武海 田立國 汪建國 李猛 李玉爽

摘要：介紹了針對植物電信號特點設(shè)計的基于NI數(shù)據(jù)采集平臺的植物電信號檢測系統(tǒng)。通過DAQmx和Labview實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與顯示，采用小波消噪算法及功率譜估計，用Matlab對所采集數(shù)據(jù)進行信號消噪及頻域分析，完成植物微弱電信號的獲取與時頻域特性分析，成功地提取了植物電信號的特征值。結(jié)果表明，應(yīng)用該系統(tǒng)進行植物電信號的采集與特性分析切實可行。

關(guān)鍵詞：植物電信號；DAQmx；檢測系統(tǒng)；消噪；頻域

中圖分類號： TP274；S24文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0326-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-03-15

基金項目：國家“863”計劃（編號：SS2013AA03120；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金 （編號：YC13-12。

作者簡介：武海（1987—，男，河北張家口人，碩士研究生，從事檢測技術(shù)與自動化裝置研究。E-mail：wuhai4321@163com。

植物都在一定環(huán)境中生存，外界環(huán)境的變化會對植物生長過程產(chǎn)生影響，相應(yīng)地，植物也對外界環(huán)境變化產(chǎn)生應(yīng)對行為，如含羞草的感震運動、合歡樹葉片的感夜運動等[1-2]。正是由于植物電信號與外界環(huán)境因子之間存在著密切的聯(lián)系，人們可以通過觀察植物電信號的變化來監(jiān)測外界環(huán)境的變化，如檢測地震、酸雨及氣候等，也可以據(jù)此營造植物生長發(fā)育所需的最佳環(huán)境。植物電信號是植物細(xì)胞在生命活動中發(fā)出的電磁信號，它的物理規(guī)律和生物學(xué)意義的解讀對了解生命的運轉(zhuǎn)機理具有重要的意義。通過有效的信號檢測及數(shù)據(jù)處理研究，得出對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐有價值的結(jié)論，可以實現(xiàn)作物生長條件的合理優(yōu)化配置，促進作物健康生長，對于進一步推動信息化農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有現(xiàn)實意義。植物電信號是一種極其微弱的電信號，其主要特點是噪聲背景和隨機性都比較強，是一種非穩(wěn)態(tài)的時變信號[5]。研究表明，在正常的植物生理活動中，植物電信號幅值為微伏（μV級，在受到外界刺激后可能在瞬間達到毫伏（mV級[6-7]；頻率在 0～30 Hz的頻段，高于30Hz的信號極少，且噪聲對其影響較大，因此對植物電信號采集檢測裝置要求較高。本研究基于NI （National Instrument公司的DAQmx技術(shù)，設(shè)計1種植物微弱電信號實時檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)植物電信號的檢測并實時顯示信號波形，在準(zhǔn)確檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可進行信號特性處理解析。

1檢測系統(tǒng)的設(shè)計

11系統(tǒng)總體設(shè)計

選取在實驗室生長狀態(tài)良好的盆栽植物，將引導(dǎo)電極插入植物的莖部或葉部，通過引導(dǎo)電極的電信號經(jīng)低噪聲前置放大、有源濾波、50Hz工頻陷波等硬件信號調(diào)理電路處理后接入數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端進行A/D轉(zhuǎn)換；經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的電信號，在Labview軟件環(huán)境下進行軟件信號調(diào)理、數(shù)據(jù)處理及波形顯示。植物電信號檢測系統(tǒng)總體框圖見圖1。

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12硬件構(gòu)成

121引導(dǎo)電極引導(dǎo)電極與植物體接觸時，在植物體表面會有極化電位產(chǎn)生，此極化電位對測量結(jié)果會構(gòu)成嚴(yán)重影響，因此應(yīng)選擇乏極化電極，目前多用鉑金電極、銀-氯化銀電極等[8]。本研究選用鉑絲電極刺入植物，電極尖端直徑為 02 mm，長度為20 mm；參考電極采用試驗用Ag-AgCl電極。

122信號調(diào)理模塊引導(dǎo)電極采集來的植物電信號需要經(jīng)信號調(diào)理才能夠供數(shù)據(jù)采集卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于植物電信號自身微弱、低頻等特點，因此需要進行前置放大及必要的濾波處理，本研究采用低噪聲前置放大器將信號放大5倍，低通濾波器截止頻率設(shè)為100 Hz，高通濾波設(shè)為003 Hz，并加入50 Hz陷波模塊衰減工頻干擾40 dB。

123NI ELVIS II+NI ELVIS II+硬件主要包括工作臺、原型板2個部分。工作臺集成了DAQ卡，模擬輸入通道數(shù)為16，其AI采樣率為500 kS/s（雙通道，16 位分辨率，并且通過USB接口與PC機連接，可實現(xiàn)快速易用的測量、數(shù)據(jù)采集及顯示。原型板還可以搭建自行設(shè)計的硬件電路，這為后期硬件調(diào)理模塊方面的改進及優(yōu)化提供了便利。

124計算機DELL1545便攜式電腦，CPU主頻2 GHz，內(nèi)存2 GB，windows XP操作系統(tǒng)。

13軟件設(shè)計

檢測系統(tǒng)以Labview 100專業(yè)版為開發(fā)平臺，利用NI公司推出的DAQmx驅(qū)動軟件實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)，NI-DAQmx驅(qū)動軟件不局限于基本的DAQ驅(qū)動，可實現(xiàn)高性能的多線程驅(qū)動。虛擬儀器（VI包括前面板和與之相對應(yīng)的程序框圖。前面板對應(yīng)著供用戶可視可操作的界面顯示；程序框圖是程序的圖形化源代碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡對信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與顯示。

131硬件自檢及自校準(zhǔn)為了實現(xiàn)準(zhǔn)確測量，進行信號測量前要對NI ELVIS II+進行自檢及自校準(zhǔn)，以便確保硬件正常工作；自校準(zhǔn)時要把數(shù)據(jù)采集卡的所有采集通道與待采集信號斷開。此操作在測量與自動化管理器（Measurement & Automation Explorer中進行。

132程序面板設(shè)計Labview通過NI-DAQmx應(yīng)用程序編程接口（API函數(shù)的不同組合編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理顯示任務(wù)。通用的測量系統(tǒng)一般包括創(chuàng)建虛擬通道VI、定時VI、啟動任務(wù)VI、讀取VI和清除任務(wù)VI，該系統(tǒng)采用板卡的AI0+及AI0-兩模擬通道差分輸入模式，以便消除共模干擾的影響。該程序框圖包括數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲及波形顯示功能。通過DAQ Readvi讀取到信號進行波形顯示并將電信號數(shù)據(jù)存入電子表格文件，以便采用先進算法對其進行消噪處理及信號特性分析；同時將信號引入軟件信號調(diào)理部分進行處理，再將處理過的信號存入另一電子表格文件。前后2次的記錄數(shù)據(jù)文件都存入計算機，供后期數(shù)據(jù)處理及分析用，系統(tǒng)程序框圖如圖2所示。endprint

133前面板設(shè)計前面板包括波形圖顯示控件、數(shù)據(jù)文件保存路徑顯示控件及1個停止按鈕，系統(tǒng)前面板如圖3所示。[FL]

21試驗前期準(zhǔn)備

植物選取實驗室生長2個月的盆栽蘆薈，且其生長狀況良好。試驗用屏蔽箱用雙層銅網(wǎng)自制，并與硬件信號調(diào)理共地連接。正負(fù)電極分別插入蘆薈同一葉片中，2個電極相距1 cm左右[9]。參考電極與屏蔽箱共地。將正負(fù)電極接入信號調(diào)理裝置，該系統(tǒng)裝置主要實現(xiàn)植物電信號的放大與濾波處理，之后傳給數(shù)據(jù)采集卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號通過USB接口引入計算機，采用Labview軟件進行處理分析。系統(tǒng)構(gòu)建完成后，上電運行，待系統(tǒng)工作05 h后再進行數(shù)據(jù)記錄。

22試驗結(jié)果

在溫度為25 ℃、相對濕度為60%、已被屏蔽植物生長箱中，使用檢測測量系統(tǒng)對盆栽蘆薈進行電信號采集與測量。采集到的植物電原始信號波形如圖4所示。

23結(jié)果分析

將采集到的原始植物電信號數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab軟件處理，進

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行小波域閾值降噪濾波。本研究采用db3小波基函數(shù)對信號進行5層降噪處理，采用ddencmp函數(shù)獲取降噪閾值，采用wdencmp函數(shù)對信號進行降噪及壓縮，并列出植物電信號的一些基本特征。未消噪及消噪后的信號經(jīng)matlab處理結(jié)果如圖5所示。為進一步了解植物電信號的頻域特性，還對消噪后的信號進行頻域分析，采用pyulear函數(shù)進行信號的功率譜估計，所得功率譜圖如圖6所示。根據(jù)所采集數(shù)據(jù)及消噪處理后的數(shù)據(jù)，求得信號的幾項基本特征見表1。

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由圖5可以看出小波消噪的明顯效果，蘆薈葉片電信號在1 s內(nèi)有數(shù)次較大波動，表明含有動作電波及變異電波，幾次大的信號波動范圍集中在4 mV以下，考慮前置放大器的作用（放大5倍，可推斷波動幅值在數(shù)百μV。

圖6表示信號頻域特性，可見蘆薈葉片電信號的頻率較低，功率譜主要分布在0～40 Hz范圍內(nèi)，而在0～20 Hz左右范圍最為集中且功率較強，表明該信號是一種低頻信號。

由表1看出，蘆薈葉片的電信號幅值為540 μV左右（運放增益為5，均值及標(biāo)準(zhǔn)差都處于10-4數(shù)量級，說明幅值處于數(shù)百μV；方差處于10-7數(shù)量級，說明幅值距均值起伏不大，為μV量級。

3結(jié)論

本研究應(yīng)用NI-DAQmx的高效信號采集能力，設(shè)計了植物電信號檢測系統(tǒng)，所采集數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab處理得到明確的信號特性值。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了植物電信號的采集與特性分析，其運行穩(wěn)定可靠、操作簡便、改動升級便捷且成本低廉。虛擬儀器技術(shù)必將在微弱信號檢測研究方面起到重要作用。

將植物電信號與植物生長環(huán)境信息相結(jié)合，建立植物電信號與環(huán)境因子間關(guān)系模型，從而為環(huán)境參數(shù)調(diào)控提供依據(jù)并建立植物生長的最適宜環(huán)境；將其與自動控制技術(shù)相結(jié)合可用于未來植物智能化自動控制管理系統(tǒng)中，可以促進我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

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