HPV&TDP互补双模式树干液流监测系统

马瑞晨 谷子芮 周嘉豪

(浙江农林大学信息工程学院，浙江 临安 311300)

0 引言

树干液流是植物体内由于叶片失水，从而引起水分通过木质部运输到叶片的过程[1]。它是土壤-植物-大气连续体水流路径中一个关键的链接，承接了庞大的地下根系所吸收、汇集的土壤水，决定了整个树冠的蒸腾量，可反映植物体内的水分传输状况。评估植被水分蒸腾是水文、生态和农业科学重要的研究对象。通过精确的测量液流量，可以基本确定植物的蒸腾耗水量，对干旱和半干旱地区的植被水分蒸腾量评估、进行节水灌溉具有重要的指导意义。液流测算已广泛应用于个体水平上的水分蒸腾研究，树液流动具有日周期变化规律：由清晨至中午随着时间变化逐渐增强，午后达到最峰值，而后减弱，随着气温下降再达到最低值[2-3]。

为了在不破坏树木正常生理状态下测量树液流量，国内外学者陆续提出多种测量树木蒸腾耗水的方法。1984 年小谷圭司运用传统方法用树液着色法研究松树枯萎病及其复苏现象，用水溶性着色素示踪树液流动法，诊断早期松枯病症及其恢复现象[4]。但该方法存在很多缺陷，如实验时间过长才能观察到实验结果，因此无法反映液流实时流动状态。2006 年徐速提出高密度电阻率成像法[5](ERT法)，以生长中的树木为研究对象，通过在树干布置电极，研究树木电阻率与树干含水量之间的关系，讨论了树干中水分的流动特性。源自现代成像技术热红外和磁共振NMR应用于树液流量测量将有效地提高测量精度，然而仪器价格昂贵，且难以通过无线传感网络监测区域林木蒸腾耗水。

自1935年Huber提出用热量作为示踪剂，国内外学者陆续提出热脉冲法、热消散法、热比率法等热技术应用于树木液体流动检测。热脉冲法凭借基于热理论基础下的可靠性、科学性、移动便携、微创低功耗受到众多国内外研究学者的关注[6-7]。

本项目就是建立在热脉冲法的基础上，研发出一种HPV&TDP互补双模式树干液流检测系统。运用热技术法监测个体植株蒸腾耗水的研发思路，将会有利于精确及时地估算树林的蒸腾耗水量[8]。

1 双模式(HPV和TDP)茎流仪系统硬件设计

调查研究分析现有热技术在设计测量装置方面所存在的问题，设计一款基于物联网技术的互补双模式茎流仪，其主要特点在于体积小、功耗低、价格低、可长期户外值守以及可上传实时数据等。此外，双模式茎流仪针对热脉冲法在监测液流方面的不足之处进行改进，以热消散法为辅，从而提升树干液流监测的准确性和科学性。

图1 系统原理示意图

1.1 传感器选型设计

本检测装置主要采用K型热电偶作为传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用，具有测量精度高、测量范围广、构造简单等特点。在本装置中K型热电偶通过与其相连接的 MAX6675 数字转换芯片将热探针采集的指标转换为加热针释放的热脉冲信号。显示仪器包括2.8寸TFT液晶屏，调节器控制采用单片机内部RTC集成电路。记录仪表包括SD 卡存储，其采用SDIO接口与STM32F10系列单片机函数库包含的FATFS文件系统，可将数据以文本的格式进行存储。

1.2 无线传输模块电路设计

为了能够实现数据无线传输至服务器，无线传输模块采用了Air202芯片设计。Air202是一款功耗低、稳定性高的集成式GPRS无线芯片，采用虚拟卡版本的Air202芯片，可实现无线通信数据传输，通过稳压电路给Air202芯片供电，将芯片的程序下载接口外接以方便下载程序，通过USART与主控模块单元相连。

在本系统中通过Air202采集数据实时上传至服务器平台进行数据处理，便于操作者远程监控树干液流动态、预测液流滨化趋势，从而科学管理林木以及节水灌溉。

1.3 主控模块电路设计

主控模块采用STM32F103单片机为主控核心的最小系统，本设备在 STM32 开发版上进行各实体模块的测试，并进一步完善信号的分辨率、加热针工作方式以及液流速率的转换等各个功能。通过单片机连接主控单元控制继电器模块给加热针供电、实时时钟显示、环境温度监测、数据片上存储，通过连接采集模块和无线模块分别进行数据采集和传输，太阳能与12V铅蓄电池协同供电。

2 系统软件设计

2.1 软件工作流程

茎流仪启动后，首先对单片机、液晶屏、SD卡等模块进行初始化。初始化之后进入对树干液流进行低速率判断，若树干液流速率低于设定的阈值，则进入TDP(热耗散)模式，使用双探针采集数据，此时的采集周期较长，大概为3 h左右。若高于测定的阈值，则会直接进入HPV(热脉冲)模式；当进入TDP(热耗散)模式后，液流可能会随时间发生变化，当液流速率变高(高于阈值)时，也会自动切换为HPV(热脉冲)模式。进入HPV(热脉冲)模式后使用三探针进行数据的采集，采集周期约为30 min。数据采集完毕后会直接进行汇总存储，然后无线传输至服务器。

3 实验测试与结果分析

3.1 实验材料

截取无患子、乐昌含笑和银杏茎段，茎段截面积均为16.62 cm2。试验用到的器材，主要包括铁架台、橡胶管和微型电子秤。通过前期多次试验，记录的上、下游传感器处温升分别在3.00 ℃±0.60 ℃和2.40 ℃±0.40 ℃范围内。

图2 茎流仪系统软件流程图

3.2 实验方法——天平称重法测算茎段液流

树液流量估算中的很大一部分不确定性可归因于茎间变异性[9]，通过误差校正公式可以尽可能消除这些不确定性。盆栽称重法或大型称重渗透仪可以使系统更接近自然条件[10]，但盆栽称重法限制了茎直径的范围，大型称重渗透仪试验操作困难，无法应用于实际测量[11]。而大多数切茎校准试验使用气压或者水柱来产生通过茎段的水流，试验操作科学易行。利用天平称重法进行茎段试验，主要目的为了提高基于热技术的树干液流测量装置的测量准确度。

3.3 数据分析处理

试验记录各茎段在不同水柱高度下的液流速率如图3所示，结合无患子、乐昌含笑和银杏的树种特异性可知，无患子为落叶乔木，栓塞水平相对比其他树种较低，因此，在水柱的压力作用下，其渗水速率较大。而银杏树种有较强的耐旱性，其茎段栓塞水平相对较高，因而渗水速率也相应的低于其他两个树种。

研究比较热脉冲与热耗散模型在测量液流速率的特点，通过HPV 模型测量液流的趋势线相比较TDP模型，在液流速率较高时与原始值较接近。而TDP模型在测量较低液流速率(<10 cm/h)，有较显著的优势。

大多数切茎校准试验的设置使用气压或者水柱来产生通过茎段的水流，而应用大气压的校准实验与大型称重仪分析确定的液流流速相比，存在显著的低估[12]。

图3 茎段实验的液流速度变化

通过探针测得的液流数据分别与茎段渗水速率进行拟合优度分析，选取绝对系数较高的拟合模型作为液流校正模型。由前期试验数据分析得出，测得速率与茎段渗水速率的校正模型决定系数均在0.94以上，校正后的液流模型测量准确性有所提升。

3.4 误差分析

TDP和HPV等方法测量树干液流进行林分蒸腾量估算会低估真实用水量，如Granier探针茎流计由于内部预先设定了修正参数，往往只适用于个别树种，特别是对毛竹耗水的测算过程中，将出现较大误差。热探针离热源越远，对加热针释放的热量的敏感性就越小[13]。相比于单一模式持续加热的TDP茎流计，改进HPV法茎流计更节约能耗，适合野外长期值守。

4 结语

HT双模式茎流计对于热脉冲法在监测液流方面的不足之处有所改进，结合了热耗散法的优点，不仅节约了能耗，还提升了监测树干液流的精确性和实效性，而且对被监测植物的损害很小，尽可能地减少了设备对树木本身的影响。本茎流计造价低，组件简单，有利于后期的的系统维护和功能升级，且兼有显示、存储、上传实时数据功能，为今后建设系统的云平台打下了基础。同样地，茎流计的运用范围与意义也是十分深远的。全球变暖带来的危害使得人们认识到植物蒸腾作用在调节气候变化上的重要性，正确估算生态系统的蒸腾量，对于预测未来的气候变化至关重要。不仅在树木蒸腾方面，沙漠干旱地区的树木种植也极其需要精准灌溉测算，其茎流数据对于本身的种植有重要的指导意义。良好生态环境是实现中华民族永续发展的内在要求，是增进民生福祉的优先领域。茎流计在当下作为科研设备拥有一定的研究价值，它的研发与运用在生态保护上也有长远的战略意义。