基于虚拟仪器杨树苗木水胁迫声发射监测与灌溉系统研究
【摘要】：
随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向，采用虚拟仪器实现声发射信号监测与分析也成为现代测试领域的发展趋势。为此，本课题研究开发了以PC为硬件平台、以美国国家仪器(NI)公司开发的LabView为软件开发平台，配合必要的传感器、信号调理器和数据采集卡组成的多通道水胁迫声发射监测及灌溉控制系统。此系统由温度传感器、土壤湿度传感器和声发射传感器将大气的温度、土壤的含水量变化以及由于水胁迫所引起的植株的声发射信号转化为电压变化，然后用虚拟仪器对输入到数据采集卡的电压信号进行实时采集。数据以数据日志文件类型存储起来，同时进行统计分析，实时显示并通过数据采集控制卡输出开关信号，控制电动机开启，以控制电磁阀实现滴水的控制，调节土壤的湿度，降低声发射信号的发生频次，同时还将反馈信号显示在操作平台上。
论文首先对水分亏缺的监测理论的进行了深入的介绍，对监测的方法及发展进行了深入的剖析；然后阐述了在虚拟仪器下监测系统的总体方案设计。该系统运行于Windows XP环境下，整个系统包括数据采集、信号调理、处理、存储、自动控制和显示。各部分均采用模块化编程。
灌溉试验是以杨树苗木为研究对象进行的，研究了声发射信号同植株的生理需水及环境因子间的关系。试验结果表明，杨树苗木由水胁迫产生的声发射信号控制灌溉与其它的灌溉控制相比对植株的生长几乎没有太大的差异，且对水分亏缺反应敏感，是一个良好的灌水自动控制指标。为此，本文在监测系统的基础上扩展了系统功能，建立了基于杨树苗木的生理需水信息的滴灌自动控制系统，并进行了灌溉控制效果实验。采用一种高节水型的灌溉方式—苗木两侧开沟滴头两侧均衡分布的分根区干湿交替灌溉方式，同定时灌溉及全湿灌溉方式相比，按声发射信息控制灌溉可分别节水31％和39％，而作物生长几乎不受影响，节水效果与经济效益显著。在保定市南郊试验田内实际试用结果表明，该系统工作稳定可靠、操作方便灵活、测试结果准确，适应了现代化农林业科学生产和自动化管理的需要，并为开展植物生理、生态及节水灌溉研究提供了一个崭新的研究手段，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。
【关键词】：水胁迫 杨树 虚拟仪器 灌溉控制 干湿交替 【学位授予单位】：河北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：S274
【目录】：
- 摘要4-5
- Abstract5-9
- 引言9-11
- 第一章 水胁迫声发射检测理论及应用11-17
- 1.1 水胁迫声发射检测的理论基础11
- 1.2 水分亏缺的诊断方法11-14
- 1.3 水胁迫声发射检测技术的发展现状及不足14-15
- 1.3.1 国外研究现状14
- 1.3.2 国内研究现状14-15
- 1.3.3 不足之处15
- 1.4 水胁迫声发射信号分析方法15-16
- 1.5 水胁迫声发射检测的意义16
- 1.6 课题研究的主要内容16-17
- 第二章 虚拟仪器技术及其应用17-20
- 2.1 虚拟仪器的概念及发展17
- 2.2 虚拟仪器的关键技术17
- 2.3 虚拟仪器技术特点17-18
- 2.4 虚拟仪器的构成方案18
- 2.5 虚拟仪器工作原理18-19
- 2.6 虚拟仪器技术的应用实例19-20
- 第三章 监测与灌溉自动控制系统总体设计20-23
- 3.1 检测参数及检测方法的确定20-21
- 3.2 声发射传感器安装位置的确定21
- 3.3 系统总体设计方案21-22
- 3.4 系统的网络拓扑结构22-23
- 第四章 监测与灌溉系统硬件设计23-30
- 4.1 数据采集部分23-26
- 4.1.1 温度传感器23
- 4.1.2 湿度传感器23-24
- 4.1.3 光照强度传感器24
- 4.1.4 声发射(AE)传感器24-25
- 4.1.5 前端数据采集器(P6024E)25-26
- 4.2 信号调理器及功能26-27
- 4.2.1 放大器26-27
- 4.2.2 隔离器27
- 4.3 信号分析设备27
- 4.3.1 PC机27
- 4.4 外围设备27-28
- 4.4.1 RS-232C接口转换器27-28
- 4.4.2 接线端子28
- 4.5 抗干扰措施28-30
- 4.5.1 干扰的概念28
- 4.5.2 干扰分析28
- 4.5.3 硬件抗干扰设计28-30
- 第五章 系统的软件设计30-38
- 5.1 软件的开发和运行环境30-31
- 5.2 软件软件系统总体设计31-32
- 5.3 实时测控模块设计32-35
- 5.3.1 参数设定模块32-34
- 5.3.2 环境因子数据采集模块34
- 5.3.3 数据存储34
- 5.3.4 数据处理和分析模块34-35
- 5.4 数据管理模块的设计35
- 5.4.1 历史查询模块35
- 5.4.2 图形显示模块设计35
- 5.4.3 灌溉报表模块设计35
- 5.5 软件功能扩展模块的设计35-36
- 5.6 软件抗干扰措施36-38
- 第六章 实验结果及分析38-42
- 6.1 试验区概况38
- 6.2 材料与方法38
- 6.3 灌溉控制效果38-42
- 6.3.1 AE信号与环境因子间的关系39
- 6.3.2 AE事件发生频次与天气状况和灌水量之间的关系39-40
- 6.3.3 按声发射信号两种不同灌溉方式下的对比关系40-41
- 6.3.4 不同灌溉方式下苗高的对照和地径的对照41
- 6.3.5 苗木复水后声发射信号和土壤含水量的关系41-42
- 第七章 根据植株生理需水信息的灌溉自动化实现42-46
- 7.1 灌溉自动化42-44
- 7.1.1 灌溉自动化现状42
- 7.1.2 自动灌溉控制系统组成42-43
- 7.1.3 灌溉控制算法43-44
- 7.2 灌溉技术确定44-46
- 第八章 结论46-48
- 8.1 主要研究工作46
- 8.2 主要研究结论46-47
- 8.3 展望47-48
- 参考文献48-52
- 在读期间发表的学术论文52-53
- 作者简介53-54
- 致谢54-55
- 发表文章55-68
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