物微信息的獲取將植物對(duì)應(yīng)激所做出的反應(yīng)體現(xiàn)在植物波信號(hào)的變化上。

5 結(jié)語(yǔ)

植物波信號(hào)為常見的生物信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡得到的波形能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)情況和環(huán)境變化。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從植物體內(nèi)獲取波信號(hào)并進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)顯示和初步分析的功能。從硬件電路到Labview虛擬儀器，整體上最終均能夠采集、存儲(chǔ)、顯示和處理植物波信號(hào)。這種虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。同時(shí)，該系統(tǒng)在利用紅光探頭和數(shù)據(jù)采集卡獲取植物微信息上進(jìn)行了大量實(shí)踐，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物應(yīng)激反應(yīng)，并為獲取植物生長(zhǎng)情況和環(huán)境變化積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)的構(gòu)建具有可行性，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)情況和環(huán)境變化。

參考文獻(xiàn)

[1]

蘇海霞，張朝暉，趙小燕，等.太赫茲譜定量測(cè)試中朗伯比爾定律表征形式分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2013（12）：3180-3186.

[2] 何史林，陳廣飛，李琪，等.基于LabVIEW的脈搏血氧飽和度測(cè)量與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備， 2009（11）：16-18.

[3] 李慶波，黃彥文，張廣軍，等.基于可見-近紅外光譜的植物葉綠素含量無(wú)損檢測(cè)方法研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009（12）：3275-3278.

[4] 馮偉，郭天財(cái)，謝迎新，等.作物光譜分析技術(shù)及其在生長(zhǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009（23）：182-188.

[5] 趙麗華，張永壽，張文蘭.基于單片機(jī)的脈搏信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2014（4）：35-38.

[6] JERALD GRAEME.光電二極管及其放大電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2012：72-80.

[7] 邱光源，羅先覺.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006：115-120.

[8] 陽(yáng)全.基于LM358 芯片的PWM濾波數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013（2）：145-146.

[9] 楊樂平，李海濤，肖相生，等.Labview程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001：180-188.