樹(shù)徑及其環(huán)境信息遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

張百杰，李文彬，王 虓，郝志斌

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

國(guó)內(nèi)外、尤其是國(guó)內(nèi)關(guān)于樹(shù)木的生長(zhǎng)規(guī)律特別是日變化、月變化等研究較少，這在一定程度上受到了測(cè)量精度和數(shù)據(jù)采集頻率的影響?，F(xiàn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正成為一種趨勢(shì)，尤其是低功耗的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由于其功耗低、成本低、體積小、精度高等特點(diǎn)使得其成為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的主流。但是目前將樹(shù)徑測(cè)量傳感器和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的研究還很少，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在溫室大棚和林火監(jiān)測(cè)上面的研究較為成熟[1-4]。筆者研究一種將立木胸徑傳感器和低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的系統(tǒng)，并且自行設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能供電模塊，保證系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的供電。該系統(tǒng)定時(shí)對(duì)樹(shù)木胸徑的信息、林地溫度、濕度以及煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯刃畔⑦M(jìn)行采集，并經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳到服務(wù)器，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器對(duì)林地環(huán)境和樹(shù)木胸徑生長(zhǎng)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行火災(zāi)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警預(yù)報(bào)，對(duì)減少森林災(zāi)害具有重要意義。采集的數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，可為樹(shù)木生長(zhǎng)與環(huán)境因子之間的關(guān)系研究提供參考。

1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要由樹(shù)徑傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒆贤鈧鞲衅?、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（即普通傳感器節(jié)點(diǎn)）、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成。普通傳感器節(jié)點(diǎn)與上述各傳感器連接，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送，最后通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。具體可參見(jiàn)圖4。

1.1 立木胸徑測(cè)量傳感器及測(cè)量原理

系統(tǒng)以低碳環(huán)保為目標(biāo)，故對(duì)于傳感器的要求是低功耗，反應(yīng)靈敏、適合激勵(lì)電壓采集，精度高，經(jīng)過(guò)綜合考慮選擇德國(guó)ECOMATIC公司的DC2樹(shù)徑生長(zhǎng)量測(cè)量傳感器[5-12]。

德國(guó)ECOMATIC公司的DC2樹(shù)徑生長(zhǎng)量測(cè)量傳感器，是基于直線位移檢測(cè)原理，將樹(shù)木胸徑的變化通過(guò)固定長(zhǎng)度的不銹鋼剛性圍繩（溫度系數(shù)<1.4×10-6/K）反映到傳感器的電阻變化上，具體見(jiàn)圖1和圖2。該傳感器由于是電阻式的傳感器，對(duì)于輸入電壓要求小；靈敏度高，響應(yīng)快，可以使用激勵(lì)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，大大地降低了采集節(jié)點(diǎn)的功耗。傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模型公式（1）轉(zhuǎn)化為周長(zhǎng)變化，進(jìn)而計(jì)算出直徑變化量。數(shù)學(xué)模型公式如下：

其中Ci為測(cè)定時(shí)樹(shù)木的周長(zhǎng)值，R0為初始標(biāo)定的半徑，V0為初始的傳感器壓縮量，式中的數(shù)值102為傳感器自身長(zhǎng)度參數(shù)，即彈簧處于自然狀態(tài)時(shí)候測(cè)頭端到樹(shù)干的距離。在計(jì)算時(shí)候?qū)i近似于Ri－1，通過(guò)數(shù)列的推導(dǎo)最后得出上面公式。計(jì)算的核心部分是剛性圍繩的長(zhǎng)度為定值（即圖1中虛線長(zhǎng)度減去其兩切線之間圓弧的長(zhǎng)度值和實(shí)線長(zhǎng)度減去其切線中間圓弧長(zhǎng)度值相等），整個(gè)計(jì)算和推導(dǎo)過(guò)程圍繞該核心部分進(jìn)行。該樹(shù)徑傳感器不需要外部電源供電，工作溫度范圍較廣，耐低溫和高溫，傳感器的溫度系數(shù)根據(jù)測(cè)量電路可以達(dá)到<0.1 μm/k。量程為15 mm，通過(guò)重新標(biāo)定可以無(wú)限調(diào)大；質(zhì)量輕，便于野外安裝，同時(shí)對(duì)樹(shù)木本身無(wú)損傷、不影響樹(shù)木生長(zhǎng)。在安裝中，主要靠皮帶的彈性將傳感器固定在樹(shù)干上面，具體安裝圖如圖2：

圖1 數(shù)學(xué)模型原理圖

圖2 樹(shù)徑傳感器示意圖

1.2 煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱妥贤鈧鞲衅?/h3>

煙霧傳感器選擇MS5100煙霧傳感器，根據(jù)森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)目的，采用激勵(lì)電壓供電、同時(shí)不需要預(yù)熱，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量該傳感器可以達(dá)到系統(tǒng)要求，快速地檢測(cè)到林地的煙霧濃度；火焰?zhèn)鞲衅鞲鶕?jù)紅外輻射的原理，感知火焰，監(jiān)測(cè)林地范圍內(nèi)的火焰情況，配合煙霧傳感器對(duì)火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和預(yù)警。紫外傳感器，可以根據(jù)檢測(cè)到紫外強(qiáng)度判斷天氣狀況，配合采集節(jié)點(diǎn)上的溫濕度傳感器的數(shù)值，為樹(shù)木的生長(zhǎng)機(jī)理研究提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)庫(kù)，推進(jìn)樹(shù)木生長(zhǎng)機(jī)理等基礎(chǔ)研究。

1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和采集板

該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)采用crossbow公司的IRIS節(jié)點(diǎn)和MDA300采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。IRIS節(jié)點(diǎn)由處理器XM2110和射頻芯片RF230構(gòu)成。XM2110基于一款低功耗的ATmega1281處理芯片。IRIS節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集板MDA300構(gòu)成普通無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，二者通過(guò)51針串口相連。IRIS節(jié)點(diǎn)工作在2.4 GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議，具有更廣的作用范圍，傳輸距離較以往產(chǎn)品提高3倍，并且超低功耗。

MDA300采集板上集成了溫、濕度傳感器，具有12位分辨率。內(nèi)置的溫濕度傳感器，可以檢測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的安全同時(shí)對(duì)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和上傳數(shù)據(jù)，為樹(shù)木生長(zhǎng)因子的分析和生長(zhǎng)規(guī)律的研究提供可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)。另外有2個(gè)2.5 V、1個(gè)3.3 V、1個(gè)5 V的激勵(lì)電壓口，給火焰?zhèn)鞲衅?、?shù)徑和紫外等傳感器提供外部激勵(lì)電壓，通過(guò)編程控制激勵(lì)電壓的產(chǎn)生頻率和數(shù)據(jù)采集頻率，大大減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。該節(jié)點(diǎn)可以電源提供3.3 V供電（太陽(yáng)能）也可以采用AA電池供電。

1.4 節(jié)點(diǎn)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)主要根據(jù)太陽(yáng)能充電、鋰電池供電的模式，設(shè)計(jì)了一個(gè)供電系統(tǒng)。具體見(jiàn)圖3。

圖3 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)圖

上圖是一個(gè)利用太陽(yáng)能光電板+鋰電池+穩(wěn)壓芯片構(gòu)成不間斷的低功耗電源系統(tǒng)。太陽(yáng)能光電板從光/伏轉(zhuǎn)換成微量的電能通過(guò)二極管，經(jīng)由充放電控制電路對(duì)鋰進(jìn)行充電。同時(shí)也供穩(wěn)壓芯片提供電壓輸入，芯片輸出3.3 V電壓供給系統(tǒng)使用。二極管主要防止反向放電，充放電控制電路主要監(jiān)測(cè)鋰電池電壓，當(dāng)鋰電池充滿時(shí)候充電電路被斷開(kāi)，太陽(yáng)能直接通過(guò)穩(wěn)壓芯片給節(jié)點(diǎn)供電；當(dāng)鋰電池電壓過(guò)低時(shí)候斷開(kāi)放電電路，保護(hù)電池。穩(wěn)壓芯片為超低功耗、低壓差的芯片，靜態(tài)電流<1μA。這樣的電路非常適合于低功耗的戶外設(shè)備中使用，具有環(huán)保、高效的特點(diǎn)。其中鋰電池選擇為3.7 V，4 000 mAh，保證了系統(tǒng)在陽(yáng)光不充足或者陰天等情況下長(zhǎng)時(shí)間供電的順利進(jìn)行。

2 林地監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

該系統(tǒng)主要由普通傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)打包通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器上面，我們可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面進(jìn)行查看信息，獲取信息。普通傳感器節(jié)點(diǎn)連接各種傳感器如樹(shù)徑傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器和紫外傳感器等，具體結(jié)構(gòu)和功能見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能框圖

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，在實(shí)際部署中，用了5個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為標(biāo)號(hào)為0、2、3、5、7，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組網(wǎng)的方式組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)方式為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。其中0號(hào)節(jié)點(diǎn)連接在MIB520上作為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)安裝在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，3和5號(hào)節(jié)點(diǎn)連接了樹(shù)徑傳感器（見(jiàn)圖5）、7號(hào)節(jié)點(diǎn)連接了煙霧濃度傳感器。監(jiān)控程序可以對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)如溫度、相對(duì)濕度、煙霧濃度以及傳感器的電壓值（或者胸徑值）等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，設(shè)定溫度、焰火和煙霧預(yù)警值以及超過(guò)預(yù)警值報(bào)警。其中樹(shù)徑生長(zhǎng)量傳感器的安裝如圖2所示安裝，將IRIS節(jié)點(diǎn)和MDA300采集板連接好后裝在塑料盒子里面并將天線外置，外面加上自行設(shè)計(jì)的防護(hù)盒，使節(jié)點(diǎn)上面的傳感器既能采集數(shù)據(jù)又能防止塵土、雨水以及昆蟲(chóng)等進(jìn)入。防護(hù)盒上面加太陽(yáng)能采集板對(duì)節(jié)點(diǎn)電池充電，增加電池的壽命，保持系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖5 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

試驗(yàn)林地為學(xué)校森工樓南側(cè)和西側(cè)林地，選取的對(duì)象為1棵加拿大楊樹(shù)和1顆英國(guó)梧桐。試驗(yàn)時(shí)間為2011年3月初至今。樹(shù)徑傳感器在安裝后需要記錄原始標(biāo)定值如英國(guó)梧桐的安裝初始的電壓701 mv、周長(zhǎng)1 500 mm，加楊安裝初始電壓1 373 mv、周長(zhǎng)970 mm。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)網(wǎng)關(guān)可查看到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了其可靠性。煙霧傳感器在普通的情況下一般電壓值只有10 mv以下，當(dāng)有煙霧的時(shí)候該數(shù)值迅速上升至幾百毫伏，通過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證其靈敏性；火焰（紅外輻射）傳感器在檢測(cè)到火焰時(shí)輸出值迅速上升至1 800 mv以上，反應(yīng)時(shí)間小于半秒，煙霧傳感器配合火焰（紅外輻射）傳感器的應(yīng)用可以更好地達(dá)到森林火災(zāi)預(yù)警的目的。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)上的紫外傳感器模塊用于輔助測(cè)量天氣狀況，其安裝在林地光照較好區(qū)域，一般一個(gè)林地安裝1～2個(gè)節(jié)點(diǎn)即可，本試驗(yàn)安裝一個(gè)；陰天時(shí)候輸出為0左右，晴天電壓值150～300 mv（具體值根據(jù)實(shí)際安裝地點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定）。對(duì)于樹(shù)徑傳感器的測(cè)量值，通過(guò)資料查考，驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果符合樹(shù)木在一天和一段時(shí)間直徑的變化以及外界干擾下（如林地灌溉或者下雨等）的變化規(guī)律。具體如圖6所示。

圖6 樹(shù)徑的日變化

從圖6中可以看出，該樹(shù)木直徑的生長(zhǎng)主要集中在一天中的19∶00～次日8∶00內(nèi)，根據(jù)相關(guān)資料[13-14]解釋，這段時(shí)間空氣相對(duì)濕度較高，樹(shù)木吸收水分，細(xì)胞的含水率較高使得樹(shù)木的直徑生長(zhǎng)較快，而10∶00～17∶00時(shí)這段時(shí)間，空氣的相對(duì)濕度迅速下降，樹(shù)木的蒸騰作用、代謝速率等原因使得細(xì)胞的含水率下降，故曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

從圖7中可以看出，4月22后英桐和加楊的變化量都呈現(xiàn)出不同程度的迅速增大趨勢(shì)，而且數(shù)據(jù)回落不多，總趨勢(shì)是增大，而在4月22前由于溫濕度等影響，加楊和英桐的直徑變化都在零線附近，幾乎不增長(zhǎng)。由此可以看出2011年4月下旬英桐和加楊呈現(xiàn)出開(kāi)始生長(zhǎng)的趨勢(shì)，之前由于雨水較少，細(xì)胞含水率低，故稍有下降趨勢(shì)，但是總體上是處于波動(dòng)狀態(tài)，這和一天中的溫濕度有很大相關(guān)性。以上數(shù)據(jù)通過(guò)資料[15-16]的查考，證實(shí)該系統(tǒng)測(cè)量精確、可靠。由于樹(shù)木生長(zhǎng)較慢，年徑變化量也超不過(guò)2 cm，故試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，其他數(shù)據(jù)和分析需要長(zhǎng)期測(cè)量后分析。

圖7 樹(shù)徑月變化量

其他相關(guān)分析比如樹(shù)徑和溫濕度關(guān)系等曲線就不在此一一列出，溫度和濕度傳感器都經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)十分精確。

3.2 分析

該系統(tǒng)比較穩(wěn)定，效果良好，基本達(dá)到了預(yù)期的效果?？偨Y(jié)分析該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

（1）樹(shù)徑生長(zhǎng)量測(cè)量裝置中采用的傳感器是電阻傳感器，而電阻式傳感器相比于其他的電容式、容柵、光柵以及編碼器等系列傳感器具有原理簡(jiǎn)單、無(wú)需電源供電、干擾因素少，工藝方面采用國(guó)外先進(jìn)導(dǎo)電塑料和線性修刻技術(shù)，使得該傳感器的分辨率可以無(wú)限小，實(shí)際數(shù)據(jù)由采集板ADC的分辨率決定，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量，樹(shù)徑生長(zhǎng)量測(cè)量裝置測(cè)量的數(shù)據(jù)較為精確，采集板12位的ADC分辨力可以達(dá)到7μm。

（2）傳感器的輸入可以通過(guò)采集板進(jìn)行小電壓供電，并且使用激勵(lì)電壓供電，進(jìn)一步大大地減少了能量的消耗，同時(shí)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的應(yīng)用使得節(jié)點(diǎn)供電時(shí)間被大大地延長(zhǎng)，達(dá)到低功耗、環(huán)保節(jié)能的目的。

（3）樹(shù)徑生長(zhǎng)量的轉(zhuǎn)化公式中的周長(zhǎng)計(jì)算方法是經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)而來(lái)，其整個(gè)公式中只有Ri=Ri-1這一處近似（由于兩次采集的時(shí)間間隔較短，樹(shù)木的直徑基本無(wú)變化），但是這種計(jì)算方式要求選定的樹(shù)干接近圓形，越接近計(jì)算的結(jié)果越精確。

（4）該系統(tǒng)采用低功耗的工作在2.4 GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的IRIS節(jié)點(diǎn)，具有更廣的作用范圍，傳輸距離較以往產(chǎn)品提高三倍，并且具有超低功耗，相對(duì)以往產(chǎn)品休眠電流減半；并可以在應(yīng)用程序的中修改節(jié)點(diǎn)采樣頻率，也可以通過(guò)MoteWorks自帶軟件MoteConfig限制節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率；同時(shí)由于系統(tǒng)增加了太陽(yáng)能電池板的使用，從而給系統(tǒng)帶來(lái)更長(zhǎng)的電池壽命。

（5）同比于其他樹(shù)徑測(cè)量裝置，該裝置對(duì)樹(shù)木無(wú)任何損傷，不影響樹(shù)木的正常生長(zhǎng)。

該系統(tǒng)雖然各方面性能良好，但是由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，煙霧傳感器和紅外傳感器需要外接，接線比較多，不利于長(zhǎng)期使用，需做進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)論

將樹(shù)徑傳感裝置、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及太陽(yáng)能供電系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，建立了一個(gè)使用便捷、精度高、節(jié)能環(huán)保的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用得出以下結(jié)論。

（1）此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在樹(shù)徑及其環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上是可靠的，特別是對(duì)人工林地或者試驗(yàn)林地環(huán)境中，進(jìn)行樹(shù)徑和林地環(huán)境數(shù)據(jù)采集以及林地防火預(yù)警工作提供了一個(gè)確實(shí)可靠的系統(tǒng)和工具，向數(shù)字化林業(yè)邁進(jìn)了一大步。

（2）該系統(tǒng)中樹(shù)徑傳感器精度高、反應(yīng)靈敏、體積小，可以最大地實(shí)現(xiàn)測(cè)量的精確度。

（3）該系統(tǒng)可以為樹(shù)木生長(zhǎng)機(jī)理以及生長(zhǎng)因子相關(guān)關(guān)系的研究提供可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）該網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、可靠，繞過(guò)障礙物傳輸能力強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)林間傳輸距離大于100 m，對(duì)于試驗(yàn)林地來(lái)說(shuō)足夠用，而且耗能低，兩節(jié)AA電池可以連續(xù)使用3個(gè)月，現(xiàn)使用的太陽(yáng)能供電模塊預(yù)計(jì)可以保證至少2 a的連續(xù)供電。

下一步可以繼續(xù)研究樹(shù)高的測(cè)量方式和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樹(shù)木生長(zhǎng)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立，并同時(shí)將遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的界面優(yōu)化，達(dá)到可以隨時(shí)查看各種生長(zhǎng)曲線等信息的要求。

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