【正文】 量作物冠層溫度，然后計算得出作物缺水指標 (CWSI)，從而反映出作物生長的缺水狀況，指導(dǎo)灌溉。s water shortage, guiding irrigation. The crop water stress detector uses ATmega16L microcontroller as master core, and configuration TNR digital infrared temperature sensor, SHT71 temperature and humidity sensors which used to measure crop canopy temperature and air temperature and humidity, canopy temperature air temperature difference calculation of crop water stress index (CWSI), to reflect the crop39。 Crop Water Stress Index (CWSI)。近年來 ，隨著人口增加、經(jīng)濟發(fā)展和城市化水平的提高，水資源供需矛盾日益尖銳，農(nóng)業(yè)干旱缺水和水資源短缺己成為我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要制約因索，而且加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化。 農(nóng)業(yè)是我國節(jié)水潛力最大的行業(yè) ， 發(fā)展現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)是確保我國糧食安全、水安全和生態(tài)安全的重大戰(zhàn)略舉措且已經(jīng)成為共識。目前，各種灌溉技術(shù)在我國已經(jīng)得到了推廣，其中實現(xiàn)精準灌溉，一個重要的因素就是與作物的需水信 息相關(guān)聯(lián)，也就是實現(xiàn)作物缺水信息的采集與檢測。 課題的研究目的和意義 我國提出要建設(shè)節(jié)水型社會，節(jié)約用水和挖掘節(jié)水潛力成為關(guān)鍵問題。 作物生長需水信息的采集是實施灌溉決 策和管理的重要基礎(chǔ) ,也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系和精準灌溉工程系統(tǒng)的一個重要組成部分，深入開展作物水分信息采集技術(shù)的研究，對于緩解我國水資源供需矛盾，保障我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近三、四十年科技的發(fā)展，特別是具有根本性和普遍性意義的生物技術(shù)和信息技術(shù)的突破性進展，拉開了新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命的序幕。通過檢測作物蒸騰速率、莖流、水勢、冠層溫度、莖稈、果直徑微變化、根冠通訊信號、植物生長器官的電位信號、圖像特征與光譜特征、土壤環(huán)境氣候等，來決定作物天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計 3 的灌溉計劃和需水量。 水分是維持作物生命活動的重要物質(zhì)，同時也是作物生長過程中最大的消耗品。目前，評定作物需水信息指標的研究主要包括：土壤指標、環(huán)境指標和作物指標（形態(tài)指標和生理指標）三類。土壤水分測量是作物需 水量研究的基礎(chǔ)，傳感器法和中子法測定土壤水分快速準確。裘正軍等在 20xx 年針對精細農(nóng)業(yè)中實施節(jié)水灌溉的要求，采用 SWR2 型土壤水分傳感器，研制了溫室環(huán)境微機測控系統(tǒng)和基于 GPS 定位的土壤水分快速測量儀，并通過GIS軟件生成農(nóng)田的墑情圖，但尚未實現(xiàn)實時在線測量。根據(jù)負壓計的觀測值推求土壤墑情 ,然后判斷是否需要灌水 ,取得了十分理想的結(jié)果?；谕寥浪謴埩Φ膫鞲衅鳒y量精度高，響應(yīng)快，產(chǎn)品成本低使用便攜式采集土壤水分。水分經(jīng)由土壤到達植物根表皮，通過植物 的 莖運移到葉片，再由葉片氣孔蒸騰進入大氣散失，大氣中的水分通過降水，又回到土壤中，從而形成一個統(tǒng)一的、動態(tài)的相互連續(xù)的系統(tǒng)，即土 壤 — 植物 — 大氣連續(xù)系統(tǒng)（ SoilPlantAtmosphere continuum，簡稱 SPAC）傳統(tǒng)上，通常將作物蒸騰量和土壤含水量作為作物虧水的指標，但兩者均受到外界各種因素的影響很大。 作物莖流指蒸騰作用在作物體內(nèi)引起的上升液流 ,莖稈液流速度與蒸騰速率、植株需水之間有著十分密切的關(guān)系。 以環(huán)境為 對象的指標主要由通過葉面蒸發(fā)量來估計同期作物的耗水量，從而指導(dǎo)灌溉，其優(yōu)點是簡便易行，缺點是精度較低 。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計 5 形態(tài)指標：形態(tài)指標是指作物與吸水相關(guān)的形態(tài)特性，如葉子顏色的變化、葉子角度的變化和葉片卷攏的程度等。張寄陽、段愛旺等利用直徑生長測量儀持續(xù)監(jiān)測筒栽棉花和棉花莖稈 直徑的動態(tài)變化，對莖直徑在不同天氣的日變化規(guī)律、水分脅迫條件下不同生長階段的變化規(guī)律及其與環(huán)境因素的關(guān)系進行了研究。 葉面幾何特征是一項重要的作物生長參數(shù)，該參數(shù)可以計算作物的用水量、可以分析植物的生長狀況，并且建立植物生長模型。早在 1989 年，日本學(xué)者 Hashimoto 提出了SPA(Speaking Plant Approach)的控制新思想，其核心是利用圖像傳感器，開發(fā)視覺控制系統(tǒng)，采集溫室作物生長信息也已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，通過攝像頭進行遠程檢測葉面的變化已引起人們的關(guān)注。主要應(yīng)用在研究氣孔的活動及作物光合作用等生理活動過程中，通過研究土壤水勢和葉水勢之間的數(shù)量變化關(guān)系來判斷水分在作物生產(chǎn)系統(tǒng)中運輸?shù)姆较蚺c速率。鮑一丹等結(jié)合葉片電特性 (電容 )與葉水勢對玉米植株進行了缺水度的實驗。白廣存等對植物生理信息采集處理系統(tǒng)進行了研究，選用微電極傳感器，實現(xiàn)了植物電位信號的多點采集。 其它指標：利用聲發(fā)射技術(shù) AE（ Acoustic Emission），可以檢測得到作物的受水脅迫程度。 本課題的研究目標及內(nèi)容 本課題所研究的作物缺水檢測儀 是為實現(xiàn)精準灌溉而設(shè)計的，主要目標是為精準灌溉的實施提供較為精確的作物缺水信息，從而指導(dǎo)節(jié)水灌溉活動，達到提高水資源利用率的效果。 (3)系統(tǒng)軟件設(shè)計：主要包括各種傳感器信息的采集，數(shù)據(jù)的顯示、處理與存儲，人機界面的設(shè)計等。指標的發(fā)展也由使用手持式紅外輻射儀擴大到使用航空和衛(wèi)星遙感信息。因此，表面溫度的測定常被作為表面通量模式的輸入項 (Kustas 和Norman 1997)，或被作為監(jiān)測作物水分脅迫的指示器 (Idso,1981)，該指標的測定在自然和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。Idso,1982)，作物葉片和空氣溫度差異是監(jiān)測植物水分脅迫的一個常用指標。蒸發(fā)需求可由水汽壓差的大小來描述，而蒸發(fā)需求的供給程度則依賴于土壤水分狀況和相對葉面積?；谘芯縏anner(1963)提出了“應(yīng)用葉溫可以估算水分狀況”的假設(shè)，并采用直接接觸式傳感器測定葉溫，因而存在觀測值的整代表性差的問題，如將冠層作為一個整體，通過遙感其發(fā)出的熱輻射解決這些問題。Jaekson， 1982)，植物水分脅迫 (Jackson 等 1977b。7dIs。劉瑞文 ,1992)。冠氣溫差隨時間變化的差異清楚地描述了木豆對土壤水分有效性的不同反應(yīng)。在大豆的花期單株植物的種子產(chǎn)量與 SDD 之間的密切關(guān)系，清楚地表明了利用冠層溫度資料來描述水分脅迫對雨養(yǎng)木豆影響的應(yīng)用潛力。蔡煥杰等， 1994)。并且由于物體表面溫度梯度非常明顯 ，直接用溫度計測量表面溫度是非常困難的 (張仁華， 1992)，這種溫度探頭存在測定抽樣面積較小的問題，而在環(huán)境條件下期望獲得的測定值能夠代表整體溫度的空間非均勻效果。使用手持式紅外測溫儀觀測冠層表面溫度時受儀器本身、環(huán)境因子和植物因素等多方面的影響(Pennington 等 ,1989。 CWSI 的表達式為： pEECW SI ?? 1 （ 21） 式中， E和 Ep 分別為作物實際和潛在蒸騰速率。 經(jīng)驗常數(shù) rf 和 rfp 與作物種類有關(guān)， ra 與風(fēng)速及葉子尺寸有關(guān)。當(dāng)上、下基線確定后 , 由實測的葉氣溫差 ? T 和空氣飽和差 ? e 可得到圖中的 N點 , 對應(yīng)的缺水指標 ： CWSI=NS/MS。物體的紅外輻射能量的大小及其 波長的分布 —— 與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。 由于黑體的光譜輻射功率 Pb(λ Τ) 與絕對溫度 Τ 之間滿足普朗克定理： ? ?1e x p 251?? ?T ccTPb??? （ 25） 其中， Pb(λΤ )— 黑體的輻射出射度； λ — 波長； T— 絕對溫度 ； c c2— 輻射常數(shù)。 (2)隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動 (向左 )，并滿足維恩位移定理 T *λ m = μ m*K，峰值處的波長λ m 與絕對溫度Τ 成反比，虛線為λ m 處峰值連線。 式（ 26）中黑體的熱輻射定律正是紅外測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 TTPTPTP b ??? ?? (28) 所測物體的溫度為： ? ? 41?????????TPT (29) 式 (29)正是物體的熱輻射測溫的數(shù)學(xué)描述。紅外測溫儀能接收多 種物體自身發(fā)射出的不可見紅外輻射能量。 本章小結(jié) 本章詳細介紹 了基于冠層溫度的作物缺水指標的研究進展，接著講解了兩種計算CWSI 的方法，最后介紹了紅外測溫的原理和方法 。 系統(tǒng)組成及框圖 本文設(shè)計的 作物缺水檢測儀以 ATmega16L 單片機作為主控核心，配置 TNR 數(shù)字式紅外測溫傳感器， SHT71 溫濕度傳感器， Nokia5110 液晶屏，通過相應(yīng)的電路設(shè)計完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。 溫濕度模塊：大氣中的溫濕度采集部分，選用 SHT71 溫濕度傳感器。 本章小結(jié) 本章首先提出 了 作物缺水檢測儀 的方案設(shè)想，接著確定系統(tǒng)總體方案，最后通過框圖與文字描述對整個系統(tǒng)的組成與工作原理進行了介紹。 單片機處理模塊 本系統(tǒng)經(jīng)過各種 MCU 的選擇對比，選定了 ATMEL 公司的 ATmega16 單片機作為系統(tǒng)的主控模塊芯片。 ATMEL 在這種強大市場壓力下，發(fā)揮 Flash 存儲器的技術(shù)特長，于 1997 年研發(fā)并推出了個新配置的、采用精簡指令集 RISC(Reduced Instruction Set CPU)結(jié)構(gòu)的新型單片機，簡稱AVR單片機。 AVR 結(jié)構(gòu)單片機的開發(fā)日的就在于能夠更好地采用高級語言（例如 C語言、 BASIC 語言）來編寫嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，從而能高效地開發(fā)出目標代碼。 AVR單片機是用一個時鐘周期執(zhí)行一條指令的，它是在 8 位單片機中第一個真正的 RISC結(jié)構(gòu)的單片機。 AVR 主要有單片機有 ATtiny、 AT90 和 ATmega 三種系列，其結(jié)構(gòu)和基本原理都相類似。由于 AVR采用 16位的指令，所以一個程序存儲器的存儲單元為 16位，即 XXXX*1116(也可理解為 8位，即 2*XXXX*8)。 AVR運用 Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令的特性，即對程序存儲和數(shù)據(jù)存取使用不同的存儲器和總線。 (4)超功能精簡指令。 (7)AVR單片機還在片內(nèi)集成了可擦寫 100000次的 PROM數(shù)據(jù)存儲器，等于又增加了一個芯片，可用于保存系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)、固定表格和掉電后的數(shù)據(jù)，既方便了使用，減小了系統(tǒng)的空間，又大大提高了系統(tǒng)的保密性。而且它具備 SPI接口，可以很方便地與單片機（ MCU）傳輸數(shù)據(jù)。 ) 圖 43 紅外測溫時序圖 (3)紅外測溫模塊溫度值的計算： 以上面的例子：無論測量環(huán)境溫度還是目標溫度，只要檢測到 Item為 0x4cH或者天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計 21 0x66H同時檢測到 CR為 0x0dH，他們的溫度的計算方法都相同。 本 SHT71傳感器模塊電路原理圖如圖 45所示： 圖 45 SHT71傳感器模塊電路原理圖 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計 22 Nokia5110模塊 在信號采集模塊對環(huán)境信號進行采集，并通過單片機進行數(shù)據(jù)處理后，要對環(huán)境的實時狀態(tài)進行顯示， 數(shù)碼管和液晶屏都可滿足我們的要求，但數(shù)碼管只能顯示數(shù)據(jù)，不便于區(qū)分數(shù)據(jù)類型，同時由于顯示的位數(shù)較多，會占用大量的 I/O 口，給控制器帶來負擔(dān)。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計 24 5 系統(tǒng) 軟件設(shè)計 作物缺水檢測 系統(tǒng)的功能是在程序控制下實現(xiàn)的。 主 程序 流程框圖如圖 51 所示。數(shù)據(jù)接收之后要進行標度變換才能得到正確的溫度值，變化公式為：溫度 = Temp/16 – ，其中 Temp 為十進制， 而測量結(jié)果為 16 進制，把它直接轉(zhuǎn)換為十進制即可。在設(shè)計電路的過程中，只有不斷思考，把自己學(xué)過的東西應(yīng)用在要設(shè)計的電路上，還要不斷研究才能設(shè)計出滿足要求的電路；而在畫電路的同時，又是對以前學(xué)過的 Protel、 DXP 軟件的溫習(xí)過程。在硬件制作方面，由于本設(shè)計電路比較簡單，而且為了調(diào)試方便，因此采用了萬能板來焊接 ， 在這里，先用 Protel 畫圖再轉(zhuǎn)為 PCB 圖，這樣就能用軟件進行布線，得到合適的線路走向再用萬能板焊接，效果是十分明顯的。(17) define PIN_MOSI() PINBamp。,39。,39。,39。 unsigned char TEMP[]={39。,39。,39。 float T=0,T1=0,T2=0。 unsigned int canopy_t。 //PB0 輸出 PORTB |= 0X01。 //PB0=0。 BIT(SPIF))) { delay_data++。 break。)。 } if(data_temp[4] == 0x0d) { s