可控環境下寒地水稻電信號特性研究

0 引言

中國是世界人口大國,糧食在中國的人均需求量為332.07 kg,現階段農業產出可以滿足糧食的需求量,如果中國的糧食人均占有量達到386.60 kg,中國的糧食安全問題基本可以得到保障

。通過數據可以看出,糧食在一個國家占有重要的地位。在控制其他環境變量不變情況下對寒地水稻電信號進行研究。深入探究植物電信號在不同光照強度下的響應特性,進一步探索植物電信號中蘊藏的生理信息。該研究還能為寒地水稻生長調控提供反饋,減少不良環境下農作物的損失。

2021年南京農業大學施光耀等

以白皮松為研究對象,在人工氣候室控制試驗中探究不同光照強度下植物電信號的變化特征,其結果表明:在0～700 μmol·m

·s

光照范圍內白皮松的植物電信號強度隨光照強度的增強而顯著提高,當光照強度達到700 μmol·m

·s

時,植物電信號活躍度達到最高,隨后光照強度的增加使植物受到光抑制,植物電信號活躍程度下降。2019年西北農林科技大學周敏姑等

探究在不同水脅迫下植物的點位特征,對采集到的電信號進行預處理和分析,綜合分析植物電信號在時域、頻域和時頻域的特征,解譯植物電信號特點,實現植物電信號的特征分析和信號解譯。2016年王曉琳等

以燕子掌植物為研究對象,通過探究其時域峰峰值、均值、頻域功率譜的變化,以及表征其特征值譜重心頻率、譜邊緣頻率和功率譜熵。探究燕子掌植物最適光照強度。其結果表明燕子掌最適宜的光照度為24 000～29 500 lx,在此光照度范圍其光合作用較強。2016年西北農林科技大學丁紅星等

以盆栽君子蘭為材料,探究君子蘭植物電信號與含水率之間變化關系,其結果表明:當君子蘭含水率為18.8%時,其電信號活躍度達到最高,電生理活動狀態最活躍。2016年梁成

選擇玉米為研究對象,通過對比研究的方法,探究玉米原狀態下的電信號特征和在鹽脅迫狀態下電信號特征,該研究通過定量分析植物電信號頻譜分布和變化關系,提出了一種植物耐鹽性標準體系，為今后植物的耐鹽性評價提供了理論依據。以上研究極少數選用糧食作物作為對象。本研究以重要的農作物——寒地水稻為研究對象,通過對時域、頻域、時頻域的檢測。探究可控環境下水稻葉片電信號的特性,為保障糧食安全提供理論和實踐基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗儀器和材料

基于STM32F103搭建的信號采集系統、SD2160B光照強度傳感器(其工作電壓DC6～24 V,量程范圍0～65 535 lx)、濕度計、溫度計、HK_USB6203數據采集卡、AD620信號放大調理模塊、土壤水分傳感器、改制的直徑為1.7 cm的Ag/AgCl貼片電極。待測水稻品種編號為農豐143,研究的水稻為在實驗室生長的盆栽水稻,生長周期為抽穗期。實驗環境參數為:室內環境溫度為27.89～33.43 ℃、空氣濕度為51%～60%、土壤含水率為58.5%～60.5%,保證了試驗環境的相對穩定。

1.2 試驗方法

根據實際測量要求,連接采集系統的硬件電路,采集系統量程為(-5～5 V)、對輸入信號的采樣頻率設置為1 000 Hz、采樣點數設為1 000。將基襯撫平,使導電膠與長勢優良的寒地水稻葉片完全貼合,再貼上AgCl采集電極。設定靠近水稻根部的位置為負極，距水稻根部較遠的葉尖位置為正極。每對正負電極以中心點為標準,彼此相距約2.0 cm。通過光照傳感器的顯示,采集不同光照強度下水稻葉片上的電信號,同時記錄在一定范圍的環境因子變化。

2 植物電信號時域、頻域、時頻域分析

植物電信號是一種微弱信號,極易受到噪聲影響,需要先進行消噪處理,將采集到的信號先經過小波閾值消噪

,再使用Matlab軟件進行計算。

2.1 時域分析

時域的波形圖對信號的了解并不全面,它只能表示信號幅值的大小和電位波形的組成。要分析信號的頻率,需要觀察該信號的頻域圖,在頻域內解析該信號。研究采用現代功率譜估計——AR 模型功率譜估計(Auto Regression Model)的方法檢測信號的頻域。Auto Regression Model可以提取出植物電信號淹沒在噪聲中的特征信息,采用 pyulear 函數來完成功率譜估計,分析結果如圖2所示。

植物電信號通過時域特征值、頻域功率譜檢測是兩個彼此獨立的檢測,要更加全面地了解植物電信號的響應特性,需要打破時域、頻域之間的壁壘,將兩者聯系到一起。通過小波時頻分析方法,將輸入信號降噪處理后,使用Matlab軟件中包含的entfrq()、cwt()、cscal2frq()函數實現時頻域分析。該研究采用 db6小波基函數,小波變換時用的尺度序列長度設定為255。實驗結果如圖3所示。

腰椎間盤突出是臨床上一種較為常見的骨科疾病，該病主要因為突出部位壓迫或刺激人體的組織結構或神經，從而讓患者表現出腰背部疼痛、肢體麻木等癥狀，如果不得到及時有效的治療，甚至會因為壓迫患者神經引起患者行動能力喪失，嚴重影響到患者的生活質量[1]。磁共振成像與CT診斷是兩種診斷腰椎間盤突出的常用方式，本文主要探討二者在診斷腰椎間盤突出中顯現出來的應用價值。

2.2 頻域分析

探究隨光照強度變化植物電信號的變化關系。保持實驗環境相對穩定的情況,控制室內的溫度為27.89～29.10 ℃、空氣濕度為57%～60%、土壤含水量為58.5%～59.6%。在不同的光照強度下,采集5組水稻葉片上的電信號數據。在溫度31.41～33.43 ℃、空氣濕度51%～54%、土壤含水率60.2%～60.5%時采集了5組水稻葉片上的電信號數據。以采集到的10組數據為理論基礎，研究不同光照下植物電信號特性。由于隨著光照強度的增加溫度會隨之升高，故采集數據時選擇兩個溫度水平。將光照強度轉換為光照傳感器量程的百分比:0.01%(2～5 lx)、0.22%(120～130 lx)、1.30%(700～800 lx)、3.73%(2.3～2.4 klx)、6.26%(4.0～4.3 klx)、8.77%(5.6～5.9 klx)、24.42%(14～16 klx)、46.57%(28～31 klx)、61.80%(39～42 klx)、75.53%(49～50 klx)可以使記錄更加方便。光照強度與時域特征值的變化關系曲線如1圖所示。

2.3 時頻域分析

根據圖1(a)可知，在0.01%～3.73%的光照強度范圍內,隨光照強度的增加，信號的峰值在變?。辉?.26%～8.77%的光照強度范圍內,隨光照強度的增加，信號的峰值在變大,達到了5.87×10

V；在0.01%～3.73%的光照強度范圍內,隨光照強度的增加信號的峰值在變小,最后展現出平穩的波動趨勢，其中的數量級約為0.3×10

。由圖1(b)可知,在0.01%～3.73%光照范圍內信號的均值先是達到了最大的波峰；在3.73%～24.42%的光照范圍內，信號的均值達到了一個相較于先前小的波峰，最后也展現出平穩的波動趨勢。由圖1(c)可知，標準差與均值的時域圖相似，在0.01%～3.73%的光照范圍內信號的標準差先是達到了最大的波峰，然后下降到一個小波峰后逐漸下降趨于穩定。通過以上數據可以看出，植物電信號在3.73%～24.42%光照強度的范圍內電信號的波動幅度很大,此時信號能量是整個試驗過程最強的,植物體內的生理活動也較為活躍。產生該時域圖的原因可能是水稻對光照強度的增加做出短暫的抵制，隨后在光照強度繼續增加時，水稻回歸到正常的狀態。在此過程中方差的數量級為10

。除此之外，由圖1(d)可知，均方值在6.26%～8.77%的光照范圍內,因為均方值的物理意義是用信號平方后的均值表征信號的平均功率,此時信號的平均功率產生的波動較大,其余條件下信號的平均功率基本都維持在同一個水平。

不得不承認，為這六輛跑車找到一個足夠寬敞的停車場絕非易事。其中，負責任的安保更是必不可少。在伯爾尼大酒店，貼心的禮賓專門為這六輛跑車設置了只有在博物館才能看到的警戒線，并整夜守護在它們身旁。

通過Matlab軟件制作出小波時頻圖,即時間-頻率-小波系數圖。右側的柱狀圖表示幅值,顏色的變化表示幅值的大小,從3到1表示幅值從高到底,小波時頻圖可以看到不同時間和頻率下小波變換的系數絕對值,在不同的光照強度下,水稻葉片電信號的頻率成分集中在5 Hz以下,在1～3 Hz 范圍內的顏色較深,此時的頻率成分最多。

3 試驗結果與結論

“昨天是廖太太請客，這兩天她一個人獨贏，”易太太又告訴馬太太?！芭鲆娦±罡?，叫他們坐過來，小李說他們請的客還沒到。我說廖太太請客難得的，你們好意思不賞光？剛巧碰上小李大請客，來了一大桌子人。坐不下添椅子，還是擠不下，廖太太坐在我背后。我說還是我叫的條子漂亮！

該實驗將溫度、濕度、土壤含水率三種環境變量控制在一定范圍內,保證整個實驗過程中環境的穩定,通過改變光照強度,探究不同光照下植物電信號特性。通過實驗獲得10組數據對寒地水稻葉片上電信號進行小波時頻域、頻域功率譜、時域特征值的全面分析。得出如下結論:

1)隨光照強度的增加,植物電信號的幅值不會一直增加,在光照強度為5.6～5.9 klx時,寒地水稻葉片上的電信號時域特征最顯著,此時信號的電位為正,方差為本次試驗中的最大值2.150 8×10

,說明此時信號的幅度最大,電生理活動最活躍。

2)通過頻域功率譜得出植物電信號同樣具有低頻的特性。信號的功率譜大部分集中在4 Hz以下,譜峰值集中為50 db。

近些年來黑龍江玉米種植技術水平不斷提升，在種子選擇、田間配置管理以及病蟲害防治方面都有所成效，但同時玉米病蟲害的種類不斷增多，病害出現頻率也不斷增加。因此，深入研究玉米種植技術，提高種植水平，并做好玉米病蟲害的防治工作，提高玉米的產量，是當前農技人員研究的重要課題，這不僅能夠確保玉米種植的增產增收，而且對于黑龍江農業產業的可持續發展也具有重大現實意義。

3)小波時頻圖中顏色較深的成分大都集中在1～3 Hz的范圍內,符合植物電信號的低頻特性。

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