君子兰电信号与含水率的关系*

丁红星，李敏通，郭交，韩文霆

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西　杨凌712100)



君子兰电信号与含水率的关系*

丁红星，李敏通，郭交，韩文霆

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西杨凌712100)

以盆栽君子兰为材料，采用生物机能采集系统和水分传感器，测定君子兰的电信号及其含水率，研究君子兰的生理电信号与含水率之间的变化规律。结果表明：当含水率较低时，君子兰的电信号平稳，处于沉寂状态；随着含水率增加，君子兰的电信号兴奋度增强，处于活跃状态；含水率为18.8%时，君子兰的电信号兴奋度最强，活跃状态最明显；含水率继续增加，君子兰的电信号兴奋度减弱，继而逐渐恢复平稳状态。本研究建立了植物电信号与含水率的可视性对话，以期为君子兰生长的智能化灌溉提供参考。

君子兰；植物电信号；含水率；时域分析；功率谱分析

随着生物电子技术的发展，对植物生长状态的判断方式已经从单一的、传统的研究植物生理状态转变为研究植物的电位信号与环境因子的关系[1～2]。植物电信号是一种非平稳的时变电信号，当植物处于不同的生长时期，不同的时间和不同的生长环境时，植物的反应灵敏度皆不一样，产生的波形幅度也不相同，因此任一环境因素的变化如：光照、光强、温度、湿度、气压等，都将改变植物电信号的波形[3～7]。干旱或者水分过于充裕都会使植株体液理化性质发生改变，同时植物细胞内部体液浓度也发生相对增大或减小的变化，植物电信号也必然随之产生改变，因此探究植物电信号与含水率的关系，建立二者之间的可视性对话，对植物干旱诊断具有重要的指导意义[8～10]。

本文以君子兰(ClivaminiataRegel)为材料，针对不同含水率状况下的君子兰微弱的电信号进行跟踪测定，并利用时域分析、功率谱分析的方法对获取的电信号进行分析，研究君子兰电信号与含水率之间的变化规律，建立二者之间的可视性对话，为设施农业的植物智能化管理提供参考。

1　材料与方法

1.1测试材料与仪器

选取盆栽君子兰为信号采集对象，试验中信号采集器为BL-420F生物机能采集器，含水率测定仪器为MP-406水分传感器和MPM-160水分测量仪。

1.2测试方法与步骤

测试方法在自然光照、常温环境下对君子兰的电信号进行测取，测取时间为2014年3月10日至4月10日，每天上午10点至11点，下午3点至4点各测取一组数据，整理分析测取的数据，对不同测取时间相同含水率的数据求平均值；使用水分传感器对君子兰的培育水分实时精确测试，使用生物机能试验系统测取相应水分下的君子兰生理电信号。查阅资料得知，君子兰在含水率为17%～28%范围内皆可自然生长[16]，研究中对君子兰在含水率为16.9%～31.0%变化范围内设置梯度测试试验。在试验准备阶段，应将测试对象盆栽君子兰、生物机能采集器、水分传感器一同放置于自制噪声屏蔽网中。试验装置布置如图1所示。

图1　生物机能测试系统

试验步骤提前1h将水分测量仪插入植株培养深度为15cm的土层，将信号输出刺激导线也提前插入植株内，使植物适应，避免由于电极刺入产生动作电波，出现跳跃式波形图；将生物信号采集设备通过USB与电脑相连接；打开电脑端控制软件，设置采样类型为细胞动作电位细胞，采样率为5Hz、低通滤波10Hz，增益200mv，接通信号采集器电源，点击软件端开始按钮开始植物电信号。

1.3生理电信号分析方法

对采集到的植物信号进行初步处理，以获得真实的植物电信号。在其基础上，利用Matlab软件对采集的数据进行相应的处理分析，对君子兰生理电信号与培育含水率之间的关系进行探究。

1.3.1时域分析

采用时域分析法[14]，获取信号的某些时域特征值如幅值，方差，均方值等可以通过时域分析得到。本研究利用Matlab软件将采集到的数据，通过分析做出植物电信号随时间变化的波形图，并通过数据处理获取信号幅值的最大值、最小值、峰峰值等特征值。通过这些植物电信号的统计参数阐明植物电信号的基本特征。

1.3.2功率谱分析

植物电信号是一种随时间而变化的离散信号，其能量是无限的，在时域中的波形也是永远存在且变化的，因此采用通常的时域分析方法来描述电信号的特征时，采集到的信息不够全面，而通过功率谱估计将植物电信号的时域分析进一步变换为植物信号能量随频率变化的谱图，该谱图表征了信号的频率特性，因此利用功率谱分析可以更直观地分析植物电信号的频谱分布状态和它的波动变化。通过研究得知，当植物电信号处于一种特定生命状态时，植物电信号在植物生长中具有特定的功率谱分布规律，而当植物生命活动受到外界胁迫或者外界干扰时，植物信号功率谱分布状况也随外界干扰发生改变。在本次试验中主要用自功率谱法[8]对君子兰电信号进行功率谱分析。

2　结果与分析

2.1君子兰电信号时域特征分析

在含水率16.9%～31.0%范围内，测取了18组不同含水率状况下的君子兰电信号数据。采样数据经过时域处理得到君子兰电信号随时间变化的时域分析图谱。当含水率为16.9%时，君子兰电信号无明显的动作电波，总体上信号电波趋于平稳(图2)；当含水率为17.2%时，君子兰电信号起伏波动，幅值稍微增大，电压幅值均小于0μv，主要在-20～0μv之间波动(图3)；当含水率为18.8%时， 君子兰电信号起伏波动，有明显动作电波且集中，0～50s范围、100～250s范围出现明显的动作电波，且电压幅值在-30～10μv之间波动(图4)；当含水率为19.1%时，君子兰电信号起伏波动，波动范围较之含水率18.8%幅值变小，但具有明显动作电波(图5)；含水率在29.1%时，君子兰电信号波动不大，与之前含水率电压幅值相比较，幅值明显减小(图6)；含水率为31.0%时，君子兰电信号与其他含水率状况下的君子兰电信号相比较，该含水率状况下电信号波动几乎趋于平稳，与含水率为16.9%时的波形图相似(图7)。

图2　含水率16.9%君子兰电信号时域图Fig.2　Signal time & domain chart with 16.9% moisture content

图3　含水率17.2%君子兰电信号时域图Fig.3　Signal time & domain chart with 17.2% moisture content

图4含水率18.8%君子兰电信号时域图

Fig.4Signal time & domain chart with 18.8% moisture content

图5含水率19.1%君子兰电信号时域图

Fig.5Signal time & domain chart with 19.1 % moisture content

图6含水率29.1%君子兰电信号时域图

Fig.6Signal time & domain chart with 29.1% moisture content

图7含水率31.0%君子兰电信号时域图

Fig.7Signal time & domain chart with 31.0% moisture content

动作电波是植物生理活动活跃的一种表征[11～12]，而本文从时域分析图中分析发现，在含水率为16.9%时，君子兰电信号波形平稳，几乎没有动作电波，因此在含水率为16.9%时植物生理活动沉寂；在含水率为17.2%、18.8%、19.1%时，在时域图中可以找到明显的动作电波，且随着含水率增加，动作电波次数增多，所以植物的兴奋度增加，并且在含水率为18.8%时，君子兰电信号兴奋度最为强烈；含水率继续增加，君子兰电信号中的动作电波也相应减少，含水率为31.0%时君子兰电信号几乎没有动作电波，恢复沉寂状态。因此从整个梯度的时域图形分析，君子兰电信号随含水率增加，兴奋度先增强，后减小，初步证明君子兰电信号与含水率之间存在一定的关系，含水率的变化通过君子兰电信号波形变化得到反映。

2.2君子兰电信号特征参数统计分析

由表1可知，随着含水率的增大，君子兰电信号电压的最大值总体上呈现先增大后减小的变化过程，在含水率为18.8%时，达到最大值17.55μv，随着含水率增加，电信号电压最大值减小；君子兰电信号电压均值在-7.941 6～6.368 5μv之间波动，但在含水率低于17.2%和含水率高于28.8%时，其均值低于-7.5μv，并且在含水率为31%时，电压均值低至-7.941 6μv；当含水率发生变化时，君子兰电信号最大值及均值也随之发生变化。

2.3不同含水率条件下君子兰电信号功率谱分析

随着含水率的变化，君子兰的电信号功率也随之变化。当含水率从16.9%开始增加时，君子兰电信号波动幅值开始增大，信号频率范围增大，波形明显(图8)，在含水率为18.8%时，波动幅值增至900w/Hz，频率范围也由开始的0.4Hz增至0.8Hz，信号波形起伏明显(图10)；当含水率大于18.8%时，君子兰电信号波动幅值开始减小，信号频率范围也减小，波形开始减弱，在含水率为

31.0%时，波动幅值急剧减小至50w/Hz，信号频率低于0.1Hz，波形几乎消失(图13)。

表1　不同含水率下君子兰电信号统计参数

图8含水率16.9%君子兰电信号功率谱图

Fig.8Power spectra of electrical signal with 16.9% moisture content

图9含水率17.2%君子兰电信号功率谱图

Fig.9Power spectra of electrical signal with 17.2% moisture content

植物电信号功率谱是对植物电信号单位频率功率能量的反映，单位频率功率能量越大，则植物在该状态下越活跃；反之，植物电信号则为沉寂。通过功率谱分析发现，当含水率为16.9%时，该状态下的君子兰电信号功率幅值低于50w/Hz，功率能量低，同时信号频率范围仅为0～0.2Hz(图8)；含水率增加，君子兰电信号功率能量增加，频率范围增加，含水率为17.2%时，功率能量较于16.9%明显增大，达到200w/Hz，频率范围达到0～0.4Hz(图9)；含水率为18.8%时，达到峰值，功率能量达到900w/Hz，频率范围增宽至0.8Hz(图10)；含水率继续增加，君子兰电信号功率能量逐渐降低，频率范围开始回缩，含水率为24.5%时，功率能量幅值降低，范围与含水率18.8%相比较，频率在0.2～0.4Hz范围内，电信号功率能量急剧减弱；当含水率为31.0%时，与18.8%相比较，该状态几乎没有功率能量(图13)。因此在功率谱分析中发现，电信号功率能量随含水率增加而增加，在含水率为18.8%时，达到峰值，随后，含水率增加，植物电信号功率能量减弱。

图10含水率18.8%君子兰电信号功率谱图

Fig.10Power spectra of electrical signal with 18.8% moisture content

图11含水率19.1%君子兰电信号功率谱图

Fig.11Power spectra of electrical signal with 19.1% moisture content

图12含水率28.8%君子兰电信号功率谱图

Fig.12Power spectra of electrical signal with 28.8% moisture content

图13含水率31.0%君子兰电信号功率谱图

Fig.13Power spectra of electrical signal with 31.0% moisture content

3　结论与讨论

君子兰电信号时域特征参数统计表明，君子兰正常生长时的含水率大约为18.8%左右，含水率增加，君子兰电信号的最大值和幅值迅速上升，在含水率为18.8%时，各项统计参数达到最大值，含水率大于18.8%时，各项参数基本恢复原状。

君子兰电信号功率谱密度图分析表明，君子兰电信号频率集中在0.5Hz以内，含水率增加，君子兰电信号频率范围由0～0.2Hz变化为0～0.5Hz，电信号幅值迅速升高，在含水率为18.8%时，电信号频率范围最大，幅值最高，当含水率大于18.8%时，各项参数基本恢复原状。

通过实验数据发现，随着含水率增加，植物电信号兴奋度增强，处于活跃状态；含水率为18.8%时，植物电信号兴奋度最强，活跃状态最明显；含水率继续增加，植物电信号兴奋度减弱，继而逐渐恢复平稳状态。

已有研究表明，君子兰生理电信号是一种微弱信号，值在10～150μv之间，其生理电信号功率谱主要分布在小于5Hz这一频段[14～15]。本研究中，分析发现君子兰生理电信号其真实信号幅值在-30～20μv之间波动，峰峰值变化区间为7～46μv，君子兰电信号功率谱频段分布于0～1Hz范围内。

不同时期的君子兰对于水的敏感度皆不相同，因此在以后的试验中，应该分别测取不同生长时期的君子兰的电信号，从而建立更加全面的君子兰电信号与土壤含水率的变化关系，以实现君子兰不同培育时期的水分需求的精准调控。研究建立了植物电信号与含水率的可视性对话，以期为设施农业的智能化灌溉提供参考。

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The Relationship between Electrical Signal and Moisture Content of Clivia miniata

DING Hong-xing，LI Min-tong，GUO Jiao，HAN Wen-ting

(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Northwest A&F University,Yangling Shanxi 712100,P.R.China)

With pottedCliviaminiataas materials，and by using biological function acquisition system and water sensor，the relationship between electronical signal and its moisture content was studied.The results showed that the electronical signal ofCliviaminiatawas in a smooth and quiet state when the moisture rate was low，while it became active when the moisture content gradually increased.The signal was the strongest when the moisture content was 18.8%，and it was in the most active state.After that，the signal was gradually decreased until back to its stable state.In this study，a visual dialogue of electrical signals and moisture content was established，and it could provide a reference for intelligent irrigation ofCliviaminiata.

Cliviaminiata;plant electrical signal;moisture content;time & domain analysis;power spectrum analysis

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.03.013

2015-11-03

西北农林科技大学人才专项基金资助项目(Z111021302)。

丁红星(1991-)，男，硕士研究生，主要从事信号检测与分析研究。E-mail:726177827@qq.com

简介：李敏通(1968-)，男，副教授，主要从事信号检测与分析研究。E-mail:lmtyd@nwsuaf.edu.cn

S 682.1+3

A

1672-8246(2016)03-0075-06