基于Labview的植物微信息获取

吴云鹏 吕丹桔 秦明明 秦志一 张雁

摘要 为获取植物体应激反应过程设计了一种检测方法。该方法以Labview虚拟仪器为平台，利用红光探头获取植物微信息，并以海芋为检测对象，通过对其做破损实验，检测该植物的应激微信息数据。实验结果表明，该方法可有效检测因外界刺激引起植物自身反应的过程，能够用于实时监测植物生长情况。

关键词 Labview；红光探头；动态监测；植物微信息

中图分类号 S-058 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2015）11-362-05

Lambert-Beer定律（郎伯比尔定律）是说明物质对单色光吸收的强弱与吸光物质的浓度和物质厚度间的关系的定律，是光吸收的基本定律[1]。郎伯比尔定律目前广泛用于一些医疗设备上，如人们发明的一些测脉搏仪和测血氧饱和度仪器。测脉搏仪是利用红外光照射手指，并将透射手指的光强转化为容易测量的微电信息（电流），再依据郎伯比尔定律测量其微电信息的变化次数来确定脉搏次数。测血氧仪是根据郎伯比尔定律建立含电流值的数学模型公式，原理也是将透射的光强转化为容易测量的物理量（电流），再利用模型公式计算血氧饱和度[2]。

当一定频率的红光照射到被分析的有机物质上，可以引起分子中价电子的跃迁，一部分光将被吸收。笔者利用透射式红光探头照射植物茎部为获取植物体的应激反应进行了一些破损实验。使用红光探头照射植物茎部，红光到达茎部后， 一部分被植物体内有机物和其他少量矿物质等物质所吸收， 少量被反射后，剩下的透过叶片被光电转换器转换成为相应的电信号[3-4]。由于植物在不同因素下其体内有机物、矿物质等物质活动速率和含量会有变化，据此可以得到变化的微电子信息，然后通过放大电路进行放大，最后由数据采集卡采集处理后传给上位机Labview软件进行分析处理显示。该研究设计了一个实验平台来获取植物的微信息。

1 系统总体设计

该系统以NI 的Labview虚拟仪器开发平台为核心， 实时采集并显示测试结果（包括微信号波形、周期、频率、峰峰值等）。系统由硬件电路、数据采集卡和Labview程序3部分组成。

植物体的微信息可以通过光电转换获取，但植物微信息是低频微弱的生理信号。因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求，模拟电路主要完成对这些信号的滤波、放大等工作[5]。

Labview平台获取模拟信号主要通过使用数据采集卡，基于Labview的虚拟仪器程序首先需要完成植物波信号的进一步处理， 如滤波、计算、显示等以改善信号的质量。系统总体设计如图1所示。

2 硬件设计

该系统硬件部分的设计主要完成植物微信号的获取、放大、滤波等调理工作， 还应考虑与计算数据采集卡采集速率和上位机Labview程序匹配问题。植物微信息的获取是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的红外光转换成电信号，用上位机进行测量和显示的装置。该设计的信号处理电路主要对信号进行前置放大滤波。硬件系统的组成包括光电传感器、信号处理、数据采集卡、上位机Labview应用程序、电源等部分。即向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是5～9 V的交流或直流的稳压电源。

2.1 信号采集电路

此电路主要运用光电传感器即将非电量（红光）转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和接收三极管组成，它可以将接收到的红光按一定的线性关系转换成便于测量的物理量（电压）输出[6]。该系统设计的信号采集电路如图2所示。

2.2 放大电路

此电路主要作用是信号处理即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路（包括放大、滤波、整形等）。该研究运用LM358放大电路，LM358内部包括2个独立、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关，放大电路如图3所示。运用U2将信号放大，放大倍数由R7和R8的比值决定，根据一阶有源滤波电路的传递函数[5-8]，可得：

3 软件设计

3.1 总体设计

Labview软件完成的主要功能包括：①正确配置数据采集卡的各个参数；②在前面板实时显示植物体微信息波形；③对于噪声进行判断滤除；④计算微信号峰峰值、频率、幅值等；⑤前面板用户交互（UI），包括参数输入、时间显示等。

该设计以Labview为软件开发平台，借助虚拟仪器处理数据。软件系统结构主要由3部分组成：信号采集、信号处理和信息显示。软件设计为2个通道CH1和CH2，此次实验采用的通道CH1偶和值为直流。软件系统流程图如图4所示，通过上位机Labview程序设定采样率为200KSample/s，采样长度设置为500，此参数与触发位置有关，代表了从触发位置开始之后的数据长度，通道量程设置为20VPP。设置好触发参数后启动采集，延迟0.5 s触发一次，触发后要查看采集标志位并判断采集是否完成，如果采集完成则读取数据并存储在硬盘里。程序设置为每次扫描读取2 000个样本，根据程序的扫描时间为500 ms执行一次循环，1 s循环2次即1 s读取2次，每次读取2 000个样本值，下一次扫描的样本值会覆盖原来的值。

3.2 基于nextkit数据采集卡的数据采集设计 该设计中使用的数据采集卡是泛华测控研发的nextkit数据采集卡，由Labview2012进行编程和开发。该产品具有双通道数字存储示波器功能和8种常用仪器功能，并提供软件与二次开发DLL。本设计是采用二次开发DLL实现无间断改变采样率等应用易于实现。通过设计的红外光探头采集信号，用上位机中的Labview软件可以对信号进行测量和处理。

3.3 Labview程序设计

植物微信息获取系统软件设计采用Labview程序编程，Labview程序又称虚拟仪器，虚拟仪器由程序框图和与程序框图相对应的前面板2部分组成。植物微信息获取结果显示的程序如图5所示，程序框图对应的前面板如图6所示[9]。

如图6，程序功能为每次读取并计算这2 000个样本的平均值并存储下来。左边显示屏（植物波形图）表示每0.5 s读取2 000个样本值，并将2 000个样本值全部显示出来。右边显示屏（植物波形图表）表示每0.5 s读取2 000个样本的算术平均值，每一个平均值代表的时间是0.5 s，图中植物波形200代表时间为200×0.5=100 s。

4 实验结果及分析

为观察一些有关植物体对外界刺激的应激反应，该研究通过对植物的叶子和茎部做破损实验得到大量数据，并分析处理得到植物波信号，如图7所示，图中每个点代表0.5 s。在实验过程中实时记录下环境温湿度及植物相关信息。实验时间是2014年10月4日，以下5组实验的环境和检测因素如表1所示。

4.1 红光受损检测-半叶受损检测

如图7所示，图中黑线横坐标为剪断半叶的时间，明显看到在黑线（剪断半叶）以后光电转化值先由一个平滑的状态转变为上升状态，在横坐标接近1 000（500 s）的位置转为平滑，又在接近2 000（1 000 s）的位置曲线转为上升状态，在接近4 000（2 000 s）的位置曲线转为平滑，植物的微信息趋于稳定。从切断点处往后可以看出波形有明显的跳动，这说明植物体内的有机物活动发生明显变化，这就是植物受刺激后的应激反应，这些可以从植物波信号中反映出来。

4.2 红光受损检测-半叶受损后的全叶受损检测

如图8所示，实验4.2是在实验4.1的基础上完成的实验（4.1、4.2、4.3在同一茎上完成的实验），图中黑线横坐标为剪断叶子的时刻。从图8可以看出，剪断前与剪断后对比无明显变化。

4.3 红光检测-半叶全叶受损后的茎受损检测

如图9所示，图中黑线横坐标为剪断叶子的时间，从图中可看出剪断前与剪断后并明显变化。

实验4.3是在实验4.1和4.2的基础上完成的实验，在实验4.2和4.3中，从获取的植物体内微信息的变化看出，植物在受损后，光电转化值无明显变化，说明在相同茎叶植物体受损后，再对其茎叶进行受损，从植物体的茎部获取的微信息是无变化的，植物本身不再进行自修复过程。

4.4 红光授损检测-全叶受损检测

如图10所示，图中黑线横坐标为剪断半叶的时刻，从图中可以看出，在剪断全叶后植物的光电转换值由平滑状态变为上升状态，在横坐标接近6 000（3 000 s）的位置转为平滑跳动。与实验4.2和4.3相比较，实验4.4有明显的变化。在切断点的1 000的位置开始，明显可看出波的跳动很大。

4.5 红光检测-全叶加茎受损检测

如图11所示，图中黑线横坐标为剪断茎部的时刻，从图中可以看出在剪断茎部后光电转化值由平滑状态变为上升状态，在横坐标接近4 000（2 000 s）的位置，曲线渐渐变为平稳。

实验4.4和4.5都是独立的实验即在不同茎上做的实验。与实验4.2和4.3相比较，实验4.4和4.5是有明显变化的。在实验4.1、4.4和4.5中，从获取的植物体内微信息的变化看出，植物在受损后，在茎部获取微信号，光电转化值会有明显变化，在经过一段时间修复后，光电转化值又趋于平稳，说明了植物体内有机物等的变化，植物自修复有一个时间限制，经过时间限制后，自修复停止。在实验4.1、4.4和4.5中，在切断点处可以看出波形有明显的跳动，它反应了植物体内有机物、矿物质等的活动速率，说明植物体内的一些物质的活动明显加快，这就是植物体受刺激后，其波信号发生的变化。植物微信息的获取将植物对应激所做出的反应体现在植物波信号的变化上。

5 结语

植物波信号为常见的生物信号，通过数据采集卡得到的波形能够实时监测植物生长情况和环境变化。该设计实现了从植物体内获取波信号并进行准确、实时显示和初步分析的功能。从硬件电路到Labview虚拟仪器，整体上最终均能够采集、存储、显示和处理植物波信号。这种虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物。同时，该系统在利用红光探头和数据采集卡获取植物微信息上进行了大量实践，结果表明，该系统可以实时监测植物应激反应，并为获取植物生长情况和环境变化积累了相关经验。实验证明，该系统的构建具有可行性，可以实时监测植物生长情况和环境变化。

参考文献

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[3] 李庆波，黄彦文，张广军，等.基于可见-近红外光谱的植物叶绿素含量无损检测方法研究[J].光谱学与光谱分析，2009（12）：3275-3278.

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[5] 赵丽华，张永寿，张文兰.基于单片机的脉搏信号采集电路设计[J].中国医学装备，2014（4）：35-38.

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