水培環(huán)境下的作物養(yǎng)分吸收多參數(shù)檢測系統(tǒng)研究

馮小鼎， 王成， 金曉彤， 董宏圖， 羅斌， 王曉冬*

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

我國是農(nóng)業(yè)大國，改革開放40 年以來，農(nóng)業(yè)發(fā)展已經(jīng)邁入了新時代——農(nóng)業(yè)4.0 時代。其在種植作業(yè)上更加注重綠色環(huán)保、節(jié)水節(jié)肥和高效產(chǎn)能[1]，而傳統(tǒng)土壤種植模式存在著農(nóng)藥殘留、重金屬污染以及病蟲害等問題。水培（hydroponics）是新型的植物無土栽培方式，以水為介質(zhì)施加其生長所需的營養(yǎng)（營養(yǎng)液）作為植物養(yǎng)分吸收環(huán)境[2]，具有清潔無污染、易于管理和節(jié)約土地資源等優(yōu)點[3]。營養(yǎng)液中的無機(jī)養(yǎng)分離子是農(nóng)作物植株生長發(fā)育的重要組成成分，參與酶促反應(yīng)、能量代謝以及生理調(diào)節(jié)。植株根系對離子的吸收、轉(zhuǎn)運等過程在維持植物正常生長發(fā)育上起至關(guān)重要的作用。研究表明，絕大多數(shù)植物對離子的吸收基本符合動力學(xué)方程，該原理可以用來研究農(nóng)作物的離子吸收和轉(zhuǎn)運機(jī)制[4]。根系養(yǎng)分離子吸收動力學(xué)是從20世紀(jì)50年代初開創(chuàng)并發(fā)展的，其用米氏（Miehaelis-Menten）學(xué)說及其方程解釋植物根系對養(yǎng)分離子吸收特性和規(guī)律[5]。利用植物離子吸收動力學(xué)特征參數(shù)能夠為鑒定和篩選養(yǎng)分吸收高效的基因型及制定品種選育、施肥等栽培等措施提供可靠依據(jù)，為闡明養(yǎng)分吸收特性的早期指標(biāo)提供動力學(xué)基礎(chǔ)[6]。因此，植物營養(yǎng)學(xué)研究人員利用動力學(xué)參數(shù)來評價作物對某種養(yǎng)分的利用效率和適應(yīng)水平[7]。常規(guī)動力學(xué)特征參數(shù)的獲取需要耗費大量的人工，首先人工定時對營養(yǎng)液取樣，進(jìn)而通過光譜法或色譜法測定溶液中離子含量，再根據(jù)離子耗竭法求得，在這個過程中還需剪去根部，稱取根系鮮重或測量根系面積[8]。康亮等[9]采用光譜法進(jìn)行離子含量檢測，利用WinRHIZO 根系分析軟件獲取根構(gòu)型和表面積，進(jìn)而比較不同木薯品種的氮吸收動力學(xué)特征。動力學(xué)特征參數(shù)獲取的過程繁瑣、效率較低，且無法保證樣本的完整性。

針對以上問題，本文融合生物傳感、圖像處理、信號采集與控制等技術(shù)，設(shè)計一款結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且能夠自動獲取農(nóng)作物水培條件下離子吸收動力學(xué)特征參數(shù)的檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以水培條件下的植物為研究對象，采用靈敏度高、易便攜的離子選擇電極并結(jié)合圖像傳感器，獲取水培液中的離子含量和根系表面積；利用最小二乘擬合在線辨識離子耗竭模型系數(shù)，再基于Miehaelis-Menten 模型和Hofstee 法反演出離子吸收動力學(xué)特征參數(shù)和離子流速；旨在為作物品種的鑒定篩選及植物工廠中營養(yǎng)液管理提供自動化的檢測手段，有效提高農(nóng)業(yè)科研效率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為向日葵幼苗、離子標(biāo)定液和Hoagland水培營養(yǎng)液。

儀器設(shè)備包括課題組制備的離子選擇微電極（傳感器）、可見光成像裝置、信號調(diào)理與采集模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、智能平板主機(jī)以及恒溫培育箱。

1.2 植物離子吸收特征參數(shù)檢測

植物養(yǎng)分吸收動力學(xué)依據(jù)改進(jìn)的Michaelis-Menten方程進(jìn)行分析，公式如下。

式中，In是離子吸收流速，mmol·m-2·s-1；Imax為最大吸收速率，mmol·m-2·s-1；C為外界養(yǎng)分吸收濃度，mmol·mL-1；Cmin為平衡濃度，mmol·mL-1；Km為米氏常數(shù)。

參照蔣廷惠等[10]方法，以T為采樣間隔，Y為吸收液離子含量，對當(dāng)前時刻的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合離子耗竭模型（通常為一元二次形式表現(xiàn)）系數(shù)，再根據(jù)式（3）~（5）（Hofstee 法）轉(zhuǎn)換為動力學(xué)特征多參數(shù)[11]，最后通過Michaelis-Menten方程（1）反演離子吸收流速。

式中，a為二次項系數(shù)；b為一次項系數(shù)；c為常數(shù)項系數(shù)；V為水培營養(yǎng)液容量（mL）；FRE為植物根系表面積（cm2）。

1.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.3.1系統(tǒng)設(shè)計 植物養(yǎng)分吸收多參數(shù)檢測系統(tǒng)如圖1 所示，首先根據(jù)電極傳感器獲得的離子電信號，經(jīng)多路復(fù)用器與接口調(diào)理電路后，傳入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analogue to digital converter，ADC）。選用意法半導(dǎo)體公司的微控制器STM32F407 驅(qū)動ADC 采集并讀取數(shù)據(jù)，通過串口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至上位機(jī)。表面積采用CMOS 型圖像傳感器拍攝植株在水培箱中的根系結(jié)構(gòu)并通過USB 2.0 直接傳輸至PC 端，由上位機(jī)軟件系統(tǒng)完成離子濃度校準(zhǔn)與轉(zhuǎn)換、根系表面積參數(shù)獲取以及植物離子吸收動力學(xué)特征參數(shù)反演等。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計Fig. 1 Design of the system

1.3.2信號校正與采集模塊設(shè)計 測量時將電極和參比電極同時置于溶液中，如圖2 所示。在雙電極體系下組成的原電池電勢E與待測溶液中離子含量需符合能斯特（Nernst）方程。該方程描述了其輸出膜電勢與離子濃度的對數(shù)成線性相關(guān)性，通過歸一化標(biāo)定[12]即可形成該電極濃度轉(zhuǎn)換的線性模型。在室溫環(huán)境下，分別通過K+、NO-3、Ca2+、Cl-的能斯特斜率轉(zhuǎn)換率來檢驗系統(tǒng)在近似于理論條件下校正后的模型參數(shù)是否在合理的范圍之內(nèi)。試驗中分別采用3種梯度水平相差10倍單一離子的標(biāo)定溶液（C1、C2、C3），測試時把電極放到已知濃度溶液中，記錄穩(wěn)定時刻的電位值，分別經(jīng)兩點或三點歸一化完成離子電勢-濃度的線性化模型校正，測定到的離子溶液的電勢值和能斯特線性校正方程的斜率和截距。

圖2 雙電極體系電勢測量Fig. 2 Two-electrode system potential measurement

根據(jù)離子電極具有高阻抗和低頻響應(yīng)等特性，設(shè)計具有精密緩沖的傳感器調(diào)理電路。以阻抗性、精密性以及模擬差分輸入為依據(jù)，采用ADI公司的低噪儀表放大器AD8220，片內(nèi)三運放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可對高內(nèi)阻的電化學(xué)傳感器進(jìn)行阻抗變換，降低源端阻抗來獲得完整信號源。其10 pA的偏置漏電流對于106~108數(shù)量級的電極而言，直流失調(diào)誤差僅在0.01~1 mV 范圍內(nèi)，同時其差分輸入方式可抑制高共模信號。為適配后端單電源供電的ADC 輸入范圍，需搬移電平至正極性并擴(kuò)大信號動態(tài)范圍，通過跨導(dǎo)電阻RG 設(shè)置增益2并提供參考電位2.5 V，使得（±1）V 的差分電極電位信號抬升至0.5~4.5 V。同時，調(diào)理電路的信號鏈中增加低通濾波，抑制高頻干擾，根據(jù)巴斯沃特濾波器通頻帶平坦無紋波的特性設(shè)計，采用Sallen-Key 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的單位增益二階有源濾波器，設(shè)計-3 dB 的截至頻率50 Hz，品質(zhì)因子Q為0.707，電路如圖3所示。

圖3 電極信號調(diào)理電路Fig. 3 Electrode signal conditioning circuit

為減少測量誤差需盡可能保證其達(dá)到0.1 mV 以上的采集精度，選用ADI 的一款超低噪聲24 位∑-?型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7192，其最小分辨率0.3 μV。片內(nèi)集成多路復(fù)用、輸入緩沖及sinc4+sinc3 濾波器，可以獲得高精密測量系統(tǒng)的完整模擬前端。外接4.912 0 MHz 基準(zhǔn)時鐘源及基準(zhǔn)電壓源為AD7192 提供時鐘頻率和基準(zhǔn)電壓，如圖4 所示。采用的基準(zhǔn)源初始精度為0.05%，溫漂系數(shù)為3 ppm·℃-1。在單極性模式下，使用單端偽差分輸入，可編程增益PGA 設(shè)為1，其輸入范圍0~5 V。選擇 sinc4 濾波器并使能斬波器和60 Hz Rejection，其數(shù)據(jù)輸出速率為12.5 sps，初次建立時間為160 ms。

圖4 AD7192模數(shù)轉(zhuǎn)換電路Fig. 4 AD7192 analog-to-digital conversion circuit

1.3.3電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計 采用24 V容量的鋰電池組進(jìn)行供電，設(shè)計防反接電路，并通過電源轉(zhuǎn)換模塊滿足不同電壓等級下的元件用電需求以及基準(zhǔn)電壓。該電源轉(zhuǎn)換電路通過2個DC/DC 電源轉(zhuǎn)換芯片、1 個串聯(lián)型基準(zhǔn)電壓芯片及E192（0.1%）系列的精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)24 V 轉(zhuǎn)(±7)、5 及2.5 V，如圖5 所示。其中24 V 電源可直接提供給工控平板電腦，再通過主機(jī)的USB 接口給圖像傳感器供電。（±7） V是提供給信號調(diào)理模塊，增加離子電極電勢信號輸出擺幅的裕量；5 V提供濾波電路、AD7192模數(shù)轉(zhuǎn)換和基準(zhǔn)電壓以及STM32的核心板；2.5 V提供給AD8220的參考電平。

圖5 電源轉(zhuǎn)換電路Fig. 5 Power conversion circuit

1.3.4根系成像裝置設(shè)計 為解決根系在水中姿態(tài)的浮動和交錯遮擋問題，定制了亞克力（polymethyl methacrylate，PMMA）材質(zhì)的水培分離箱，設(shè)計了以插槽方式固定的黑色背景隔板，使根系在限定范圍內(nèi)吸附貼合在背景板上，如圖6 所示。光源利用背光板從水培箱底部提供，鏡頭上安裝偏振片，設(shè)置偏振角度，消除亞克力板非金屬的鏡面散光和眩光的干擾，改善根系映像畫質(zhì)。

圖6 根系成像裝置Fig. 6 Root imaging device

1.3.5軟件系統(tǒng)設(shè)計 下位機(jī)軟件在STM32F407微處理器上，以硬件抽象層HAL 庫為基礎(chǔ)開發(fā)，主要實現(xiàn)AD7192 的數(shù)據(jù)采集與信號處理。系統(tǒng)在上電復(fù)位后先完成STM32的GPIO、外設(shè)以及各個模塊初始化工作。而對于AD7192 器件的驅(qū)動主要是通過SPI 數(shù)字接口操作AD7192 片內(nèi)的模式寄存器與配置寄存器，并在Keil 軟件的Debug模式下完成系統(tǒng)校準(zhǔn)與調(diào)零。當(dāng)上位機(jī)通過串口發(fā)送連續(xù)轉(zhuǎn)換信號后，STM32 讀取100 個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動平均濾波，同樣以相同的波特率上傳至上位機(jī)。

基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境完成上位機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計，可在Windows 操作系統(tǒng)的工業(yè)平板電腦上運行。首先，主機(jī)將采集到的離子電極電勢通過校正后的能斯特方程線性計量模型轉(zhuǎn)換為離子濃度；然后對根系圖像通過節(jié)1.3.5 的處理流程獲取根系表面積參數(shù)；最后將吸收液中離子濃度按照設(shè)置的取樣時間間隔擬合離子耗竭模型曲線，根據(jù)模型系數(shù)、表面積參數(shù)和設(shè)置的溶液體積，通過1.2 節(jié)提到Michaelis-Menten 方程及Hofstee 法反演出離子吸收動力學(xué)特征多參數(shù)和離子流速[15]。

1.4 根系表面積測量

圖像傳感器為大恒水星系列MER-500-7UM/C 相機(jī)，通過USB2.0 接口與工業(yè)平板電腦連接。采用LabVIEW 中的圖像處理與視覺庫IMAQdx開發(fā)測量系統(tǒng)[13]，其流程主要包括圖像預(yù)處理、成像系統(tǒng)校準(zhǔn)、表面積參數(shù)獲取3部分，如圖7所示。

圖7 根系圖像處理與表面積測量流程Fig. 7 Flow of root image processing and surface area measurement

1.4.1圖像預(yù)處理 采集后的圖像不僅包含根系結(jié)構(gòu)特征，還包含多余的植株苗和莖稈區(qū)域。為減少根系起點識別算法的復(fù)雜度，利用ROI（region of interest）工具劃定根系的有效區(qū)域。同時把ROI區(qū)域描述參數(shù)通過移位寄存器傳遞到系統(tǒng)圖像校準(zhǔn)中。經(jīng)過剪裁后的根系圖像含有全局噪點，在圖像降噪的同時盡可能地保持根系的細(xì)節(jié)形態(tài)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此采用導(dǎo)向濾波技術(shù)[14]。上述圖像經(jīng)過去噪后，再對圖像反轉(zhuǎn)，并使用RGB 查找法函數(shù)改變圖像對比度和伽馬值，突出根系區(qū)域。

1.4.2成像系統(tǒng)校準(zhǔn) 首先，采用校準(zhǔn)點陣的方式制作20×20 橫縱中心距離為0.9 cm、圓點直徑為3 cm 的點陣網(wǎng)格作為標(biāo)定板；然后，利用ROI方框描述參數(shù)映射到標(biāo)定板進(jìn)行裁剪，通過二值化提取有效像素點，并尋找圖像像素與真實世界坐標(biāo)系映射關(guān)系，再基于各種畸變模型進(jìn)行建模來完成系統(tǒng)的校準(zhǔn)；最后，利用映射后的真實坐標(biāo)系和測量單位傳遞到根系圖像中來獲取目標(biāo)在真實世界中的長度、面積等信息。

1.4.3根系表面積獲取 圖像經(jīng)過灰度化反轉(zhuǎn)后，設(shè)置根系目標(biāo)類型為暗目標(biāo)，利用像素平均值減去像素值進(jìn)行背景糾正，消除光照不均和外界干擾對圖像的影響，然后基于最小均勻性度量的全局閾值分割算法進(jìn)行圖像分割。通過形態(tài)學(xué)運算與Blob（binary large object）特征提取，標(biāo)記整個根系的連通域。根據(jù)提取的投影面特征通過微分圓柱近似法，把根系切分成n段圓柱微元，其根系表面積就是n段圓柱表面積的累加和，公式如下。

式中，di為表示第i段直徑，cm；Li為表示第i段圓柱柱長，cm；Si為表示第i段側(cè)面積，cm2；A為根系表面積參數(shù)，cm2。

1.4.4測量結(jié)果檢驗 該試驗主要是針對植物根系表面積測量結(jié)果進(jìn)行檢驗，對比加拿大Regen Instruments 公司推出的根系掃描儀測量系統(tǒng)WinRHIZO。研究對象為向日葵幼苗期的根系，在發(fā)育的第5 天開始，每間隔1 d分別用編寫的根系測量程序和WinRHIZO 根系分析軟件測量植物根系的投影面積（shadow area）和根系表面積（surface area），將兩者測得的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)度分析。

1.4.5離子參數(shù)獲取 向日葵幼苗用Hoagland營養(yǎng)液在人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)15 d 左右，培養(yǎng)條件為：光照/黑暗時間12 h/12 h，溫度范圍（25±2）℃/（22±1）℃，光強(qiáng) 15 000 lx，參考張合心等[16]方法，經(jīng)饑餓處理后將樣本和校準(zhǔn)完成的離子選擇電極都置于測試溶液中待測。設(shè)置實驗溶液體積與采樣時間間隔，采集與處理圖像，并獲得其表面積，并實時觀測離子電壓、含量、動力學(xué)特征參數(shù)以及離子流速等多參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 能斯特斜率校正結(jié)果分析

能斯特斜率檢驗結(jié)果如表1 所示，測量斜率與理論斜率相比，一價離子的轉(zhuǎn)換率可達(dá)90%以上，二價離子的轉(zhuǎn)換率為80%以上，表明二價離子電極的敏感性誤差范圍較大。

表1 能斯特線性斜率校正檢驗Table 1 Nernst linear slope correction test

2.2 植物根系表面積測量結(jié)果分析

試驗結(jié)果見表2，2 個軟件（圖8）投影面積的線性相關(guān)性R2為0.97，且表面積都與投影面積的結(jié)果相差一個線性系數(shù)，可以證明微分圓柱近似法計算根系表面積的有效性。

表2 根系表面積參數(shù)檢驗對比Table 2 Comparison of root surface area parameter test

圖8 自編測量軟件與WinRHZIO結(jié)果對比Fig. 8 Comparison of the results between proposed measurement software and WinRHZIO

2.3 離子吸收特征參數(shù)分析

表3列出了取樣點最后時刻反演出不同種類離子的吸收多參數(shù)。可以看出除Cl-外，其余3 種離子最后時刻的濃度C0接近與離子耗竭過程中的最小濃度值Cmin，說明離子吸收已經(jīng)達(dá)到了動態(tài)平衡，整體趨勢趨近于穩(wěn)定。而4 種離子中的Cl-的仍具備吸收潛力。

表3 離子吸收動力學(xué)特征參數(shù)Table 3 Ion absorption kinetic characteristics parameters

3 討論

本研究在水培環(huán)境下構(gòu)建多參數(shù)、自動化、原位的植物離子吸收多參數(shù)檢測系統(tǒng)，旨在基于植物離子吸收動力學(xué)為原理，采用在線檢測方法自動獲取動力學(xué)特征參數(shù)及離子流速等信息。在離子電極檢測上與周寶宣[17]設(shè)計接口調(diào)理電路相比具有更高的輸入阻抗，同時相比分立運放構(gòu)成的調(diào)理電路具有高共模抑制比和低噪精密等特性。植物根系表面積提取上，成像結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，具有交互式、自標(biāo)定、通用化的處理機(jī)制。通過與WinRHIZO 根系分析軟件作對比測試檢驗，相關(guān)度達(dá)到0.97，證明了該根系測量方法的有效性和可行性。在植物離子吸收動力學(xué)研究上和特征參數(shù)獲取上，與唐藝璇等[18]相比，本文采用Hofstee 法、Michaelis-Menten 方程與在線式最小二乘結(jié)合，基本實現(xiàn)了自動獲取離子含量、流速以及離子吸收動力學(xué)特征參數(shù)。同時由于使用了離子選擇電極和圖像傳感器等無接觸、直接測量等特性，在保證樣本完整性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了原位檢測，能夠為作物營養(yǎng)學(xué)研究鑒定和品種選育提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，具有較高的應(yīng)用前景。但該儀器僅作了部分離子吸收的檢測，在營養(yǎng)液中更多的離子種類和外界環(huán)境因子如溫度、pH、ORP、DO（dissolved oxygen, 溶氧量）的共同作用下還有待研究。