一种基于无线技术的光合速率测量方法

袁俊杰，刘静，罗斌，王成，王晓冬，尹宇鹤

（1.北方工业大学机械与材料工程学院，北京100144；2.北京农业信息技术研究中心，北京100097）

光合速率是反映植物光合作用效率的重要指标，是决定作物产量高低和植物生产率的根本因素[1-2]，光合速率测定可为精准农业的实现提供必需的数据支持，因此光合速率测量技术在农业科学领域应用需求广泛。

目前常见的光合速率测定方法中，基于CO2气体分析的测定方法最为常用，基于该方法的便携式光合作用测定系统已经技术成熟，功能齐全，如国内应用较多的LI-COR 公司的LI-6400、ADC 公司的LCA-IV 等[3-4]，但这些产品均为国外公司生产，价格昂贵。而国内同类产品型号较少，功能较为简单，应用也不广泛。现有产品中即使国外成熟产品也不能适应所有的测量情况，并对测试的环境条件、操作人员经验等都提出了严格要求，而且由于单台仪器只能进行单点测量，当需要进行植物光合速率的多点测量、远程测量以及对测量结果数据进行自动管理和分析时，现有设备已不能满足要求。ZigBee 协议的无线传感器网络，具有低功耗、低成本、低复杂度、高通信效率、高安全性等优点[5]，因此本文根据实际应用需求，设计一种基于ZigBee 无线网络的光合速率测量系统，以LI-6400 型便携式光合作用仪为对照，在室内和野外实地分别进行环境参数和作物光合速率测定，分析系统的测量准确性和适用环境，优化与完善系统设计，为实现光合速率的多点无线测量提供依据。

1 光合速率测量原理

1.1 光合速率的测量原理

光合速率（Pn）是指单位时间内单位叶面积（或单位干重）同化CO2的能力，通常测得的光合速率是指净光合速率[6-7]。本文通过测定密闭气路空间中一定时间段内的CO2浓度下降量和叶室温度，进而计算出光合速率。光合速率值可按下式计算：

式中：Pn为光合速率（μmol/(m2·s)）；ΔC 为CO2浓度差（ppm）；Δt 为测定时间（s）；S 为CO2叶片面积（m2）；V 为叶室（包括气路系统）体积（L）；T 为叶室的温度（℃）；P 为大气压（Mpa）。

1.2 系统工作原理

将叶片密封在带有透明窗口的叶室内，叶片经过光合作用，室内CO2浓度会降低，用气泵把叶室空气抽出让其流经CO2传感器，测量后再流回叶室以构成循环密闭气路。测量项目有光照度、CO2浓度、叶室温湿度，数据采集端通过无线模块把数据传给数据接收端，接收端完成数据处理和界面显示（图1）。

图1 系统原理框图Fig.1 System Block Diagram

2 系统实现

2.1 系统的硬件实现

基于文献[8-16]中提到的各种光合速率测量方案，设计了本文测量系统，该测量系统分为数据采集端和数据接收端，下面详细介绍各模块。

1）传感器。CO2传感器：各种气体都会吸收光，不同的气体吸收不同波长的光，比如CO2就对红外线（波长为4.26 μm）最敏感，所以红外光透过不同浓度的CO2光强会不同，利用这个原理红外CO2传感器可以测量CO2的浓度。采用红外气体分析法[17]，选用的传感器是Telaire 6615 红外CO2传感器，它是一种双通道传感器，除了CO2测量通道，它还有一个参考通道用于测量信号强度，进而进行周期性的自动校准来保证传感器的精度。

温湿度传感器：采用AMT2001 温湿度一体型传感器，具有精度高、一致性好、可靠性高、带温度补偿、长期稳定性好等优点。

光合有效辐射传感器：植物的光合反应都集中在波长400-700 nm 范围内，这一波段的辐射被称为光合有效辐射，它是植物生命活动、有机物质合成和产量形成的能量来源。采用CM-GH 型光合有效辐射传感器，其采用光学材料窗口，铝合金壳体结构，具有使用寿命长、结构坚固、密封性好、稳定性好、测量精度高、抗干扰能力强、传输距离长等特点。

2）无线模块。选用的ZigBee 模块型号为SZ06，该模块采用加强型ZigBee 无线技术，具有抗干扰能力强、通信距离远等优点，可实现多设备间的数据采集和数据传输，可以接入模拟量或者开关量，而且可以输出开关量，采用2.4GDSSS 扩频技术，具有定时主动上报或上位机查询功能。

3）电源电路。采集数据端各路传感器和无线传输模块的工作电压涉及12 V 和5 V，为了增加数据采集节点的移动性，采用12 V 电池供电，12 V 经过电压转换电路分成12 V 和5 V 两种电源为整个采集节点供电。

4）触屏模块。数据接收节点采用与采集节点同样的ZigBee 无线模块接收各路传感器数据， 通过RS485 总线与嵌入式TCP 屏连接，该触摸屏系统采用ARM 处理器作为数据处理的主控芯片，为实现多路数据处理采用多线程编程， 操作系统采用WINCE 系统，它是嵌入式、移动计算平台的基础，是一个开放的、可升级的32 位嵌入式实时操作系统。支持无线设备，具有系统级的可靠性，占用内存体积小，网络安全性强，支持丰富的多媒体。

5）气路系统。叶室端的气体经过气路被气泵抽到数据采集端， 气体流经气泵后流入非色散红外CO2传感器，此时密闭气路的CO2浓度被采集，接着气体通过气路回路流回叶室端以形成密闭气路系统。

2.2 无线数据传输协议的选择

常见的工作在2.4 GHz 频段的无线协议有WIFI、Bluetooth、ZigBee、IrDA。WIFI 虽然快但功耗高，主要应用于音视频图片传输；Bluetooth 速率、功耗中等，传输距离很短，所以主要用于蓝牙鼠标或耳机；红外距离短，功耗低，速率也低，主要用于小型移动设备；而ZigBee 技术具有价低廉、可靠性高、效率优越等优点，所以在无线个域网中具有非常广泛的应用前景[18]。ZigBee 协议分四层结构，其中物理层（PHY）和媒体介质访问层（MAC）由IEEE82.15.4 定义，而网络层（NWK）和应用层（APL）由ZigBee 世界联盟自己制定[19]。

2.3 系统的软件实现

本系统软件主要包括以下部分：采集节点采集发送数据（图2），中心节点接收传递数据（图3），中心节点处理显示数据（图4）。程序的关键是ZigBee组网部分和数据的组包与解析，以及中心节点的数据处理与显示，其中数据处理又分为通道处理（电参量向非电量的转换），脚本处理（运用一定的算法和公式将通道处理过的数据进行二次处理），数据存盘（用脚本程序实现）；所有模块由数据库进行数据的统一管理和同步。

图2 采集节点流程图Fig.2 Acquisition nodes flowchart

图3 中心节点流程图Fig.3 Central node flowchart

图4 中心节点程序功能框图Fig.4 Functional block diagram of the central node

3 实验环境与方法

3.1 实验环境

实验地点分别为北京市农林科学院实验室（简称实验室）和温室蔬菜实验基地两个地方，实验室可调节环境温湿度和CO2浓度。过程中用到本装置和美国Licor 公司LI-6400 型便携式光合作用仪。实验对象是环境空气和长茄叶片。

3.2 传感器测量数据准确性验证实验

系统中用到CO2和温湿度传感器，这些传感器数据的准确性直接影响仪器测量值的准确性，所以首先在实验室中分别进行了空气CO2浓度、空气温度和空气湿度的测量实验。具体设计：1）调节实验室CO2浓度，分别用本装置和LI-6400 进行不同水平的CO2浓度测量， 每个范围的测量不属于重复测量；2）调节实验室温度，进行不同水平的温度测量；3）调节实验室湿度，进行不同范围的湿度测量，且每个范围的三组数据属于不同水平的湿度测量。

3.3 仪器测量值准确性验证实验

本系统关键目标是测量作物光合速率，在保证系统各路传感器准确工作后，需进行光合速率实测实验。该项实验选择在温室蔬菜实验基地进行，分别用本装置和LI-6400 对长茄叶片进行光合速率测量实验。时间为上午9:00-12:00 和下午13:00-17:00，每隔十分钟读数一次。试验过程需注意，两个测量装置都需要开机预热，待系统稳定后再开始测量；两次读数之间要打开页夹，待系统稳定后再进行下一次测量。

4 结果与分析

4.1 空气CO2浓度测定分析

与LI-6400 的测量结果比较， 本系统测定的CO2浓度结果的平均测量偏差为-1.09%（表1），该测量偏差满足测量精度要求，不足是本装置测量值只能精确到个位，而LI-6400 能精确到小数点后一位，主要原因是本设计为取得成本和精度之间的平衡，所以没有选择精度更高的传感器。用最小二乘法线性拟合表1 中测量值，发现本装置CO2测量值和LI-6400 测量值之间存在近似的线性关系（y=0.9075x+45.5605，R2=0.9533），而且拟合系数接近为1，说明本文装置测量值与LI-6400 测量值存在一致的变化规律。

表1 二氧化碳浓度测量值对比Table 1 Comparison of measured concentrations of carbon dioxide by two systems

4.2 空气温度测定分析

温度测量实验结果（表2）显示了两种装置在不同温度水平下的测量偏差，由此可以计算出本装置温度测量与LI-6400 的平均测量偏差为-7.68%，测量值偏差稍大。原因分析是两种装置的构造不同，局部温度会有所差异。经最小二乘法线性拟合发现两种装置的空气温度测量值之间也存在近似的线性关系（y=1.0149x+0.8078，R2=0.9825），说明两种装置测量值虽存在偏差，但变化规律一致。每个水平的温度重复测量了三次，利用EXCEL 对表2 中5-10 ℃范围的三组（其他范围内数据做了相同的分析，结果类似，此处不再一一列出）数据进行方差统计分析，得LI-6400 测量值方差为0.117 6，本文装置测量值方差为0.333 3，虽比LI-6400 偏大，但也在允许的范围内。

假设不同装置对测量结果有影响，比较检验统计量F 和给定α 水平下的临界值Fcrit（F=0.0089＜Fcrit=7.7086）得出原假设不成立，即不同装置对测量结果没有显著影响，由此看出，两种装置空气温度测量值没有显著差异。

表2 温度测量值对比Table 2 Comparison of measured air temperature by two systems

4.3 空气湿度测定分析

实验结果（表3）表明两种装置在不同湿度水平下的测量结果和每组数据的测量偏差，在测量空气湿度时， 本装置相对LI-6400 的平均测量偏差为0.64%，说明测量值非常接近，结果很理想。但最大偏差为16.47%，原因分析是仪器刚进入测量状态，工作还不稳定，或者由操作不规范等原因导致。对表3 中数据进行最小二乘法线性拟合，发现本装置与LI-6400 的空气湿度测量值存在如下关系：

y=1.0055x-0.2611

R2=0.9995

两种装置的测量值存在近似的线性关系，表明本文测量系统湿度测量与LI-6400 测量结果很接近，精度能够满足使用要求。

表3 湿度测量值对比Table 3 Comparison of measured air humidity by two systems

4.4 光合速率测定结果分析

表4 为作物一天的光合速率测量结果，同样是拿LI-6400 示值和本装置示值做对比。测量值较小时，本装置和LI-6400 的光合速率测量值表现出较好的线性关系，随着测量值的增大不再成线性关系。而且由表4 数据知，在11-12 点期间本装置测量值明显比LI-6400 低。原因分析如下：1）本测量系统是密闭式，当光合速率较大时，密闭系统叶室里的CO2浓度迅速降低，已不是正常环境下的光合速率值，所以测出来的是低CO2浓度下的光合速率，比自然环境下测量值小；2）中午温度较高时，系统散热不好导致局部温度偏高，会导致测量值偏小。

本文认为LI-6400 示值小于5 μmol/(m2·s)的光合速率是低光合水平，对低光合水平下的数据单独用最小二乘法线性拟合，发现此时，本装置光合速率测量值和LI-6400 存在如下关系：

y=0.8783x+0.3164

R2=0.8573

结果基本令人满意,但也存在误差，分析误差原因主要为：1）测量系统环境是局部环境，和真实植物生长环境有偏差；2）CO2传感器测量和温度传感器本身有测量误差；3）两个装置一起测量时，叶片测量位置无法做到完全相同，对数据造成影响。

通过分析本装置测量数据以及与LI-6400 的对比可以看到，所设计测量系统的光合速率测量值与实际测量过程和环境条件是相符的，可以满足光合速率测量需求。

表4 光合速率测量值对比（μmol/(m2·s)）Table 4 Comparison of measured photosynthetic rates by two systems（μmol/(m2·s)）

5 结论

本文将ZigBee 无线传输技术运用于作物光合速率的监测系统中，设计了一种远程测量系统，实现了环境温湿度及CO2浓度的实时监测，并自动计算出光合速率。与现有光合速率测量系统相比，本系统具有如下特点：1）成本较低，结构简单，是一种低成本的无线测量和监控方案；2）采用无线传感器网络，布置方便，降低安装布线成本；3）系统具有通用性和可扩展性，通过增加数据采集端或改变传感器类型，以及修改触摸屏终端软件，可方便的扩展系统功能。该系统非常适用于室内（低光合水平）教学等试验用场合。目前也存在一些问题，比如夹持叶片不能自动完成，还需人为操作叶室的打开和关闭；光合速率较高时，测量系统测量值偏低，这些问题可在后续设计中通过增加自动化装置、优化测量流程等措施得到改进和完善。

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