【正文】 關(guān)鍵詞 ： 缺水檢測； 冠層溫度 ； 紅外測溫； 作物缺水指標 (CWSI)； 單片機 ； Abstract Developing efficient watersaving irrigation agriculture is the first and foremost condition for the sustainable development of national agriculture. The main problems that face the development of China irrigated agriculture are low utilization ratio of agricultural water resources and coexistence of shortage and waste at present. Because of the crop itself whether need to be irrigated is the best indicator. Crop canopy temperature is determined by the soil plant atmosphere connectivity of the body heat and water vapor flow, which reflects the energy exchange between the crop and atmospheric. With the rapid development of infrared temperature measurement technology in recent years, the canopy temperature method is being an important means of discrimination of crop water status, rapid determination of a wide range of plant water status. Therefore, the use of crop canopy temperature method to detect crop water status has been growing concern about scholars, canopy temperature air temperature difference has also bee one of the important indicators for diagnosis of crop water stress conditions. This paper designs a simple and convenient instrument of detection of crop water stress based on canopy temperature. The crop water stress detector measure the crop canopy temperature by the noncontact infrared temperature measurement method firstly, and then calculated the crop water stress index (CWSI) to reflect the crop39。 Infrared Temperature Measurement。而且時空分布很不均勻，南多北少，東多西少；夏秋多，冬春少；占國土面積 50%以上的華北、西北、東北地區(qū)的水資源量僅占全國總量的 20%左右。精準灌溉已成為節(jié)水重要措施和提高節(jié)水效率的重要途徑之一。因此，通過現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)改造傳統(tǒng)灌溉農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)用水效率，緩解我國水資源的緊缺狀況是十分必要的。 本文在這樣的背景下提出了一種簡單方便的基于冠層溫度的作物缺水檢測儀 ，能夠 通過冠層溫度 — 氣溫差來計算 作物缺水指標 (CWSI),從而反映作物生長的缺水狀況，用于指導灌溉。同時研制與開發(fā)作物生長需水信息采集系統(tǒng)，對提高節(jié)水效率，改善水資源緊缺的條件及提高水資源的利用率起到積極的作用，而且還可以增加作物的產(chǎn)量，降低作物生產(chǎn)的成本。 綜上所述，本課題的研究對解決我國的水資源貧乏問題，改造傳 統(tǒng)灌溉方式，實現(xiàn)適時適量的“精準灌溉”，提高水資源的利用率，具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。對作物生長水分信息采集技術(shù)國外發(fā)展比國內(nèi)要快， 電子技術(shù)水平較高，已經(jīng)將空間信息技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)等高新技術(shù)（如全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感監(jiān)測系統(tǒng)）應用到系統(tǒng)當中。目前， 我國已研究了具有互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)絡多形式接入，并具有 WEBGIS 功能的智能化農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡平臺，研制了采用衛(wèi)星遙感技術(shù)信息提取技術(shù)，結(jié)合農(nóng)業(yè)氣候氣象分析模型的農(nóng)情預報和作物估產(chǎn)的服務系統(tǒng)等 。迄今為止，不同的灌溉系統(tǒng)各有自己不同的水分評價指標，這些指標各有特色，但大多數(shù)具有這樣那樣的 不足，尚沒有形成權(quán)威的、標準化的評價指標或指標體系。內(nèi)容主要集中在如何實現(xiàn)快速采集、怎樣布置采樣點、采用何種插值方法準確地反映土壤信息的變異規(guī)律。國內(nèi)土壤含水量測量研究主要是在 TDR 基礎上開發(fā)經(jīng)濟實用的基 于駐波比、頻域法原理、近紅外技術(shù)的快速測量 。王鳳新等利用負壓計擬定馬鈴薯的天津 職業(yè)技術(shù)師范大學 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設計 4 灌溉計劃?；谥凶臃夹g(shù)的中子土壤水分計不擾動被測土壤，測量深度不限，攜帶方便；基于電磁 波原理的測量方法是產(chǎn)品價格低，但水分測量響應速度較慢。 (2)環(huán)境信息指標 通過環(huán)境條件的變化估計作物需水量，也屬間接指標。 Mohamed Habib Sellami 等連續(xù)觀測了海棗樹和杏樹的莖流 ,建立了蒸騰量和太陽總輻射與凈輻射之間的關(guān)系。李國臣等分析了不同供水條件下的黃瓜莖流日變化規(guī)律及環(huán)境因素對莖流變化的影響 ,提出了基于作物莖流變化的作物虧水診斷方法。這一類指標可分為形態(tài)指標和生理指標兩種。國內(nèi)以作物莖、果的微變化信息作為檢測方法 ,采用位移傳感器研究植株莖、果形態(tài)微變化作為作物需水信息進行自動控制灌溉的可行性已得到廣泛研究。莖直徑變差作為一個可靠的判別指標廣泛用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水管理之前 ,尚有許多的研究工作要做。 Kacria等利用視覺技術(shù)提取頂部樹冠層的投影面積來反映作物內(nèi)部水壓，但是其只針對幼苗 ,對成熟期的作物并沒有進行研究。羅錫文用 XCT 成像技術(shù)對大豆根系原位形態(tài)進行了可視化研究，為準確、快速、無損地實現(xiàn)植物根系原位形態(tài)的定性觀察和定量測量提供了新思路。 葉水勢是植物生理研究中重要的參數(shù) ,是植物水分狀況的最佳度量。此時的葉水勢和土壤水勢可作為防止作物葉片發(fā)生萎蔫的臨界閾值，是作物水分狀況基本的度量天津 職業(yè)技術(shù)師范大學 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設計 6 指標。日本 Keolntaboal 測量西紅柿葉片表面電位，在光照時葉片表面電位比黑暗時高，認為光合活動可以從葉片表面電位反映出來。但是采用這種方法需將電阻傳感插針刺入植株莖桿，這樣多少會對植物體 造成傷害并影響測試精度同時存在信號不敏感、誤差及變異很大 ,難以正確反映作物的實際需水信息。還有人嘗試利用電導、電容、射線吸收等測定計算葉片及其他組織的含水量。 (2)系統(tǒng)硬件設計：主要包括嵌入式芯片的選擇、傳感器的選擇；傳感器采集電路的設計與搭建，電源電路的設計等。自 20 世紀 70 年代以來，基于冠層溫度的作物缺水指標的研究經(jīng)歷了三個階段，即單純研究冠層溫度本身變化特征的第一階段，以冠層能量平衡原理為基礎的作物水分脅迫指數(shù)的第二階段和考慮冠層和土壤的復合溫度的水分虧缺指數(shù)的第三階段。 半干旱地區(qū)農(nóng)作物特別是冬小麥經(jīng)常遭受水分脅迫的影響，為了制定實時補充灌溉 計劃和管理策略需要對水分脅迫的影響進行定量化表面溫度是聯(lián)系地表和大氣之間能量交換，藕合組成開放表面 (exposed Surface)能量平衡的輻射、傳導和對流傳輸過程的關(guān)鍵變量。Jackson,1982。植物水分脅迫的發(fā)生，取決于大氣的蒸發(fā)需求 (evaporation demand)和土壤水分有效性 2 個方面。Pearcy 等 ,1971)。植物冠層溫度與土壤含水量 (Jackson 等 1977a?；诠趯訙囟鹊腃WSI 與土壤含水量、土壤基質(zhì)勢 (soil water matrix potential)土壤 含鹽量、植物水勢、葉擴散阻力和光合作用密切相關(guān) (Jackson198。這些研究結(jié)果促進了 CWSI 的應用，例如制定農(nóng)田灌溉計劃，預測作物產(chǎn)量和監(jiān)測植物疾病 (Jackson 等 1977b:ldso 等 1977b。Patel(20xx)采用不同種植日期法，研究了利用遙測冠層溫度指標來估算作物水分狀況的效果，并且對雨養(yǎng)木豆最終水分脅迫進行定量化。在生殖生長階段，大豆利用水總量隨 SDD 的增加而降低。劉恩民， 20xx)，利用遙感測定冠層溫度監(jiān)測土壤水分狀況的研究 較少 (盧志光等， 1993。比如熱電偶這樣的溫度探頭，對表面溫度的測定依據(jù)于熱量平衡原理，通過傳導和對流方式進行熱量傳輸，其問題是要求與被測物體表面緊密接觸，這將影響到接觸處的表面能量平衡，因此也進一步影響到溫度 (Fuchs， 1990)。的確，在植被冠層內(nèi)不同葉片間存在一定的天津 職業(yè)技術(shù)師范大學 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設計 10 溫度范圍，使用紅外測溫法 (infrared thermometry)遙測表面溫度常是唯一可行的方法和途徑 (Baker， 20xx)，但該方法仍存在測量的絕對精度受限的問題。 CWSI 隨作物水分的消耗而增大 。 能量平衡法 計算公式如下： )/1( )/1()/1(afafpaf rrr rrrrrrCWSI ??? ???? （ 22） 其中， AFAF TT ee ???? ** （ 23） 式中： r—— 濕度常數(shù)（ Pa/℃）； rf和 rfp —— 分別為實際和潛在蒸騰時的氣孔擴散阻力 (s/m)； ra —— 空氣動力阻力 (s/m)； *Fe 、 *Ae —— 分別為 TF和 TA 對應的飽和水汽壓 （ Pa）。 直線 AB為作物停止蒸騰時的葉氣溫差 , 稱為上基線 直線 ； CD 為作物發(fā)生潛在蒸騰時葉氣溫差與空氣飽和差之間的關(guān)系 , 稱為下基線 。 紅外測溫原理及特點 黑體輻射與紅外測溫原理 一切溫度高于絕對零度的物體都在 不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。應該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點，故稱黑體輻射定律。這是紅外輻射理論的出發(fā)點，也是單波段紅外測溫儀的設計依據(jù)。 根據(jù)斯特藩 — 玻耳茲曼定理黑體的輻出度 Pb(Τ )與溫度Τ的四次方成正比， 即： ? ? 4TTPb ?? (26) 式中， Pb(T)— 溫度為 T 時，單位時間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻射度； σ — 斯特藩 — 玻耳 茲曼常量； T— 物體溫度。它是隨不同物質(zhì)而值不同，即使是同一種物質(zhì)因其結(jié)構(gòu)不同值也不同，只有黑體ε =1，而一般灰體 0ε 1，由式 (2)可得 ： ? ? ? ? ? ? 4。因此 ,通過對物體自身發(fā)出的紅外能量的測量 ,便能準確地測出它的表面溫度。 紅外測溫儀一般 具有以下優(yōu)點： (1)紅外測溫不干擾被測溫場，不影響溫度場分布，從而具有較高的測量準確度； (2)紅外測溫的測溫范圍寬，在理論上無測量上限，可測量相當高的溫度； (3)探測器的響應時間短，反應速度快，已與快速與動態(tài)測量； 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設計 14 (4)不必接觸物體，操作方便 ； (5)可以 確定微小目標的溫度。 本系統(tǒng) 選用 ATmega16L 單片機作為 缺水檢測儀 的主控核心，采用 TNR 數(shù)字式紅外測溫傳感器測量作物的冠層溫度， SHT71 溫濕度傳感器測量大氣中的溫濕度 ， 經(jīng)過單片機處理后得出作物的缺水信息，并且利用 Nokia5110 液晶屏將信息顯示出來。 紅外測溫模塊：冠層溫度的采集部分，選用 TNR 數(shù)字式紅外測溫傳感器。 系統(tǒng)工作原理 在本系統(tǒng)中， 首先利用傳感器測量作物的冠層溫度、大氣溫濕度，然后通過計算作物缺水指標 (CWSI)得出作物的缺水信息，從而用于指導灌溉 。 手持式 GPS 信息顯示器由藍牙 模塊、 Nokia5110液晶顯示模塊、主控模塊以及電源模塊 等部分組成 。由于 8051 本身結(jié)構(gòu)的先天性不足和近年來各種采用新型結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的單片機的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在的單片機市場是百花齊放。為了縮短產(chǎn)品進入市場的時間，簡化系統(tǒng)的維護和支持，對于由單片機組成的嵌入式系統(tǒng)來說，用高級語言編程已成為一種標準編程方法。在其他的 CISC 以及類似的 RISC 結(jié)構(gòu)的單片機中，外部振蕩器的時鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達 12 倍 (8051)。同時，由 32個通用工作寄存器所構(gòu)成的寄存器組被雙向映射，因 此，可以采用讀寫寄存器和讀寫片內(nèi)快速 SRAM存儲器兩種方式