專利名稱：一種檢測溫室中植物電信號的方法及其專用設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于溫室的、可長期監(jiān)測草本植物電信號的方法及專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
當(dāng)植物受到環(huán)境變化刺激后會產(chǎn)生相應(yīng)的胞外信號傳遞(如化學(xué)信號、水信號和電信號)[2]，而其中電信號的發(fā)生和傳遞可能是植物體對外部刺激的最初反應(yīng)，這種反應(yīng)可以觸發(fā)生理變化[3](如伸長生長、呼吸作用、水分吸收、韌皮部物質(zhì)外卸、膨壓下降及光合與蒸騰作用的改變、氣體交換、蛋白酶抑制劑基因的激活、轉(zhuǎn)錄等)，從而協(xié)調(diào)植物體內(nèi)各器官、組織之間以及自身和外部環(huán)境之間的關(guān)系[3]。植物電信號的變化歸納為三種[1]局部電位(Local Potential)植物中刺激引起的非傳導(dǎo)性電位變化。局部電位將刺激轉(zhuǎn)換成膜電位變化，膜電位變化總是先于動(dòng)作電位發(fā)生，當(dāng)超過某個(gè)閾值時(shí)，就會引發(fā)動(dòng)作電位；動(dòng)作電位(Action Potential)暫時(shí)的、可再生的膜電位變化，是由于短期間的強(qiáng)電流產(chǎn)生的去極化作用，它可以傳遞、且在此過程中幅度大小不變并能引起一些生理活動(dòng)的電現(xiàn)象；變異電位(VariationPotential)由傷害刺激引起的電位變化，它持續(xù)時(shí)間長、不遵循“全或無”定律，可以從受刺激部位向外傳導(dǎo)，在其前沿常有一個(gè)可能是動(dòng)作電位的峰值電位。
與動(dòng)物、人的生物電信號不同，高等植物在正常生長條件其電信號是往往以局部電位的形式緩慢波動(dòng)的，是對環(huán)境變化的響應(yīng)，隨環(huán)境因子溫度、濕度和光照變化而改變。但是，長期以來由于信息采集儀器、數(shù)據(jù)存儲及處理手段等條件限制，研究者們的工作主要集中在如何誘導(dǎo)(如脅迫鍛煉、短時(shí)高溫?zé)岽碳?植物使之產(chǎn)生動(dòng)作電位、變異電位以及探討電信號在植物體內(nèi)可能的傳遞途徑上[11]。現(xiàn)有的檢測技術(shù)主要有如下幾種(1)采用Ag-AgCl銀-氯化銀電極測量短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)作電位和變異電位，但電極電位的漂移可達(dá)到1.88mV/h且在有光環(huán)境下長期使用將對Ag-AgCl電極造成光損傷[4]，Ag-AgCl電極不能在有光的環(huán)境下用于植物電信號的長期監(jiān)測；(2)采用Ag-AgCl銀-氯化銀電極或鉑、金等電極直接插入植株內(nèi)，是有損的測量且還將影響韌皮部到有機(jī)物體內(nèi)物質(zhì)的輸運(yùn)；(3)雖然采用甘汞電極測量但未考慮長期監(jiān)測，電極與植物連接采用的鹽橋呈現(xiàn)全開放式，使溶液濃度不斷增高，在24小時(shí)內(nèi)使植物與之相連部分脫水，測量中沒有使用阻抗變換器，且與植物連接和固定較為麻煩[12]；(4)且必須在法拉第籠中進(jìn)行操作，也不能真正長期用于溫室環(huán)境中；(5)直接采用測量動(dòng)物、人體生物電的電極、放大電路和采集電路，電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致不能監(jiān)檢測出電信號，更不能在溫室環(huán)境下，從文獻(xiàn)公開的設(shè)計(jì)中采用了如圖8A的電路，由于輸入端D1，D2兩個(gè)半導(dǎo)體二極管的存在導(dǎo)致輸入阻抗不能滿足植物電信號的要求，于是采集到如圖8B所述的圖形并以呈現(xiàn)一定的節(jié)律性，節(jié)律性一般出現(xiàn)在動(dòng)物、人的心肌細(xì)胞等一些特化的細(xì)胞上，實(shí)質(zhì)是細(xì)胞膜上Na+離子通道或者Na+離子泵具有一定節(jié)律的開閉使細(xì)胞膜電位自動(dòng)去極化，而植物細(xì)胞本身細(xì)胞膜上沒有Na+離子通道或者Na+離子泵[6]，不存在膜電位自動(dòng)去極化的機(jī)制基礎(chǔ)，采集的有節(jié)律的變化是干擾而不是信號[7][8][9]；這種現(xiàn)象還存在與其他相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道中[10]；(6)直接采用測量動(dòng)物、人體生物電的電極、放大電路和采集電路，由于植物經(jīng)歷自苗期開始的營養(yǎng)生長和生殖生長階段中，其表皮層細(xì)胞不斷分化也不斷角質(zhì)化，相當(dāng)于信號源內(nèi)阻不斷增加，目前用于人體的生物電監(jiān)測方法不能適應(yīng)長期、無損檢測植物電信號的要求。
綜上所述，目前所用的用于檢測植物電信號的方法(現(xiàn)有技術(shù))屬于短時(shí)的、有損的，不適于在溫室中對植物電信號長期監(jiān)測[5]；或者直接采用測量動(dòng)物、人體生物電的監(jiān)測方法，不能完成植物電信號長期監(jiān)測；植物電信號屬于微弱信號易受干擾，以往采用法拉第籠屏蔽，不適于溫室中應(yīng)用；現(xiàn)有技術(shù)也不能提供植物電信號的進(jìn)一步分析方法和步驟。由于利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行檢測時(shí)的困境，因此就需要建立一種新的適用于溫室中的植物電信號檢測方法和研制一種無損長期監(jiān)測裝置，以彌補(bǔ)當(dāng)前檢測方法的不足，使得對植物電信號檢測方便、準(zhǔn)確、客觀，使植物電信號的檢測從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)應(yīng)用服務(wù)。
現(xiàn)有技術(shù)的參考文獻(xiàn)[1]婁成后.高等植物中化學(xué)波的信使傳遞.生物物理學(xué)報(bào).12(4)，1996739-745[2]Davies E.Action potentials multifunctional signals in plantsaunifying hypothesis to explain apparently disparate phenomena.Plant，Celland Environment.10.1987623-631[3]任海云等.高等植物體內(nèi)存在的興奮普遍性及其生理效應(yīng).植物生理學(xué)報(bào)，19(1)，199397~101[4]張唯真.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)。北京清華大學(xué)出版社.1990[5]Zawadzki T，Dziubinska H，Davies E.Characteristics of actionpotentials generated spontaneously in Helianthus.PhysiologiaPlantarum.93，1995291-297[6]武維華.植物生理學(xué).北京科學(xué)出版社。200376[7]于海業(yè)，李國臣，李強(qiáng)征，馬成林，宋振宇.植物電位信號采集與處理方法的研究.農(nóng)機(jī)化研究.2006，6145-148[8]李國臣，于海業(yè)，馬成林.植物微弱信號測量系統(tǒng)的研究與應(yīng)用..農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(8)6-10[9]李國臣，于海業(yè)，馬成林.植物電位信號采集系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用儀器儀表學(xué)報(bào)，20058月增刊369-373[10]王蘭州，李海霞，林敏，李嶠，李一星.統(tǒng)計(jì)分析方法在植物電波信號研究中的應(yīng)用.吉首大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2006，567-70[11]Dziubinska，H.，Tredeusz，K.，Zawadzki，T.，2001.Transmission routefor action potentials and variation potentials in Helianthus annuus L.J.Plant.Physiol.158，1167-1172. 黃嵐，王忠義，徐志龍等.多道植物電信號監(jiān)測系統(tǒng).現(xiàn)代科學(xué)儀器。2006，443-45發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種檢測溫室中植物電信號的方法及其專用設(shè)備，其能長時(shí)間、無損地監(jiān)測植物電信號的變化，對檢測的微弱植物電信號進(jìn)行奇異值分解以分離信號和噪聲，并進(jìn)一步利用本發(fā)明所給出的計(jì)算步驟找到對植物電信號變化影響的環(huán)境因子的排序。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種檢測溫室中植物電信號的方法，包括有以下步驟1)用非極化電極作為參考電極和測量電極；2)采用電極連接裝置將步驟一所述的電極和待測的植物莖或葉進(jìn)行無損連接；3)采用輸入阻抗大于1012Ω阻抗變換器分別與上述的電極的輸出端連接，各阻抗變換器的信號輸出端與一前置放大器連接，該前置放大器輸出的信號經(jīng)一電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流信號后傳送給信號處理裝置進(jìn)行后續(xù)處理。
上述的檢測溫室中植物電信號的方法中，所述非極化電極作為參考電極和測量電極，每個(gè)電極置于盛有導(dǎo)電液的燒杯中，將棉線放置在兩端開口的透明塑料軟管中以防止溶液濃度變化，棉線的一端伸出塑料軟管外部并距離軟管端口2cm，將伸出軟管的棉線與植物連接，軟管置于該燒杯中，燒杯上覆蓋薄膜。
當(dāng)對于植物莖表面進(jìn)行電信號測量時(shí)，選擇植物莖部的一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，接參考電極，將參考電極通過盛有導(dǎo)電液的燒杯與棉線接通，并將棉線與植物的莖無損連接；再選擇莖上另一點(diǎn)連接測量電極，將測量電極通過盛有導(dǎo)電液的燒杯與棉線接通，并將棉線與植物的莖無損連接；所述參考電極、測量電極由帶有屏蔽層的電纜連至所述阻抗變換器、前置放大器，而屏蔽層與FG相連。
當(dāng)對于植物葉表面進(jìn)行電信號測量時(shí)，選擇植物莖部的一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，接參考電極，將參考電極通過盛有導(dǎo)電液的燒杯與棉線接通，并將棉線與植物的莖無損連接；再將不小于3mm2的葉片部分浸入裝有測量電極和導(dǎo)電液的燒杯中，燒杯上覆蓋薄膜以防止溶液濃度變化；所述參考電極、測量電極由帶有屏蔽層的電纜連至所述阻抗變換器、前置放大器，而屏蔽層與FG相連。
另外，所述電極連接裝置和電極還可以具體為一微型電極夾，該微型電極夾設(shè)置有由Ag材料或鍍金材料制作的內(nèi)徑4mm杯狀電極，杯狀電極內(nèi)放置導(dǎo)電膏，直接將此電極夾連接植物的莖或葉。
上述的檢測溫室中植物電信號的方法中，所述對經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的微弱植物電信號進(jìn)行奇異值分解以分離信號和噪聲，其處理方法含以下步驟①對于已記錄植物電信號序列的{x(N)}，N是記錄數(shù)據(jù)得長度，用這個(gè)數(shù)據(jù)序列構(gòu)造矩陣Y，Y=x(1)........x(l)x(2).......x(l+1)x(k).......x(N)]]>這里，k＞l，N＝k+l-1；②對于矩陣Y
將任意階實(shí)數(shù)陣可分解成為三個(gè)矩陣的積，即Y＝U∑Vt其中，∑為對角矩陣，它收集了Y矩陣的奇異值，U和Vt分別為標(biāo)準(zhǔn)列正交和標(biāo)準(zhǔn)行正交矩陣，收集了這些特征值所對應(yīng)的列特征矢量和行特征矢量；任何測量過程都存在著測量誤差，所以信號的延遲陣測量矩陣可以表為Y＝Y(jié)·+E式中，Y·表示只含有用信號測量值，E則表示誤差(噪聲)矩陣，它由被舍棄的，即很小的特征值所代表的那部分特征列矢量和特征行矢量的乘積而得，有時(shí)也稱為模型誤差。注意，這部分量測誤差是與Y·正交的。此時(shí)由奇異值分解算法所得的收集了Y矩陣的特征值的對角矩陣∑，矩陣∑＝diag{λ1，λ2，…，λq}0式中，λ1≥λ2≥λ3≥…≥λq≥0稱為矩陣Y的奇異值；依賴奇異值的大小來判斷是否舍棄，取前k個(gè)奇異值的S矩陣為S″(在S陣僅保留前k個(gè)奇異值，其余奇異值置0)，Y·計(jì)算如下Y1＝US″V’定義一個(gè)參數(shù)r為奇異值的貢獻(xiàn)率，以此為依據(jù)選擇前幾個(gè)貢獻(xiàn)率總和＞90％以上的奇異值；r=λiΣiλi]]>去除噪聲的植物電信號序列{x1(N)}可以從矩陣Y1中得到{x0(N)}＝{Y1(1，1)，Y1(2，1)，Y1(3，1)，....Y1(k，1)，Y1(k，2).....Y1(k，N)}。
將經(jīng)過上述方法處理的大于60分鐘的植物電信號序列{x0(N)}與同步采集的溫室環(huán)境因子序列{xi(N)}，i表示不同得環(huán)境因子序列編號，i＝1，2....m，如溫度{x1(N)}，濕度{x2(N)}，光合有效輻射{x3(N)}；將植物電信號序列與環(huán)境因子序列按下列步驟計(jì)算1)對各個(gè)序列做數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用級差變換，這一步對原始數(shù)據(jù)消除量綱，
xij=xij-min(xij)max(xij)-min(xij)]]>min為求最小值運(yùn)算，max為求最大值運(yùn)算；得到序列{x’i(N)}2)計(jì)算植物電信號序列{x’0(N)}與{x’i(N)}因子序列各點(diǎn)的距離Δ0i(tj)并存儲到存儲器中，，i＝1，2...m，為環(huán)境因子序列編號，j＝1，2，...N，為采樣點(diǎn)編號，Δ0i＝|x0(tj)-xi(tj)|3)步驟2)中找到Δ0i(tj)的最大值Δmax，與最小值Δmin；4)計(jì)算植物電信號序列與各序列的每時(shí)刻的相關(guān)系數(shù)，其中0＜ρ≤1L0i(j)=Δmin+ρΔmaxΔ0i(j)+Δmax]]>植物電信號在一段時(shí)間內(nèi)(N個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi))與因子序列的相關(guān)程度按照下式計(jì)算CR0i=(1NΣj=1Nj/N(L0i(j)))/Σj=1Nj]]>5)CR0i表示植物電信號與因子的相關(guān)程度，為準(zhǔn)確評價(jià)及理順各因子序列對植物電信號的影響程度，需要將步驟4)中的CR0i進(jìn)行排序，從確定對植物電信號影響最大的環(huán)境因子；排序時(shí)，若CR0v＞CR0u，則標(biāo)號為v的因子序列作用強(qiáng)于標(biāo)號為u的因子序列。
本發(fā)明還提供了一種檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，它包括有一信號檢測裝置以及一信號處理裝置；所述信號檢測裝置包括有兩電極和電極連接裝置，各電極的輸出端連接有一阻抗變換器，各阻抗變換器的信號輸出端與一前置放大器連接，該前置放大器連接的輸出端連接一電壓電流轉(zhuǎn)換器；所述信號處理裝置包括有一與所述電壓電流轉(zhuǎn)換器連接的信號處理電路，以及與該信號處理電路連接的一微處理器，該微處理器還連接一用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器。
在實(shí)際操作中，所述信號處理電路包括有一與所述電壓電流轉(zhuǎn)換器連接的電流電壓轉(zhuǎn)換器，該電流電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端順次連接一低通濾波單元、一采樣保持單元以及一A/D轉(zhuǎn)換器；該A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述微處理器連接，該微處理器還與采樣保持單元連接。
上述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備中，所述電極為非極化電極，所述電極連接裝置包括有一盛有導(dǎo)電液的燒杯，該非極化電極置于燒杯中，另將棉線放置在兩端開口的透明塑料軟管中以防止溶液濃度變化，棉線的一端伸出塑料軟管外部并距離軟管端口2cm，將伸出軟管的棉線與植物連接，軟管置于該燒杯中，燒杯上覆蓋薄膜。
另外，所述電極連接裝置和電極還可以具體為一微型電極夾，該微型電極夾設(shè)置有由Ag材料或鍍金材料制作的內(nèi)徑4mm杯狀電極，杯狀電極內(nèi)放置導(dǎo)電膏，直接將此電極夾連接植物的莖或葉。
上述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備中，所述微處理器還連接有一輸入單元以及一顯示單元。具體來說，所述輸入單元為鍵盤，所述顯示單元為顯示器。此外，所述微處理器還連接有一串行接口以及一打印機(jī)接口。
上述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備中，所述非極化電極為是非極化甘汞電極、非極化銀電極、非極化鉑電極或非極化鍍金電極。
本發(fā)明由于采取以上設(shè)計(jì)，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明能在溫室中長時(shí)間、無損地監(jiān)測植物電信號的變化，對檢測的微弱植物電信號信號處理以分離信號和噪聲，在環(huán)境因子都改變時(shí)，能通過一定算法計(jì)算并給出導(dǎo)致植物電信號變化的主要因素，為使植物電信號檢測從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)變服務(wù)于生產(chǎn)提供了前提條件。
2、本發(fā)明中，由于在信號檢測裝置中設(shè)置了一電壓電流轉(zhuǎn)換器，并在信號處理裝置中設(shè)置一電流電壓轉(zhuǎn)換器，這可以使植物電信號在溫室中實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，傳輸距離可以達(dá)到100m。


圖1為本發(fā)明的檢測原理圖；圖2為本發(fā)明的電路框圖；圖3A為本發(fā)明一實(shí)施例的信號檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3B為本發(fā)明另一實(shí)施例的信號檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的工作狀態(tài)示意圖；
圖5為本發(fā)明的方法流程圖；圖6為利用本發(fā)明提供的方法步驟分離去處噪聲的結(jié)果；圖7為本發(fā)明采集的24小時(shí)的植物電信號和溫度、濕度及光合有效輻射信號；圖8A為現(xiàn)有技術(shù)中的一種設(shè)計(jì)電路；圖8B為采用現(xiàn)有技術(shù)收集到的信號。
具體實(shí)施例方式
首先，配合圖1～圖4所示，為本發(fā)明所提供的一種檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，它包括有一信號檢測裝置100以及一信號處理裝置200；信號檢測裝置100包括有兩電極111、112和電極連接裝置120，各電極的輸出端連接有一阻抗變換器130，各阻抗變換器130的信號輸出端與一前置放大器連接140，該前置放大器140連接的輸出端連接一電壓電流轉(zhuǎn)換器150；信號處理裝置200包括有一與電壓電流轉(zhuǎn)換器150連接的信號處理電路210，以及與該信號處理電路210連接的一微處理器201，該微處理器201還連接一用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器220。
在本發(fā)明中，信號處理電路210具體包括有一與電壓電流轉(zhuǎn)換器150連接的電流電壓轉(zhuǎn)換器211，該電流電壓轉(zhuǎn)換器211的輸出端順次連接一低通濾波單元212、一采樣保持單元213以及一A/D轉(zhuǎn)換器214；A/D轉(zhuǎn)換器214的輸出端與微處理器201連接，此外，微處理器201還與采樣保持單元213連接，采樣保持單元213用于將需要采樣、轉(zhuǎn)換的電壓保持一定時(shí)間的器件，采樣、保持可受到控制，可以由微處理器201產(chǎn)生這樣的控制。
具體在本實(shí)施例中，阻抗變換器130可以采用型號為MAX406的阻抗變換器，前置放大器連接140可以采用型號為AD620的前置放大器，而電壓電流轉(zhuǎn)換器150、以及電流電壓轉(zhuǎn)換器211均則采用OP37型轉(zhuǎn)換器；另外，低通濾波單元212由運(yùn)算放大器LM324芯片構(gòu)成，采樣保持單元由LF398芯片構(gòu)成，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器由AD1674芯片構(gòu)成，而微處理器201則采用32位以上的微處理器，比如Pentium III芯片；此外，存儲器220的儲存量為256M，其與微處理器連接，用于保存計(jì)算結(jié)果。
上述實(shí)施例中，所述電極111、112為非極化電極，其可以是非極化甘汞電極、非極化銀(Ag)電極、非極化鉑(Pt)電極或非極化鍍金(Au)電極，而電極連接裝置120可以包括有一盛有導(dǎo)電液的燒杯121，如圖3A所示，該非極化極置于燒杯121中，另將棉線122放置在兩端開口的透明塑料軟管123中以防止溶液濃度變化，棉線122的一端伸出塑料軟管123外部并距離軟管端口2cm，將伸出軟管的棉線122與植物連接，軟管123置于該燒杯121中，燒杯121上覆蓋薄膜。
另外，電極連接裝置和電極還可以具體為一微型電極夾124，如圖3B所示，該微型電極夾設(shè)置有由Ag材料或鍍金材料制作的內(nèi)徑4mm杯狀電極，杯狀電極內(nèi)放置導(dǎo)電膏，直接將此電極夾連接植物的莖或葉。上述的導(dǎo)電膏成分純化水、卡波姆、三乙醇胺、0.2％KCl，具體來說，本實(shí)施例是直接購買山東濟(jì)寧方大輕紡有限公司金諾特醫(yī)藥事業(yè)部生產(chǎn)的“金諾特(GNT)”牌導(dǎo)電膏。
在本發(fā)明中，微處理器201還可以連接有一輸入單元203以及一顯示單元202。顯示單元202可以采用市場所售的顯示器，其與微處理器1連接，用于顯示經(jīng)微處理器201處理后輸出的植物電信號；輸入單元203與微處理器201連接，其可以是一鍵盤，用于測量、保存等控制操作。本發(fā)明還設(shè)有打印機(jī)接口205與微處理器1連接，用于連接外部打印機(jī)，可將檢測到的數(shù)據(jù)打印出來；此外，還可以設(shè)設(shè)置一串行接口204與微處理器201連接，用于向如個(gè)人計(jì)算機(jī)等其他設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。
另外，再配合圖5～圖7所示，本發(fā)明還提供了一種檢測溫室中植物電信號的方法，包括有以下步驟1)用非極化電極作為參考電極和測量電極；2)采用電極連接裝置將步驟一所述的電極和待測的植物莖或葉進(jìn)行無損連接；3)采用輸入阻抗大于1012Ω阻抗變換器分別與上述的電極的輸出端連接，各阻抗變換器的信號輸出端與一前置放大器連接，該前置放大器輸出的信號經(jīng)一電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流信號后傳送給信號處理裝置進(jìn)行后續(xù)處理。
具體另配合圖2來說，所述非極化電極作為參考電極和測量電極，每個(gè)電極置于盛有導(dǎo)電液的燒杯121中，該導(dǎo)電液可以為0.35％KCl的溶液，將棉線122放置在兩端開口的透明塑料軟管123中以防止溶液濃度變化，棉線122的一端伸出塑料軟管123外部并距離軟管端口2cm，將伸出軟管的棉線122與植物連接，軟管123置于該燒杯121中，燒杯121上覆蓋薄膜。
當(dāng)對于植物莖表面進(jìn)行電信號測量時(shí)，配合圖3A所示，選擇植物莖部的一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，接參考電極111，將參考電極111通過盛有導(dǎo)電液的燒杯121與棉線122接通，并將棉線122與植物的莖無損連接；再選擇莖上另一點(diǎn)連接測量電極112，將測量電極112通過盛有導(dǎo)電液的燒杯121與棉線122接通，并將棉線122與植物的莖無損連接；參考電極111、測量電極112由帶有屏蔽層的電纜160連至阻抗變換器130、前置放大器140，而屏蔽層與FG相連。
當(dāng)對于植物葉表面進(jìn)行電信號測量時(shí)，選擇植物莖部的一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，接參考電極111，將參考電極111通過盛有導(dǎo)電液的燒杯121與棉線122接通，并將棉線122與植物的莖無損連接；再將不小于3mm2的葉片部分浸入裝有測量電極112和導(dǎo)電液的燒杯中，燒杯上覆蓋薄膜以防止溶液濃度變化；參考電極111、測量電極112由帶有屏蔽層的電纜160連至阻抗變換器130、前置放大器140，而屏蔽層與FG相連。
另外，電極連接裝置和電極還可以具體為一微型電極夾124，如圖3B所示，該微型電極夾124設(shè)置有由Ag材料或鍍金材料制作的內(nèi)徑4mm杯狀電極，杯狀電極內(nèi)放置導(dǎo)電膏，直接將此電極夾連接植物的莖或葉，這樣電極固定方便，能適應(yīng)于溫室中經(jīng)歷自苗期開始的營養(yǎng)生長和生殖生長階段的信號檢測及生產(chǎn)應(yīng)用。
本發(fā)明所提供的溫室中植物電信號檢測方法中，所述對經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的微弱植物電信號進(jìn)行奇異值分解以分離信號和噪聲，其處理方法含以下步驟①對于已記錄植物電信號序列的{x(N)}，N是記錄數(shù)據(jù)得長度，用這個(gè)數(shù)據(jù)序列構(gòu)造矩陣Y，Y=x(1).......x(l)x(2).......x(l+1)x(k)........x(N)]]>這里，k＞l，N＝k+l-1；②對于矩陣Y將各任意階實(shí)數(shù)陣可分解成為三個(gè)矩陣的積，即Y＝U∑Vt其中，∑為對角矩陣，它收集了Y矩陣的奇異值，U和Vt分別為標(biāo)準(zhǔn)列正交和標(biāo)準(zhǔn)行正交矩陣，收集了這些特征值所對應(yīng)的列特征矢量和行特征矢量；任何測量過程都存在著量測誤差，所以信號的延遲陣測量矩陣可以表為Y＝Y(jié)·+E
式中，Y·表示只含有用信號量測值，E則表示誤差(噪聲)矩陣，它由被舍棄的，即很小的特征值所代表的那部分特征列矢量和特征行矢量的乘積而得，有時(shí)也稱為模型誤差。注意，這部分量測誤差是與Y·正交的。此時(shí)由奇異值分解算法所得的收集了Y矩陣的特征值的對角矩陣∑，矩陣∑＝diag{λ1，λ2，…，λq}0式中，λ1≥λ2≥λ3≥…≥λq≥0稱為矩陣Y的奇異值；依賴奇異值的大小來判斷是否舍棄，取前k個(gè)奇異值的S矩陣為S″(在S陣僅保留前k個(gè)奇異值，其余奇異值置0)，Y計(jì)算如下Y1＝US″V’定義一個(gè)參數(shù)r為奇異值的貢獻(xiàn)率，以此為依據(jù)選擇前幾個(gè)貢獻(xiàn)率總和＞90％以上的奇異值；r=λiΣiλi]]>去除噪聲的植物電信號序列{x1(N)}可以從矩陣Y1中得到{x0(N)}＝{Y1(1，1)，Y1(2，1)，Y1(3，1)，.....Y1(k，1)，Y1(k，2).....Y1(k，N)}。
將經(jīng)過上述步驟處理的大于60分鐘的植物電信號序列{x0(N)}與同步采集的溫室環(huán)境因子序列{xi(N)}，i表示不同得環(huán)境因子序列編號，i＝1，2....m，如溫度{x1(N)}，濕度{x2(N)}，光合有效輻射{x3(N)}；將植物電信號序列與環(huán)境因子序列按下列步驟計(jì)算1)對各個(gè)序列做數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用級差變換，這一步對原始數(shù)據(jù)消除量綱，xij=xij-min(xij)max(xij)-min(xij)]]>min為求最小值運(yùn)算，max為求最大值運(yùn)算；得到序列{x’i(N)}2)計(jì)算植物電信號序列{x’0(N)}與{x’i(N)}因子序列各點(diǎn)的距離Δ0i(tj)并存儲到存儲器中，i＝1，2...m，為環(huán)境因子序列編號，j＝1，2，...N， 為采樣點(diǎn)編號，Δ0i＝|x0(tj)-xi(tj)|
3)步驟2中找到Δ0i(tj)的最大值Δmax，與最小值Δmin；4)計(jì)算植物電信號序列與各序列的每時(shí)刻的相關(guān)系數(shù)，其中0＜ρ≤1L0i(j)=Δmin+ρΔmaxΔ0i(j)+Δmax]]>植物電信號在一段時(shí)間內(nèi)(N個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi))與因子序列的相關(guān)程度按照下式計(jì)算CR0i=(1NΣj=1Nj/N(L0i(j)))/Σj=1Nj]]>5)CR0i表示植物電信號與因子的相關(guān)程度，為準(zhǔn)確評價(jià)及理順各因子序列對植物電信號的影響程度，需要將步驟4)中的CR0i進(jìn)行排序，從確定對植物電信號影響最大的環(huán)境因子；排序時(shí)，若CR0v＞CR0u，則標(biāo)號為v的因子序列作用強(qiáng)于標(biāo)號為u的因子序列。
利用本發(fā)明提供的裝置，利用本發(fā)明提供的方法步驟分離去處噪聲，結(jié)果見圖6所示；連續(xù)測試了24小時(shí)植物電信號及環(huán)境因子光照、溫度和濕度的變化如圖7所示，計(jì)算了在低溫變化時(shí)段，計(jì)算處植物電信號與光照、溫度和濕度的變化相關(guān)程度CR值，CR0溫度＝0.8＞CR0光照＝0.69＞CR0溫度＝0.61，說明溫度是影響植物電信號變化的主要因素。
權(quán)利要求
1.一種檢測溫室中植物電信號的方法，包括有以下步驟1)用非極化電極作為參考電極和測量電極；2)采用電極連接裝置將步驟一所述的電極和待測的植物莖或葉進(jìn)行無損連接；3)采用輸入阻抗大于1012Ω阻抗變換器分別與上述的電極的輸出端連接，各阻抗變換器的信號輸出端與一前置放大器連接，該前置放大器輸出的信號經(jīng)一電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流信號后傳送給信號處理裝置進(jìn)行后續(xù)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測溫室中植物電信號的方法，其特征在于所述非極化電極作為參考電極和測量電極，每個(gè)電極置于盛有導(dǎo)電液的燒杯中，將棉線放置在兩端開口的透明塑料軟管中以防止溶液濃度變化，棉線的一端伸出塑料軟管外部并距離軟管端口2cm，將伸出軟管的棉線與植物連接，軟管置于該燒杯中，燒杯上覆蓋薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測溫室中植物電信號的方法，其特征在于當(dāng)對于植物莖表面進(jìn)行電信號測量時(shí)，選擇植物莖部的一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，接參考電極，將參考電極通過盛有導(dǎo)電液的燒杯與棉線接通，并將棉線與植物的莖無損連接；再選擇莖上另一點(diǎn)連接測量電極，將測量電極通過盛有導(dǎo)電液的燒杯與棉線接通，并將棉線與植物的莖無損連接；所述參考電極、測量電極由帶有屏蔽層的電纜連至所述阻抗變換器、前置放大器，而屏蔽層與FG相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測溫室中植物電信號的方法，其特征在于當(dāng)對于植物葉表面進(jìn)行電信號測量時(shí)，選擇植物莖部的一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，接參考電極，將參考電極通過盛有導(dǎo)電液的燒杯與棉線接通，并將棉線與植物的莖無損連接；再將不小于3mm2的葉片部分浸入裝有測量電極和導(dǎo)電液的燒杯中，燒杯上覆蓋薄膜以防止溶液濃度變化；所述參考電極、測量電極由帶有屏蔽層的電纜連至所述阻抗變換器、前置放大器，而屏蔽層與FG相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測溫室中植物電信號的方法，其特征在于所述電極連接裝置和電極具體為一微型電極夾，該微型電極夾設(shè)置有由Ag材料或鍍金材料制作的內(nèi)徑4mm杯狀電極，杯狀電極內(nèi)放置導(dǎo)電膏，直接將此電極夾連接植物的莖或葉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一權(quán)利要求所述的檢測溫室中植物電信號的方法，其特征在于所述對經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的微弱植物電信號進(jìn)行奇異值分解以分離信號和噪聲，其處理方法含以下步驟①對于已記錄植物電信號序列的{x(N)}，N是記錄數(shù)據(jù)得長度，用這個(gè)數(shù)據(jù)序列構(gòu)造矩陣Y，Y=x(1).......x(l)x(2).......x(l+1)x(k).......x(N)]]>這里，k＞l，N＝k+l-1；②對于矩陣Y將任意階實(shí)數(shù)陣可分解成為三個(gè)矩陣的積，即Y＝U∑Vt其中，∑為對角矩陣，它收集了Y矩陣的奇異值，U和Vt分別為標(biāo)準(zhǔn)列正交和標(biāo)準(zhǔn)行正交矩陣，收集了這些特征值所對應(yīng)的列特征矢量和行特征矢量；任何測量過程都存在著量測誤差，所以信號的延遲陣測量矩陣可以表為Y＝Y(jié)·+E式中，Y·表示只含有用信號量測值，E則表示誤差(噪聲)矩陣，它由被舍棄的，即很小的特征值所代表的那部分特征列矢量和特征行矢量的乘積而得，有時(shí)也稱為模型誤差。注意，這部分量測誤差是與Y·正交的。此時(shí)由奇異值分解算法所得的收集了Y矩陣的特征值的對角矩陣∑，矩陣∑＝diag{λ1，λ2，…，λq}:0式中，λ1≥λ2≥λ3≥…≥λq≥0稱為矩陣Y的奇異值；依賴奇異值的大小來判斷是否舍棄，取前k個(gè)奇異值的S矩陣為S″(在S陣僅保留前k個(gè)奇異值，其余奇異值置0)，Y計(jì)算如下Y1＝US″V’定義一個(gè)參數(shù)r為奇異值的貢獻(xiàn)率，以此為依據(jù)選擇前幾個(gè)貢獻(xiàn)率總和＞90％以上的奇異值；r=λiΣlλt]]>去除噪聲的植物電信號序列{x1(N)}可以從矩陣Y1中得到{x0(N)}＝{Y1(1，1)，Y1(2，1)，Y1(3，1)，...Y1(k，1)，Y1(k，2).....Y1(k，N)}。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的檢測溫室中植物電信號的方法，其特征在于將經(jīng)過權(quán)力要求6處理的大于60分鐘的植物電信號序列{x0(N)}與同步采集的溫室環(huán)境因子序列{xi(N)}，i表示不同得環(huán)境因子序列編號，i＝1，2....m，如溫度{x1(N)}，濕度{x2(N)}，光合有效輻射{x3(N)}；將植物電信號序列與環(huán)境因子序列按下列步驟計(jì)算1)對各個(gè)序列做數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用級差變換，這一步對原始數(shù)據(jù)消除量綱，xij′=xij-min(xij)max(xij)-min(xij)]]>min為求最小值運(yùn)算，max為求最大值運(yùn)算；得到序列{x’i(N)}2)計(jì)算植物電信號序列{x’0(N)}與{x’i(N)}因子序列各點(diǎn)的距離Δ0i(tj)并存儲到存儲器中，i＝1，2...m，為環(huán)境因子序列編號，j＝1，2，...N，為采樣點(diǎn)編號，Δ0i＝|x0(tj)-xi(tj)|3)步驟2)中找到Δ0i(tj)的最大值Δmax，與最小值Δmin；4)計(jì)算植物電信號序列與各序列的每時(shí)刻的相關(guān)系數(shù)，其中0＜ρ≤1L0i(j)=Δmin+ρΔmaxΔ0i(j)+Δmax]]>植物電信號在一段時(shí)間內(nèi)(N個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi))與因子序列的相關(guān)程度按照下式計(jì)算CR0i=(1NΣj=1Nj/N(L0i(j)))/Σj=1Nj]]>5)CR0i表示植物電信號與因子的相關(guān)程度，為準(zhǔn)確評價(jià)及理順各因子序列對植物電信號的影響程度，需要將步驟4)中的CR0i進(jìn)行排序，從確定對植物電信號影響最大的環(huán)境因子；排序時(shí)，若CR0v＞CR0u，則標(biāo)號為v的因子序列作用強(qiáng)于標(biāo)號為u的因子序列。
8.一種檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，它包括有一信號檢測裝置以及一信號處理裝置，其特征在于所述信號檢測裝置包括有兩電極和電極連接裝置，各電極的輸出端連接有一阻抗變換器，各阻抗變換器的信號輸出端與一前置放大器連接，該前置放大器連接的輸出端連接一電壓電流轉(zhuǎn)換器；所述信號處理裝置包括有一與所述電壓電流轉(zhuǎn)換器連接的信號處理電路，以及與該信號處理電路連接的一微處理器，該微處理器還連接一用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，其特征在于所述信號處理電路包括有一與所述電壓電流轉(zhuǎn)換器連接的電流電壓轉(zhuǎn)換器，該電流電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端順次連接一低通濾波單元、一采樣保持單元以及一A/D轉(zhuǎn)換器；該A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述微處理器連接，該微處理器還與采樣保持單元連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，其特征在于所述電極為非極化電極，所述電極連接裝置包括有一盛有導(dǎo)電液的燒杯，該非極化電極置于燒杯中，另將棉線放置在兩端開口的透明塑料軟管中以防止溶液濃度變化，棉線的一端伸出塑料軟管外部并距離軟管端口2cm，將伸出軟管的棉線與植物連接，軟管置于該燒杯中，燒杯上覆蓋薄膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，其特征在于所述電極連接裝置和電極具體為一微型電極夾，該微型電極夾設(shè)置有由Ag材料或鍍金材料制作的內(nèi)徑4mm杯狀電極，杯狀電極內(nèi)放置導(dǎo)電膏，直接將此電極夾連接植物的莖或葉。
12.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，其特征在于所述微處理器還連接有一輸入單元以及一顯示單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，其特征在于所述輸入單元為鍵盤，所述顯示單元為顯示器。
14.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，其特征在于所述微處理器還連接有一串行接口以及一打印機(jī)接口。
15.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的檢測溫室中植物電信號的設(shè)備，其特征在于所述非極化電極為是非極化甘汞電極、非極化銀電極、非極化鉑電極或非極化鍍金電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測溫室中植物電信號的方法及專用設(shè)備，包括有以下步驟1)用非極化電極作為參考電極和測量電極；2)采用電極連接裝置將步驟一所述的電極和待測的植物莖或葉進(jìn)行無損連接；3)采用輸入阻抗大于10
文檔編號G06F19/00GK101021518SQ20061011419
公開日2007年8月22日 申請日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月1日
發(fā)明者黃嵐, 王忠義, 劉志存, 徐志龍, 史銀雪, 呂春利, 勞彩蓮, 趙龍蓮 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)