水培环境下的作物养分吸收多参数检测系统研究

冯小鼎， 王成， 金晓彤， 董宏图， 罗斌， 王晓冬*

（1.北京市农林科学院智能装备技术研究中心，北京 100097； 2.广西大学机械工程学院，南宁 530004）

我国是农业大国，改革开放40 年以来，农业发展已经迈入了新时代——农业4.0 时代。其在种植作业上更加注重绿色环保、节水节肥和高效产能[1]，而传统土壤种植模式存在着农药残留、重金属污染以及病虫害等问题。水培（hydroponics）是新型的植物无土栽培方式，以水为介质施加其生长所需的营养（营养液）作为植物养分吸收环境[2]，具有清洁无污染、易于管理和节约土地资源等优点[3]。营养液中的无机养分离子是农作物植株生长发育的重要组成成分，参与酶促反应、能量代谢以及生理调节。植株根系对离子的吸收、转运等过程在维持植物正常生长发育上起至关重要的作用。研究表明，绝大多数植物对离子的吸收基本符合动力学方程，该原理可以用来研究农作物的离子吸收和转运机制[4]。根系养分离子吸收动力学是从20世纪50年代初开创并发展的，其用米氏（Miehaelis-Menten）学说及其方程解释植物根系对养分离子吸收特性和规律[5]。利用植物离子吸收动力学特征参数能够为鉴定和筛选养分吸收高效的基因型及制定品种选育、施肥等栽培等措施提供可靠依据，为阐明养分吸收特性的早期指标提供动力学基础[6]。因此，植物营养学研究人员利用动力学参数来评价作物对某种养分的利用效率和适应水平[7]。常规动力学特征参数的获取需要耗费大量的人工，首先人工定时对营养液取样，进而通过光谱法或色谱法测定溶液中离子含量，再根据离子耗竭法求得，在这个过程中还需剪去根部，称取根系鲜重或测量根系面积[8]。康亮等[9]采用光谱法进行离子含量检测，利用WinRHIZO 根系分析软件获取根构型和表面积，进而比较不同木薯品种的氮吸收动力学特征。动力学特征参数获取的过程繁琐、效率较低，且无法保证样本的完整性。

针对以上问题，本文融合生物传感、图像处理、信号采集与控制等技术，设计一款结构简单、成本低廉且能够自动获取农作物水培条件下离子吸收动力学特征参数的检测系统。该系统以水培条件下的植物为研究对象，采用灵敏度高、易便携的离子选择电极并结合图像传感器，获取水培液中的离子含量和根系表面积；利用最小二乘拟合在线辨识离子耗竭模型系数，再基于Miehaelis-Menten 模型和Hofstee 法反演出离子吸收动力学特征参数和离子流速；旨在为作物品种的鉴定筛选及植物工厂中营养液管理提供自动化的检测手段，有效提高农业科研效率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为向日葵幼苗、离子标定液和Hoagland水培营养液。

仪器设备包括课题组制备的离子选择微电极（传感器）、可见光成像装置、信号调理与采集模块、电源转换模块、智能平板主机以及恒温培育箱。

1.2 植物离子吸收特征参数检测

植物养分吸收动力学依据改进的Michaelis-Menten方程进行分析，公式如下。

式中，In是离子吸收流速，mmol·m-2·s-1；Imax为最大吸收速率，mmol·m-2·s-1；C为外界养分吸收浓度，mmol·mL-1；Cmin为平衡浓度，mmol·mL-1；Km为米氏常数。

参照蒋廷惠等[10]方法，以T为采样间隔，Y为吸收液离子含量，对当前时刻的采样数据进行最小二乘拟合离子耗竭模型（通常为一元二次形式表现）系数，再根据式（3）~（5）（Hofstee 法）转换为动力学特征多参数[11]，最后通过Michaelis-Menten方程（1）反演离子吸收流速。

式中，a为二次项系数；b为一次项系数；c为常数项系数；V为水培营养液容量（mL）；FRE为植物根系表面积（cm2）。

1.3 系统总体方案设计

1.3.1系统设计 植物养分吸收多参数检测系统如图1 所示，首先根据电极传感器获得的离子电信号，经多路复用器与接口调理电路后，传入到模数转换器（analogue to digital converter，ADC）。选用意法半导体公司的微控制器STM32F407 驱动ADC 采集并读取数据，通过串口转发数据至上位机。表面积采用CMOS 型图像传感器拍摄植株在水培箱中的根系结构并通过USB 2.0 直接传输至PC 端，由上位机软件系统完成离子浓度校准与转换、根系表面积参数获取以及植物离子吸收动力学特征参数反演等。

图1 系统总体设计Fig. 1 Design of the system

1.3.2信号校正与采集模块设计 测量时将电极和参比电极同时置于溶液中，如图2 所示。在双电极体系下组成的原电池电势E与待测溶液中离子含量需符合能斯特（Nernst）方程。该方程描述了其输出膜电势与离子浓度的对数成线性相关性，通过归一化标定[12]即可形成该电极浓度转换的线性模型。在室温环境下，分别通过K+、NO-3、Ca2+、Cl-的能斯特斜率转换率来检验系统在近似于理论条件下校正后的模型参数是否在合理的范围之内。试验中分别采用3种梯度水平相差10倍单一离子的标定溶液（C1、C2、C3），测试时把电极放到已知浓度溶液中，记录稳定时刻的电位值，分别经两点或三点归一化完成离子电势-浓度的线性化模型校正，测定到的离子溶液的电势值和能斯特线性校正方程的斜率和截距。

图2 双电极体系电势测量Fig. 2 Two-electrode system potential measurement

根据离子电极具有高阻抗和低频响应等特性，设计具有精密缓冲的传感器调理电路。以阻抗性、精密性以及模拟差分输入为依据，采用ADI公司的低噪仪表放大器AD8220，片内三运放拓扑结构中可对高内阻的电化学传感器进行阻抗变换，降低源端阻抗来获得完整信号源。其10 pA的偏置漏电流对于106~108数量级的电极而言，直流失调误差仅在0.01~1 mV 范围内，同时其差分输入方式可抑制高共模信号。为适配后端单电源供电的ADC 输入范围，需搬移电平至正极性并扩大信号动态范围，通过跨导电阻RG 设置增益2并提供参考电位2.5 V，使得（±1）V 的差分电极电位信号抬升至0.5~4.5 V。同时，调理电路的信号链中增加低通滤波，抑制高频干扰，根据巴斯沃特滤波器通频带平坦无纹波的特性设计，采用Sallen-Key 拓扑结构下的单位增益二阶有源滤波器，设计-3 dB 的截至频率50 Hz，品质因子Q为0.707，电路如图3所示。

图3 电极信号调理电路Fig. 3 Electrode signal conditioning circuit

为减少测量误差需尽可能保证其达到0.1 mV 以上的采集精度，选用ADI 的一款超低噪声24 位∑-∆型模数转换器AD7192，其最小分辨率0.3 µV。片内集成多路复用、输入缓冲及sinc4+sinc3 滤波器，可以获得高精密测量系统的完整模拟前端。外接4.912 0 MHz 基准时钟源及基准电压源为AD7192 提供时钟频率和基准电压，如图4 所示。采用的基准源初始精度为0.05%，温漂系数为3 ppm·℃-1。在单极性模式下，使用单端伪差分输入，可编程增益PGA 设为1，其输入范围0~5 V。选择 sinc4 滤波器并使能斩波器和60 Hz Rejection，其数据输出速率为12.5 sps，初次建立时间为160 ms。

图4 AD7192模数转换电路Fig. 4 AD7192 analog-to-digital conversion circuit

1.3.3电源转换模块设计 采用24 V容量的锂电池组进行供电，设计防反接电路，并通过电源转换模块满足不同电压等级下的元件用电需求以及基准电压。该电源转换电路通过2个DC/DC 电源转换芯片、1 个串联型基准电压芯片及E192（0.1%）系列的精密电阻分压网络实现24 V 转(±7)、5 及2.5 V，如图5 所示。其中24 V 电源可直接提供给工控平板电脑，再通过主机的USB 接口给图像传感器供电。（±7） V是提供给信号调理模块，增加离子电极电势信号输出摆幅的裕量；5 V提供滤波电路、AD7192模数转换和基准电压以及STM32的核心板；2.5 V提供给AD8220的参考电平。

图5 电源转换电路Fig. 5 Power conversion circuit

1.3.4根系成像装置设计 为解决根系在水中姿态的浮动和交错遮挡问题，定制了亚克力（polymethyl methacrylate，PMMA）材质的水培分离箱，设计了以插槽方式固定的黑色背景隔板，使根系在限定范围内吸附贴合在背景板上，如图6 所示。光源利用背光板从水培箱底部提供，镜头上安装偏振片，设置偏振角度，消除亚克力板非金属的镜面散光和眩光的干扰，改善根系映像画质。

图6 根系成像装置Fig. 6 Root imaging device

1.3.5软件系统设计 下位机软件在STM32F407微处理器上，以硬件抽象层HAL 库为基础开发，主要实现AD7192 的数据采集与信号处理。系统在上电复位后先完成STM32的GPIO、外设以及各个模块初始化工作。而对于AD7192 器件的驱动主要是通过SPI 数字接口操作AD7192 片内的模式寄存器与配置寄存器，并在Keil 软件的Debug模式下完成系统校准与调零。当上位机通过串口发送连续转换信号后，STM32 读取100 个采样数据进行滑动平均滤波，同样以相同的波特率上传至上位机。

基于LabVIEW 开发环境完成上位机软件系统的设计，可在Windows 操作系统的工业平板电脑上运行。首先，主机将采集到的离子电极电势通过校正后的能斯特方程线性计量模型转换为离子浓度；然后对根系图像通过节1.3.5 的处理流程获取根系表面积参数；最后将吸收液中离子浓度按照设置的取样时间间隔拟合离子耗竭模型曲线，根据模型系数、表面积参数和设置的溶液体积，通过1.2 节提到Michaelis-Menten 方程及Hofstee 法反演出离子吸收动力学特征多参数和离子流速[15]。

1.4 根系表面积测量

图像传感器为大恒水星系列MER-500-7UM/C 相机，通过USB2.0 接口与工业平板电脑连接。采用LabVIEW 中的图像处理与视觉库IMAQdx开发测量系统[13]，其流程主要包括图像预处理、成像系统校准、表面积参数获取3部分，如图7所示。

图7 根系图像处理与表面积测量流程Fig. 7 Flow of root image processing and surface area measurement

1.4.1图像预处理 采集后的图像不仅包含根系结构特征，还包含多余的植株苗和茎秆区域。为减少根系起点识别算法的复杂度，利用ROI（region of interest）工具划定根系的有效区域。同时把ROI区域描述参数通过移位寄存器传递到系统图像校准中。经过剪裁后的根系图像含有全局噪点，在图像降噪的同时尽可能地保持根系的细节形态和拓扑结构，因此采用导向滤波技术[14]。上述图像经过去噪后，再对图像反转，并使用RGB 查找法函数改变图像对比度和伽马值，突出根系区域。

1.4.2成像系统校准 首先，采用校准点阵的方式制作20×20 横纵中心距离为0.9 cm、圆点直径为3 cm 的点阵网格作为标定板；然后，利用ROI方框描述参数映射到标定板进行裁剪，通过二值化提取有效像素点，并寻找图像像素与真实世界坐标系映射关系，再基于各种畸变模型进行建模来完成系统的校准；最后，利用映射后的真实坐标系和测量单位传递到根系图像中来获取目标在真实世界中的长度、面积等信息。

1.4.3根系表面积获取 图像经过灰度化反转后，设置根系目标类型为暗目标，利用像素平均值减去像素值进行背景纠正，消除光照不均和外界干扰对图像的影响，然后基于最小均匀性度量的全局阈值分割算法进行图像分割。通过形态学运算与Blob（binary large object）特征提取，标记整个根系的连通域。根据提取的投影面特征通过微分圆柱近似法，把根系切分成n段圆柱微元，其根系表面积就是n段圆柱表面积的累加和，公式如下。

式中，di为表示第i段直径，cm；Li为表示第i段圆柱柱长，cm；Si为表示第i段侧面积，cm2；A为根系表面积参数，cm2。

1.4.4测量结果检验 该试验主要是针对植物根系表面积测量结果进行检验，对比加拿大Regen Instruments 公司推出的根系扫描仪测量系统WinRHIZO。研究对象为向日葵幼苗期的根系，在发育的第5 天开始，每间隔1 d分别用编写的根系测量程序和WinRHIZO 根系分析软件测量植物根系的投影面积（shadow area）和根系表面积（surface area），将两者测得的结果进行相关度分析。

1.4.5离子参数获取 向日葵幼苗用Hoagland营养液在人工气候培养箱中培养15 d 左右，培养条件为：光照/黑暗时间12 h/12 h，温度范围（25±2）℃/（22±1）℃，光强 15 000 lx，参考张合心等[16]方法，经饥饿处理后将样本和校准完成的离子选择电极都置于测试溶液中待测。设置实验溶液体积与采样时间间隔，采集与处理图像，并获得其表面积，并实时观测离子电压、含量、动力学特征参数以及离子流速等多参数。

2 结果与分析

2.1 能斯特斜率校正结果分析

能斯特斜率检验结果如表1 所示，测量斜率与理论斜率相比，一价离子的转换率可达90%以上，二价离子的转换率为80%以上，表明二价离子电极的敏感性误差范围较大。

表1 能斯特线性斜率校正检验Table 1 Nernst linear slope correction test

2.2 植物根系表面积测量结果分析

试验结果见表2，2 个软件（图8）投影面积的线性相关性R2为0.97，且表面积都与投影面积的结果相差一个线性系数，可以证明微分圆柱近似法计算根系表面积的有效性。

表2 根系表面积参数检验对比Table 2 Comparison of root surface area parameter test

图8 自编测量软件与WinRHZIO结果对比Fig. 8 Comparison of the results between proposed measurement software and WinRHZIO

2.3 离子吸收特征参数分析

表3列出了取样点最后时刻反演出不同种类离子的吸收多参数。可以看出除Cl-外，其余3 种离子最后时刻的浓度C0接近与离子耗竭过程中的最小浓度值Cmin，说明离子吸收已经达到了动态平衡，整体趋势趋近于稳定。而4 种离子中的Cl-的仍具备吸收潜力。

表3 离子吸收动力学特征参数Table 3 Ion absorption kinetic characteristics parameters

3 讨论

本研究在水培环境下构建多参数、自动化、原位的植物离子吸收多参数检测系统，旨在基于植物离子吸收动力学为原理，采用在线检测方法自动获取动力学特征参数及离子流速等信息。在离子电极检测上与周宝宣[17]设计接口调理电路相比具有更高的输入阻抗，同时相比分立运放构成的调理电路具有高共模抑制比和低噪精密等特性。植物根系表面积提取上，成像结构简单、成本低廉，具有交互式、自标定、通用化的处理机制。通过与WinRHIZO 根系分析软件作对比测试检验，相关度达到0.97，证明了该根系测量方法的有效性和可行性。在植物离子吸收动力学研究上和特征参数获取上，与唐艺璇等[18]相比，本文采用Hofstee 法、Michaelis-Menten 方程与在线式最小二乘结合，基本实现了自动获取离子含量、流速以及离子吸收动力学特征参数。同时由于使用了离子选择电极和图像传感器等无接触、直接测量等特性，在保证样本完整性的基础上实现了原位检测，能够为作物营养学研究鉴定和品种选育提供技术和数据支撑，具有较高的应用前景。但该仪器仅作了部分离子吸收的检测，在营养液中更多的离子种类和外界环境因子如温度、pH、ORP、DO（dissolved oxygen, 溶氧量）的共同作用下还有待研究。